Simulation of Solid Tubular Expansion in Well Drilling Using Finite Element Method

Abstract

Solid expandable tubular is an emerging and promising technology in petroleum industry. It consists of increasing the diameter of a tubular by hydraulically pushing or mechanically pulling a conical mandrel through it. In this paper, a dy namic explicit finite element analysis (FEA) has been used to study the solid tubular expansion using ABAQUS, a commercial FEA software package. The required drawing force for tubular expansion was estimated for different mandrel shapes, friction coefficients, and expansion ratios. The drawing force increases with the increase in friction coefficient and expansion ratio. It was also found that the material velocities increase on the front of the mandrel but decrease to zero in the post expansion section. Moreover, the plastic deformation shows a reduction of thickness with friction coefficient and expansion ratio. Simulation results also revealed that contact occurs at the two ends of the conical mandrel tubular interface and that the contact stress increases with friction coefficient reaches to maximum value at an expansion ratio of 20%.     

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本文介绍了有限单元法的基本原理和计算方法,提出用此法计算地质历史时期构造应力场的一般步骤,举例说明构造应力场对碳酸盐岩中裂缝发育的影响,分析了该法预测裂缝的效果,为合理勘探裂缝性气藏提供一种新的研究手段。     

Analytical Solution for Wave Propagation Due to Pop-Out Phenomenon in Solid Expandable Tubular Technology

Abstract

Solid expandable tubular technology has gained wide acceptance in the petroleum industry due to its operationally simplified and cost-effective solution in well drilling. The down-hole hydraulic expansion results in forward motion of a mandrel until it pops out of the tubular. The pop-out phenomenon, which occurs at the end of the tubular expansion process, leads to a sudden release of stored energy within a fluid-tubular system, causing unnecessary vibration. These vibrations can become severe and may cause permanent damage to the tubular. Hence, a complete understanding of the dynamics of the fluid-tubular system is essential to avoid premature failure.

This paper focuses on the development of a mathematical model describing the dynamics of a fluid-tubular system due to pop-out phenomenon. The coupling between tubular, fluids, and formation is incorporated. An analytical solution for the propagation of displacement, stress, and pressure waves, originating due to the excitation caused by pop-out, is obtained. The model also identifies the potential failure locations along the tubular. The coupling effect is more prominent if the tubular material is elastic as compared to elastic-perfectly plastic material. A sensitivity analysis showed that the coupling effects vanish with increase in tubular stiffness and reach an asymptotic value with an increase in formation stiffness. The quantification of coupling effects is important in order to see the effects of pressure waves on the other subsystems present down hole.     

Analytical Solution for Wave Propagation Due to Pop-Out Phenomenon in Solid Expandable Tubular Technology

Solid expandable tubular technology has gained wide acceptance in the petroleum industry due to its operationally simplified and cost-effective solution in well drilling. The down-hole hydraulic expansion results in forward motion of a mandrel until it pops out of the tubular. The pop-out phenomenon, which occurs at the end of the tubular expansion process, leads to a sudden release of stored energy within a fluid-tubular system, causing unnecessary vibration. These vibrations can become severe and may cause permanent damage to the tubular. Hence, a complete understanding of the dynamics of the fluid-tubular system is essential to avoid premature failure.

This paper focuses on the development of a mathematical model describing the dynamics of a fluid-tubular system due to pop-out phenomenon. The coupling between tubular, fluids, and formation is incorporated. An analytical solution for the propagation of displacement, stress, and pressure waves, originating due to the excitation caused by pop-out, is obtained. The model also identifies the potential failure locations along the tubular. The coupling effect is more prominent if the tubular material is elastic as compared to elastic-perfectly plastic material. A sensitivity analysis showed that the coupling effects vanish with increase in tubular stiffness and reach an asymptotic value with an increase in formation stiffness. The quantification of coupling effects is important in order to see the effects of pressure waves on the other subsystems present down hole.     

基于有限元的膨胀管膨胀过程力学分析

为了研究膨胀管在膨胀过程中的力值分布、膨胀管外形尺寸的变化,以及管内的残余应力分布,对膨胀管和膨胀锥进行三维建模.通过ANSYS软件对膨胀过程进行有限元分析,得到膨胀管的应力分布、膨胀力值、残余应力、轴向收缩量以及壁厚变化情况.为现场施工提供理论指导.     

