实体膨胀管膨胀后轴向位移有限元数值模拟

实体膨胀管膨胀后轴向位移的变化规律,是确定待膨胀套管长度和确定膨胀工艺的基础,是实施井下套管膨胀作业前必须解决的问题。为研究膨胀管膨胀后的轴向位移的变化规律,建立了实体膨胀管膨胀过程的三维非线性接触问题有限元分析模型。通过对所建模型的求解,对实体膨胀管膨胀后轴向位移与膨胀工具模角的关系进行了深入细致的研究,找出了膨胀工具与膨胀管在不同的接触条件、膨胀管在不同的内径膨胀率及不同的壁厚条件下轴向位移的变化规律。得出了套管膨胀后的轴向位移受多种因素影响的结论。并通过实验证明了所建立的模型解精度较高,能够满足工程需要。因此,在设计膨胀工艺时,应综合考虑膨胀工具与膨胀管的接触状态、膨胀管的膨胀率及膨胀工具模角,确定套管膨胀前的实际长度,以满足工程实际的需要。     

实体膨胀管膨胀推力理论模型研究

膨胀管技术作为21世纪石油行业的核心技术之一被越来越广泛的使用.其中膨胀管膨胀力是膨胀管技术的关键参数,它是确定膨胀载荷和设计、优化膨胀工具的理论基础.针对实体膨胀管结构特点和塑性大变形膨胀过程,采用弹塑性力学分析方法,结合膨胀管实际应用情况,建立了实体膨胀管力学模型及膨胀力计算模型.模型不仅考虑了达到膨胀管塑性极限所需最小膨胀力,也考虑了保径段回弹对膨胀力的影响.因此,采用该模型能较准确地计算膨胀锥向下运动所需要的最小推力.对膨胀力计算模型进行极值分析,得到了膨胀锥角和摩擦系数的关系,为优化膨胀工具提供了理论依据.     

实体膨胀管膨胀力解析解及试验研究

采用金属塑性变形理论,用解析法研究了实体膨胀管在大的径向塑性变形下的力学响应,获得了计算实体膨胀管膨胀力和接触压力的解析解模型。据此模型,计算了139.7 mm×7.72 mm N80钢级实体膨胀管以15%的膨胀率进行膨胀时所需的膨胀力。为了验证该解析解模型的准确性,试验研究了139.7 mm×7.72 mm N80钢级实体膨胀管以15%的膨胀率进行膨胀时膨胀力的变化状态,并将试验值与实例计算值进行对比,二者最大相对误差为9.2%,属于工程许可的精度范围。因此,该解析解模型可以用于指导膨胀工具和施工工艺设计。     

实体膨胀管理论膨胀载荷的确定

实体膨胀管膨胀载荷是膨胀管钻井技术的关键参数。膨胀载荷分析方法是确定膨胀载荷和设计、优化膨胀工具的理论基础。针对实体膨胀管结构特点和塑性大变形膨胀过程,建立了实体膨胀管力学模型,提出了实体膨胀管膨胀载荷确定方法,给出了膨胀载荷计算公式,指出了膨胀载荷和膨胀管结构、材料性质、膨胀工具结构及其接触面上的摩擦因数之间的关系。通过和有限元数值计算结果、实际工程案例比较,相对误差为3.4%~5.8%,结果表明膨胀载荷分析方法合理、正确,对实体膨胀管钻井技术具有实际、有效的工程指导意义。     

实体膨胀管实物膨胀评价装置设计

针对现有简易膨胀试验装置存在的膨胀力小、膨胀速度慢、膨胀过程和现场实际不一致等问题,设计了专业的实体膨胀管实物膨胀评价装置。该装置可模拟油田现场井下膨胀情况,对膨胀管进行膨胀检测和评价,且可在单纯的机械拉力或单纯的水压或两者共同作用下对膨胀管进行膨胀试验。利用该装置还可进行钢管膨胀变形规律研究、膨胀管材料选择和开发、膨胀锥优化设计、膨胀工艺研究等,在保证膨胀管产品质量的同时将大力促进实体膨胀管的国产化。     

