基于ANSYS Workbench的可变径膨胀锥有限元分析

根据弹塑性有限元理论,应用非线性有限元分析软件ANSYS Workbench模块建立了可变径膨胀锥实体模型,动态模拟了可变径膨胀锥的膨胀过程,得到了可变径膨胀锥的力学状态图,可为膨胀锥的结构设计以及膨胀方案的优化提供技术依据。     

膨胀管变径膨胀工具结构优化设计

目前的膨胀工具对膨胀管的螺纹接头不能实现高膨胀率。设计的变径膨胀工具由6个能够相互运动的膨胀块组成，能够径向收缩、胀大，主要用于膨胀实体管和筛管。锥角关系到轴向膨胀力和膨胀管的残余应力，以内径160 mm的膨胀管膨胀到内径196 mm为例，利用有限元软件对变径膨胀工具进行了结构优化，10°锥角角度较好，还优化设计了该工具的长度及厚度。理论研究和计算机仿真表明，该工具能够使内径160 mm的膨胀管的内径胀大22.5%，达到该膨胀管的最大膨胀率。     

套损井多次补贴用可变径膨胀锥设计与性能分析

针对套损井已补贴段下方无法进行多次补贴的问题,设计了一种可变径膨胀锥,以实现膨胀工具小直径入井、大直径膨胀,从而达到对套损井多次补贴的目的。在设计可变径膨胀锥结构的基础上,建立了膨胀锥闭合过程中的力学计算模型和运动计算模型,得到了膨胀力与推力、楔形角、摩擦系数的函数关系及推力与约束力、摩擦系数的函数关系。计算结果表明,可变径膨胀锥的膨胀力是推力的1.53倍,端面摩擦系数由0.1增大至0.4过程中推力增大8.8 kN,由0.5增大至0.8过程中推力增大19.0 kN,膨胀锥最大应力454 MPa。样机室内试验结果表明,该工具结构设计合理,启动压力3~5 MPa,完全闭合压力52 MPa,膨胀锥最大外径由188.0 mm增大至220.0 mm,与常规膨胀锥尺寸相同,膨胀率达17.02%。研究结果表明,可变径膨胀锥的膨胀力随推力增大而线性增大,能够实现膨胀工具小直径入井、大直径膨胀,进一步降低闭合压力后具有广阔的应用前景。      

实体膨胀管膨胀力影响因素数值模拟

根据弹塑性有限元理论,建立了膨胀套管膨胀所需膨胀液压力与摩擦因数、膨胀率、膨胀锥锥角的非线性接触的有限元力学模型。通过所建模型的求解,对膨胀液压力的影响因素进行了深入研究,并定量分析了摩擦因数、膨胀率、膨胀锥锥角对膨胀力的影响规律。研究表明:在其他条件相同的情况下,膨胀液压力随摩擦因数或膨胀膨胀幅度增加而线性增大,随膨胀锥角的增大,膨胀液压力呈现先减小后增大的规律。此研究为膨胀工艺的设计提供了理论参考。     

实体膨胀管的膨胀力有限元数值模拟及其应用

针对塔河油田深井侧钻井巴楚组和桑塔木组地层泥岩垮塌难题,优选φ139.7 mm实体膨胀管对复杂泥岩段进行机械封隔。根据弹塑性有限元理论,利用有限元数值模拟研究了φ139.7 mm实体膨胀管的膨胀特性,探讨了膨胀率、屈服强度、摩擦系数和膨胀锥锥角对膨胀力的影响规律。在塔河油田 TK6-463CH 井进行了实体膨胀管的现场施工应用,将该井膨胀锥锥角设计为10°,预测膨胀力为603~607 kN,与实际计算结果相比误差小于8%,表明该方法具有合理可行性,为深井侧钻井膨胀管设计及膨胀管施工提供了技术支持。      

实体膨胀管数值模拟及膨胀锥锥角优化设计

选择了一种实体膨胀管,对其不同锥角时的膨胀过程进行了详细的数值模拟,研究了膨胀锥锥角与膨胀压力、压力波动、膨胀后半径及轴向缩短量的关系,以期为膨胀锥的优化设计提供理论参考。建模时采用非线性有限元分析软件ABAQUS,膨胀锥为主面,膨胀管内壁为从面。结果表明,随着锥角的增大,膨胀压力和启动压力都逐渐增大,轴向缩短量随着锥角的增大而减小,锥角为15°时膨胀管轴向缩短量约为总膨胀长度的1.7%,综合膨胀压力、膨胀后半径及压力波动,比较理想的膨胀锥锥角为15～17°以及22°。     