封隔器胶筒接触应力分布有限元计算

利用ANSYS软件对3种封隔器胶筒的接触应力进行了有限元计算，得到了接触应力沿胶筒轴向的分布情况。比较不同结构封隔器胶筒在相同条件下的接触应力分布，可知新型封隔器胶筒在高压下接触应力分布更为均匀合理，具有较好的应用前景。     

数值模拟法在膨胀套管修复套损井技术中的应用

为了分析膨胀套管在套损井修复过程中的应力、应变及残余应力情况,剖析膨胀过程中管材内部变化规律,利用ANSYS软件建立了膨胀套管在套损井修复应用中的有限元模型,优选模型的边界条件,进行模型的数值模拟分析.数值模拟结果直观地反映了管材膨胀过程中的应力一应变情况,结合实验室台架试验及现场施工,总结出可在制管、套管膨胀和后处理3个阶段采取有效措施消减残余应力;膨胀套管在高压液体作用下发生二次形变后.内径尺寸比膨胀锥的外径单边增加0.9～1.3 mm,据此修正了膨胀锥、膨胀套管和原套管尺寸间的经验公式.在华北油田京708井采用膨胀套管技术修复套损井,施工完成后,产油量增加,含水率降低,达到施工要求,表明膨胀套管补贴套损井技术的有限元数值模拟分析符合油田现场施工的需求.     

无缝钢管过盈压接的非线性有限元模拟

无缝钢管过盈压接工艺是近年来发展起来的一种管道连接技术,具有管道连接施工效率高、接头防腐性能好等优点。压接过程的应力分析对压接工艺设备的设计和了解接头的连接强度具有重要作用,文章针对D159mm×8mm无缝钢管,利用弹塑性大变形有限元方法模拟了无缝钢管过盈压接工艺的全过程,分析了胀口、退模、压接过程的应力和接头的连接强度,得到了胀口及压接所需的轴向推力,给出了压接残余应力分布和保证接头强度所需的配合长度,为压接设备和接头的设计提供了依据。     

实体膨胀管钻井工艺在塔河油田的应用

塔河油田侧钻井段泥岩裸露给钻井与完井作业造成很大影响。为此,将实体膨胀管钻井技术在塔河油田进行推广应用。该技术的成功应用,解决了177.8 mm套管开窗侧钻难题,为后期钻井、完井和采油作业开辟了新的途径。针对膨胀管钻井工艺研究的一系列配套技术保障了膨胀作业的顺利实施,为同类型油气井现场作业提供了重要的依据和借鉴。通过分析塔河油田膨胀管钻井工艺现场施工参数,验证了基于弹塑性力学膨胀力计算解析解的适用性,为后期工艺优化提供了指导。根据膨胀力计算理论分析膨胀力影响因素可知,适当增大半锥角并尽可能降低摩擦因数可降低现场施工泵压,有利于减少施工过程中的复杂情况。     

大斜度井中钻柱的有限元分析

井眼的弯曲特性和钻柱与井壁的接触是大斜度并中钻柱的受力与变形分析的难点。根据钻柱的变形特点，提出了将钻柱的弯曲特性和接触问题分开计算的方法，构造了一个结点坐标系描述钻柱在井眼中的变形，在接触问题的求解算法中，考虑了钻柱在空间两弯曲平面内的变形耦合。实例计算了一口大斜度井眼中钻柱上提和下放时的受力与变形，表明本文提出的方法是可靠的。     

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。     

封隔器胶筒密封性能有限元分析

封隔器胶筒的密封性能直接制约其使用性能，且胶筒属于超弹性材料，在井下多种载荷作用下，其力学行为复杂。以三胶筒组合的压缩式封隔器为研究对象，建立了封隔器密封元件的有限元力学模型，分析了加载方式、摩擦因数以及胶筒硬度等对胶筒接触应力的影响，得出了接触应力沿胶筒轴向的分布规律，研究结果可指导封隔器胶筒组合的设计和井下作业。     

SL450水龙头提环三维有限元分析

分析了ＳＬ４５０水龙头提环三维应力场，并采用三维有限元位移法对危险截面处不同形态和不同深度表面椭圆裂纹的应力强度因子进行了求解，给出了应力强度因子沿裂纹前缘的变化规律。按有限元数值，拟合出了应力强度因子的近似计算式，为预测带裂纹水龙头提环的承载能力和剩余寿命，确定探伤周期，制定判废标准等提供了必要的断裂分析参数。     