实体膨胀管力学行为试验研究

膨胀管的膨胀过程是一种高度非线性行为,解析方法虽然可以近似求出变形力的大小,但很难对膨胀过程进行全面求解。为了较精确、全面地研究膨胀管膨胀过程,一般是采用数值模拟或实验方法。文中通过一组试验,比较详细地研究了膨胀管膨胀变形力、膨胀后套管轴向缩短量、膨胀后套管壁厚减小量、膨胀后套管的抗拉强度、屈服强度与膨胀工具模角及套管膨胀率的关系,得到了它们之间相互制约的变化规律。这些规律将为膨胀管材料的选择、膨胀工具的结构和强度设计、膨胀系统整体设计及膨胀工艺的制订提供有效的参考数据。     

用工程法求解可膨胀管塑性变形力

应用塑性力学工程法研究了可膨胀管的塑性变形机理，推导出了计算可膨胀管塑性变形力的解析式，研究了各参数对变形力的影响规律；随后，将该方法的计算结果与用有限元方法的求解结果及实验结果进行了对比，结果表明该方法具有相当高的求解精度，能够满足工程的实际需要；同时，该方法简单明了，求解迅速，更便于在实际工程上推广应用。     

实体膨胀管膨胀过程数值模拟及结构优化

分析了实体膨胀管膨胀过程机理及影响因素。采用ANSYS软件对不同结构的膨胀管膨胀过程进行有限元模拟,模拟过程采用非线性准静态力学法,揭示了膨胀过程中管体的轴向、径向位移的变化规律及其主要影响因素。模拟结果表明：膨胀过程中管壁变薄,膨胀载荷与膨胀工具有直接关系,合理膨胀工具半锥角为10~15°。有限元数值模拟方法可以较好地预测实体膨胀管膨胀过程主要影响因素,可对选取合理膨胀工艺提供依据。     

膨胀管技术中膨胀力的理论计算

结合膨胀管材料的应力-应变试验曲线,考虑管材在膨胀过程中发生的应力强化现象,将膨胀管材看作幂强化模型,并采用单一曲线假设引入中间应力影响系数,将膨胀管在膨胀变形过程中的周向应力和等效应力联系起来,导出了管材膨胀过程中膨胀力的计算公式。应用该公式计算出的膨胀力与试验值和用有限元软件模拟计算出的膨胀力值很接近,其误差在-7.3%～-3.4%之间,验证了公式的合理性。     

油田用膨胀管塑性变形评价研究与试验

膨胀管大塑性变形过程中的变形力、壁厚与长度变化量是膨胀管的主要评价参数,也是膨胀管技术现场应用设计的重要依据。为此,分析了膨胀管塑性变形过程的力学行为,利用静力平衡方程与Levy-Mises金属流动准则建立了膨胀率与塑性变形力、膨胀率与壁厚以及长度收缩率关系的数学模型,并开展了有限元数值模拟和试验研究。研究结果表明,在膨胀率8%~24%条件下的膨胀管试验结果与理论计算值以及有限元模拟值符合较好,说明理论计算公式以及有限元模型能够合理预测膨胀管变形时的参数变化。该项研究结果可以作为膨胀管现场施工的设计依据。     

膨胀管金属流动行为的计算机模拟研究

膨胀套管技术在我国尚处于理论探索阶段。鉴于此 ,用ADINA软件的弹塑性有限元接触问题建立了可膨胀管膨胀过程的力学模型 ,对壁厚 8 94mm的 2 4 4 5mm套管进行膨胀过程的计算机模拟 ,通过分析和比较沿膨胀管径向不同位置处的单元节点组在X轴和Y轴方向的位移量 ,得出了膨胀管在不同摩擦系数和不同内径膨胀幅度时的金属流动规律 ,为膨胀锥体的结构设计和材料选择以及膨胀技术的实际应用提供了理论依据。     

国外几种柔性膨胀管在胜利油田的应用

随着技术进步,柔性膨胀管技术逐渐应用到钻井完井作业中,用来解决复杂的技术问题,并取得了一定成效。胜利油田引进并应用了威得福公司生产的ABL割缝膨胀管,壳牌和哈里伯顿合资的ENVENTURE公司生产的实体膨胀管,俄罗斯TATNEFT公司生产的波纹膨胀管。根据实际情况应用到不同井型用来解决不同的复杂问题。由于施工工艺不同,使用效果也不一样。简述了各种膨胀管工艺、原理和施工方法的差异,并进行了分析,为柔性膨胀管技术在国内的应用提供了经验。     