膨胀套管技术中膨胀工具的力学机理研究

以弹塑性力学为理论基础,计算机有限元模拟为研究手段,对膨胀工具结构进行了模拟分析,完成了对膨胀工具作用原理的研究和结构的优化设计。将模拟结果与国外的实际膨胀作业和国内的试验结果进行了对比,得出以下结论:①膨胀套管在膨胀时与摩擦力和膨胀锥角有关;②高接触应力不利于润滑,且膨胀头与膨胀套管内壁的接触面易发生粘接,造成管体损坏;③API标准中,N80钢级套管膨胀幅度为20%时,最佳膨胀锥角α可取9.8°。     

微沟槽织构对膨胀锥摩擦性能影响的数值模拟

目前评价膨胀管技术主要从膨胀质量上来考虑,忽略了对膨胀锥摩擦性能的分析。为此,根据弹塑性理论推导了膨胀管达到塑性变形时反作用于膨胀锥的表面压力和滑动摩擦力,再采用ANSYS有限元软件对膨胀锥膨胀过程进行仿真模拟,对比分析了微沟槽织构对膨胀锥摩擦性能的影响。研究结果表明：微沟槽织构应用到膨胀锥表面具有减小摩擦应力、减少摩擦副之间的接触面积等优点,可以有效减轻膨胀锥表面磨损,但应力集中更明显。研究结果可为微沟槽织构应用到膨胀锥上实现减摩耐磨提供理论参考。     

实体膨胀管膨胀工具优化分析

为了使膨胀管技术在国内得到大范围应用,采用三维弹塑性接触问题有限元法着重研究膨胀工具的锥角、定径长在膨胀过程中变形力以及残余应力的变化规律。采用ANSYS10.0建立膨胀管模型以及膨胀锥三维实体模型,单元类型选择Solid95,网格划分采用映射网格。研究结果表明,在膨胀锥锥角保持不变的情况下,膨胀锥定径长对膨胀后套管的残余应力没有太大影响,但对套管膨胀所需要的膨胀力有较大影响;膨胀锥锥角对套管最大残余应力没有影响,但对膨胀力的影响十分明显,当膨胀力的径向分力大于材料的抗拉强度时,材料将发生破坏。     

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.     

硬质涂层膨胀锥减摩耐磨性能

为降低膨胀锥/膨胀管间摩擦阻力,提高膨胀锥耐磨损性能,制备了硬质涂层膨胀锥,研究了硬质涂层膨胀锥的性能,并对其进行了现场应用。采用超音速火焰喷涂技术在合金钢膨胀锥表面制备了碳化物硬质涂层,使膨胀锥表面硬度提高了近60%。摩擦磨损实验结果表明:锂基脂润滑条件下,硬质涂层使膨胀锥试块摩擦系数降低超过30%,磨损量降低约33%;水润滑条件下,硬质涂层使膨胀锥试块摩擦系数降低约25%;硬质涂层显著降低了膨胀锥和膨胀管间的摩擦阻力,减轻了磨损,增加了膨胀锥的使用寿命。现场应用结果表明:硬质涂层膨胀锥具有良好的耐磨损性能,应用4口井后涂层与膨胀锥基体结合良好,表面无明显磨损现象,成功完成现场套损井的修补作业。     

膨胀筛管防砂技术研究

膨胀筛管技术是一种新兴的防砂技术,介绍了大通径膨胀筛管悬挂器、带有割缝的膨胀螺纹及具有变径功能的膨胀工具等膨胀筛管的几个关键技术。大通径膨胀筛管悬挂器能够确保变径膨胀工具的顺利下入,带有割缝的螺纹膨胀后与筛管本体具有一样大小的内径,变径膨胀工具使得膨胀筛管可以紧贴井壁,减少砂粒的运移和冲蚀。膨胀筛管技术在两口套损井中的防砂应用表明,在满足选井条件的情况下,采用膨胀筛管可以获得较好的生产效果,筛管膨胀后紧贴套管内壁,膨胀后筛管内径比普通筛管内径大,有利于增大泄油面积,提高油井产量。     

膨胀管关键技术研究及首次应用

膨胀管技术作为一种新兴技术越来越受到石油工程界的重视,采用该技术可以改善现有井身结构以及增大完井井眼直径,利于后续的钻井及采油工程作业。运用有限元模拟方法对膨胀管技术的重点和难点即膨胀锥和连接螺纹进行了研究,设计了膨胀锥模型和膨胀套管连接螺纹,确定了膨胀锥的几何形状、尺寸、锥角以及连接螺纹的形式、形状、密封面、扭矩台肩。通过2口井的膨胀管技术现场试验,成功地验证了膨胀管技术在现场应用的可靠性,为今后在石油钻井及完井过程中优化井身结构、减少井下复杂情况、增大完井井径及套管修复,提供了一套最新的解决方案。     