钻井全尺寸综合模拟试验装置中井架结构静动力有限元分析

采用有限元法对钻井全尺寸综合模拟试验装置中并架所作的结构静动力分析表明，该结构设计满足强度和刚度要求。井架结构第一阶固有频率在正常工作位置时为１５．４４Ｈｚ，在最低工作位置时为１６．８８Ｈｚ。当使用三牙轮钻头的工作转速变化范围为３５～３００ｒ／ｍｉｎ时，井架不会发生共振。     

用有限元法进行抽油机的运动及动力分析

在考虑弹性变形的情况下，采用有限元技术对抽油机进行了运动和动力分析。通过单元和整体分析，给出了抽油机四杆机构的系统运动方程；总结了用有限元法分析抽油机四杆机构的步骤为：结构离散；单元计算；强迫力矩阵计算；单元刚度和质量矩阵迭加；系统方程求解。最后给出了ＣＹＪ１６Ｑ—３．６—７４Ｂ前置式抽油机的分析计算实例。     

Paris公式疲劳常数测定的有限元法

基于材料疲劳常数测定的经济性和对疲劳问题的有限元模拟研究,采用了高精度二次单元来建模,并对裂尖单元进行了奇异退化、对裂尖局部进行了网格细化;基于材料的塑性累积特性,采用随动强化材料模型,以材料抗拉强度作为裂纹开裂准则;通过有限元对实例进行了模拟分析,并与试验值进行了对比,说明了本模拟方法的精度和可靠性,为疲劳问题的有限元模拟提供了一定的借鉴。     

有限元分析开孔补强结构

在压力容器开孔补强的理论分析中,通常假设在补强圈与容器壳体之间没有接触。利用ANSYS对某开孔压力容器进行参数化建模并完成了优化设计,由有限元结果与试验数据的比较表明有接触假设的有限元方法对于应力场分布能够产生更好的理论预测。     

长井段膨胀管补贴在Hu16P3井的应用

针对Hu16P3井177.8 mm(7英寸)技术套管自由段5处破损井段总长约70 m的情况,应用了长井段膨胀管套管补贴技术。通过40臂井径成像测井配合示踪流量和井温找漏测井,准确诊断套管技术状况和定位套损井段。优化设计膨胀管工艺参数和技术指标,提出长井段膨胀管补贴关键技术及施工方法。套管补贴后试压15 MPa,稳压10 min,压降≤0.3 MPa,有效封堵漏点,油井恢复产能6.8 t/d,含水率降至2.8%,已连续生产1 541 d未出现套管破损,且目前持续有效,累计增产原油1.048×10⁴ t。为膨胀管补贴技术应用于修复长井段套管破损提供了现场经验。     

有限元数值分析法在塔河油田不稳定试井中的应用

塔河油田碳酸盐岩油藏以缝、洞为主要储集体，具有埋藏深、高温、高盐、非均质性强和流体差异性大等特点，并因难以关井测试等原因，限制了资料的录取，使得常规不稳定试井解释存在局限性．不能够完全实现全压力历史拟合，只能够定量描述近井周的地层特性和定性评价远井周储层发育情况。为此，采用了有限元数值试井分析方法进行不稳定试井解释，有限元数值试井分析方法通过油藏离散化，实现对油藏内部不同区域储层渗流条件和流体渗流特征的精细刻画，通过对不同单元的描述，分析油藏内部井间干扰，从而对目的井单元的分析更加全面、准确。利用该方法能有效处理非边界性的曲线不规则上翘、下掉等问题，井通过压力历史曲线的拟合，对产能做出有效预测，为油藏建模、开发方案的制定提供技术基础。     

抽油机曲柄销总成接触有限元分析

利用三维建模软件Pro/E与有限元分析软件Ansys的无缝连接,在Pro/E中建立了抽油机曲柄销、锥套、曲柄体和螺母垫片的装配实体模型,并导入Ansys中进行接触分析,得到各实体之间的接触应力分布情况。分析结果表明：曲柄销所受最大等效应力发生在曲柄销锥面中部;锥面小端的最大应力大于除锥面中部外的其他部位。与传统的力学模型计算结果相比,更能有效地解释曲柄销失效主要发生在锥面中部、螺纹根部和锥面小端这一实际情况,并提出了一些设计和加工曲柄销的改进意见。