新一代旋转可膨胀管系统力学特性研究

利用有限元模拟分析方法,研究了新一代旋转可膨胀管系统的力学特性,得出如下结论:(1)膨胀心头旋转角速度对可膨胀管自由端面总轴向位移、对可膨胀管壁厚减薄量、对膨胀后膨胀管最大残余应力的影响均很小;(2)随着膨胀心头旋转角速度的增加,所需最大膨胀力迅速减小,可用拟合多项式表示;(3)随着膨胀心头旋转角速度的增加,膨胀过程中产生的最大接触应力整体上呈增加趋势,也可用拟合多项式表示。     

石油膨胀管材料的设计准则

石油膨胀管是现代石油工业领域新兴的一项技术,被称为21世纪石油套管的一次技术革命。通过大量的实验研究,介绍了石油膨胀管材料铁基膨胀合金的设计准则,即膨胀管材料应具备高塑性、高强度和高加工硬化率等3个特点;提出了新概念“材料的强塑性”。为了便于设计石油膨胀管材料,推导了铁基合金ε马氏体的相变起始温度Ms(ε)的计算公式。     

膨胀套管关键技术的分析

膨胀套管技术是一项节约井眼直径的钻井新技术,起源于美国Enventure公司,现已广泛应用于深水井、复杂地层井的钻井勘探和对套损井的修复再生产,取得了巨大的经济效益和社会效益,而我国对该技术的研究还处于理论探索阶段.文章通过对膨胀套管的关键技术进行分析,指出了研究思路和方法,促进了该技术在我国的推广应用.     

摩擦因数对膨胀套管影响的有限元模拟研究

应用ABAQUS大型通用有限元软件和数值模拟分析方法,建立了膨胀套管膨胀过程的三维弹塑性非线性接触问题的有限元力学分析模型,直观地对膨胀套管的膨胀过程进行了模拟。分析得到摩擦因数与膨胀套管的总轴向位移、所需膨胀力和膨胀套管膨胀后壁厚减薄量的关系曲线以及定量关系的拟合计算式。分析还认为摩擦因数对膨胀后套管的最大等效残余应力和膨胀过程中的接触应力影响很小。     

膨胀管非线性大变形过程中摩擦问题模拟研究

膨胀管的膨胀过程属于非线性大变形过程,其接触摩擦问题用一般方法很难求解,依据修正的库伦摩擦定律,结合套管大变形问题的增量分析过程,用数值模拟方法详细分析了在不同摩擦因数下套管膨胀后套管的壁厚变化规律、等效应力变化规律以及轴向收缩量变化规律。选用ANSYS模拟分析技术,采用114mm×7.34mmAPI标准的N80套管,将内直径从99.32mm扩张到119.20mm。分析结果表明,在相同膨胀锥使套管膨胀的情况下,不同摩擦因数对套管的力学性能存在较大影响,摩擦因数越小,膨胀后套管残余应力越大;套管膨胀时,必须综合考虑膨胀过程中壁厚的变化、轴向收缩量的变化、膨胀后残余应力的变化,从而合理选择润滑措施。     

膨胀式导管提高深水钻井水下井口承载力的机理

表层导管是深水钻井水下井口的主要持力结构,水下井口失稳、下沉等复杂事故的发生主要是由于表层导管承载力不足造成的,因此经济高效地提高表层导管承载力是深水钻井工程研究并关注的重点.采用膨胀式导管方法来提高表层导管的承载力,能够实现不改变常规深水喷射法安装表层导管的工艺.表层导管喷射安装到海底设计深度后,膨胀材料发生膨胀实现...     

过套管补贴技术研究与应用

针对膨胀管补贴后的套管段内径变小,无法实现该处套管以下套损部位补贴的问题提出过套管补贴技术。该技术使用活塞液压缸作为动力系统,液力锚定器作为锚定系统,将膨胀工具外置于膨胀管,进一步提高膨胀管的通过性与膨胀率。室内试验与现场应用表明:该技术使用的工具结构简单,装配方便,膨胀管与套管之间为全段金属密封,8%膨胀率的膨胀管与1 m套管之间悬挂力超过80 kN;动力系统能够承受30 MPa压力,满足使用要求;现场应用工艺设计合理,能成功解决已补贴段套管内径过小、待补贴位置难以精确定位的问题。