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。     

膨胀管系统受力及运动分析

为了研究膨胀管补贴技术中降低膨胀压力的方法，降低作业压力，提高作业安全性，理论分析了膨胀管补贴作业中的两种典型工况:直井膨胀管补贴、水平井膨胀管补贴。定义并分析了膨胀锥所受液压力；进而分析了膨胀管管柱和膨胀锥的受力及运动状态，分析认为膨胀管作业过程中打压管柱中的压应力对膨胀有阻碍作用，应在膨胀管前端加装伸缩短节。研究工作有助于膨胀工具和膨胀工艺的研发及改进。     

套管膨胀过程中膨胀锥锥角对驱动力的影响

采用有限元方法模拟套管膨胀过程,求解了膨胀锥锥角不同时的液压驱动力,并分析了所需驱动力的大小与膨胀锥锥角的关系。结果表明,套管膨胀过程中膨胀锥存在一个最优锥角,在此锥角下膨胀套管所需的驱动力最小。在小于最优锥角范围内,驱动力随锥角的增大快速降低,在大于锥角范围内,驱动力随锥角的增大有增大的趋势。对于结构参数相同而材料钢级不同的套管,最优膨胀锥锥角较接近,与最优锥角对应的最小驱动力也较接近。     

膨胀管膨胀力影响因素正交试验研究

通过正交试验分析膨胀管膨胀力影响因素,指导膨胀管工艺设计及施工。通过ANSYS有限元软件计算?140 mm×8 mm规格膨胀管的膨胀力,利用膨胀管实物评价系统进行相同条件下的实物试验,验证有限元计算方法的准确性,并通过正交试验方法分析不同因素对膨胀力的影响。有限元计算和实物试验获得的膨胀力偏差为6%,有限元方法计算膨胀力准确可靠。4因素4水平正交试验均值和极差分析结果表明,各因素对膨胀力的影响从大到小为:膨胀率、摩擦因数、屈服强度、膨胀锥角。膨胀力随膨胀率和摩擦因数的变化呈近似线性关系,较宽的锥角变化范围内膨胀力的变化幅度较小,且存在一个最优锥角。     

不同工艺下膨胀筛管膨胀力对比研究

膨胀式防砂筛管完井技术是20世纪90年代国外发展的一项防砂完井新技术.常用的膨胀工艺有机械式膨胀、液压式膨胀及两者结合进行膨胀3种工艺,目前就膨胀工艺对膨胀力的影响研究较少.不同的膨胀工艺对膨胀力大小具有明显的影响,通过对膨胀工艺的研究,建立了不同膨胀工艺下的膨胀力学模型,利用有限元分析方法对其进行求解.计算结果表明,完全用液压工具膨胀所需的膨胀力最大,机械锥膨胀所需的膨胀力最小,利用机械锥+液压工具分两次完成膨胀所需的膨胀力介于上述二者之间,计算结果与新疆油田实际施工结果较为吻合.利用机械锥+液压工具两次完成膨胀对施工参数的要求最低,是较为理想的一种膨胀工艺.     

基于ANSYS/LS-DYNA的实体膨胀管膨胀力分析

应用非线性有限元分析技术,利用ANSYS软件的LS-DYNA模块动态模拟了膨胀套管的全过程,得到了膨胀力随时间变化的曲线,并分析了在不同的工艺参数（膨胀锥角、摩擦因数、膨胀速度）下的膨胀力变化情况,得出了膨胀参数与膨胀力的关系,为膨胀工具的设计及膨胀方案的优化提供了依据。     

Cr12MoV膨胀锥在管材膨胀试验中的应用

膨胀锥是膨胀工具的核心部分,对膨胀管技术的应用和发展意义重大.选用模具钢Cr12MoV为基材,设计加工了小锥度(6°)的膨胀锥,采用自上而下的膨胀工艺对J55套管和316L 不锈钢管进行径向膨胀.试验结果表明:经过1 020℃淬火+160℃低温回火处理后,Cr12MoV膨胀锥满足工作要求,并顺利完成对J55套管和316L不锈钢管的径向膨胀;2种管材的平均膨胀率分别为9.33％和9.05％,其长度减小幅度分别约为4.4％和3.6％,J55套管的回弹率要略大于316L不锈钢管.