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。     

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美国Enventure公司已在中国石化胜利油田成功地完成了世界上第200口和第201口膨胀套管作业,也是目前国内仅有的两口膨胀套管井,文章针对这两口井的膨胀套管结构参数和材料特性参数进行了膨胀过程的力学研究。膨胀套管结构为J55钢级107.9 mm套管膨胀至139.7 mm套管内壁,用弹塑性有限元接触问题对膨胀套管膨胀过程的力学问题建立了有限元力学模型,并对其膨胀力学过程进行了详细研究。文中提出了膨胀套管力学研究的主要参数,通过计算机数值模拟分析,对这些主要参数进行了详细分析,针对力学行为最敏感的参数－摩擦系数、膨胀锥角的变化进行了大量的组合分析,将膨胀锥角直线接触改为圆弧接触后,改善和降低了膨胀套管内的残余应力,提高了其强度性能。同时,优化出了研究的膨胀套管结构尺寸下,膨胀芯头的最佳锥角为9.8°。文章研究结果对开发国内自主产权的膨胀套管结构设计、润滑设计等具有重要的指导意义。     

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.     

火驱稠油井膨胀管补贴技术研究与应用

辽河油田稠油火驱井套损井数日益增多,常规膨胀管补贴无法满足火驱点火注气工况管材耐热和抗腐蚀性能要求。为此,研发了火驱稠油井膨胀管补贴技术。该技术能够实现长段和整段密封,能保持较大的通径,同时具有加固套管和防止出水段套变恶化加剧等优点。采用配套的可打捞式膨胀堵头可将补贴后的膨胀尾堵捞出,避免了研磨施工周期长以及部分尾堵碎屑存在遗留井底风险。在曙1-41-37井的现场应用中,措施后平均日产液19.4 m3,日产油2.9 t。该技术能很好地满足火驱稠油井补贴的要求,为火驱套损井的修复提供了新的技术支撑。     

考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限研究

变形套管经冲击整形后套管内存在残余应力,为了真实模拟套管冲击整形过程,探讨套管整形修复尺寸界限,采用ANSYS软件建立了变形套管冲击整形非线性接触三维有限元模型。以P110钢级、壁厚12.65 mm的177.8 mm(7 in)套管为例,分别对不考虑套管残余应力和考虑套管残余应力2种情况进行研究。研究结果表明,考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限比不考虑套管残余应力的套管整形修复尺寸界限减小了4 mm,且考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限与试验结果更接近。该研究结果为套管整形修复技术提供了理论参考,对于现场套管整形修复作业有一定的理论指导意义。     

考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限研究

变形套管经冲击整形后套管内存在残余应力,为了真实模拟套管冲击整形过程,探讨套管整形修复尺寸界限,采用ANSYS软件建立了变形套管冲击整形非线性接触三维有限元模型。以P110钢级、壁厚12.65 mm的177.8 mm(7 in)套管为例,分别对不考虑套管残余应力和考虑套管残余应力2种情况进行研究。研究结果表明,考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限比不考虑套管残余应力的套管整形修复尺寸界限减小了4 mm,且考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限与试验结果更接近。该研究结果为套管整形修复技术提供了理论参考,对于现场套管整形修复作业有一定的理论指导意义。     

实体膨胀管补贴技术在大港油田的应用

大港油田开发已步入中后期,由于地质运动和长期的注采导致套损井逐年增多,每年有大批腐蚀穿孔、渗漏、变形、错断的套损井需要修复,急需一种修复后补贴井段长、承压强度高的套管修复技术。阐述了实体膨胀管技术在大港油田套管修复中的使用概况、膨胀管性能、膨胀管补贴技术工艺,通过应用达到了长井段、较大内通径和补贴后具有较高承压能力的技术要求,对套损井的修复有较强的适应性,使大港油田在套损井修复方面多了一项新型手段。     

套管膨胀过程数值模拟与试验研究

采用弹塑性有限元接触方法建立了J55钢级φ114.3 mm套管膨胀过程的力学模型,模拟分析膨胀过程,得出了套管膨胀后的应力云图、长度缩小率及壁厚收缩率.数值模拟与试验结果相符,证明有限元模拟结果可以为套管膨胀技术应用提供理论依据.     

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。     

高温高压套损井膨胀管修复技术

针对高温热采、高压注水套损井膨胀管修复率低的问题,对膨胀管4项关键技术开展理论和实验研究,设计开发适用于高温高压工况的膨胀管修复工具。研制了胀后机械性能达到API N80套管钢级的膨胀管材、承载面角-9°的偏梯形膨胀连接螺纹、紫铜镶嵌焊接成型密封件以及碳化钨涂层的膨胀锥,并在此基础上试制了高温高压膨胀管补贴工具样机。室内实验表明:样机的膨胀压力为25~32 MPa、3轮次交变温度载荷耐压大于15 MPa、水密封耐压大于35 MPa,达到实验设计要求。辽河、吐哈油田45口井的现场试验表明:高温高压膨胀管修复技术适用于热采井、高压注水井的套损修复,套管补贴后验压15 MPa,保压30 min,压降小于0.2 MPa,一次施工成功率100%。修复后的油井增油明显,经济效益显著。     

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。     

深井内壁磨损套管剩余抗内压强度研究

深井钻井过程中,钻柱对套管内壁造成磨损多为"月牙形"磨损。在弹塑性力学分析的基础上,应用长槽形磨损模型分析磨损套管的抗内压强度变化规律。采用有限元数值模拟计算分析了磨损套管剩余强度的变化规律。根据磨损位置产生的附加弯曲应力,对原有的长槽形磨损模型进行了改进,并与试验结果进行了对比分析。分析结果表明,套管接头直径对套管抗内压强度影响较小。使用目前套管柱强度设计中常用的均匀磨损模型进行套管强度设计,偏于安全。改进后建立的磨损套管抗内压计算模型能更准确地描述磨损套管的剩余强度,与试验值更为接近,可为套管柱强度设计提供更为合理的理论参考。     

史密斯膨胀锥整形临界参数指标研究

鉴于目前对整形工具的选用规格和避免套管损伤的最大整形量还没有明确定论的现状,通过显式动力有限元程序LS-DYNA模拟膨胀锥整形过程,分析套管和水泥环的应力扩张趋势,确定了整形过程中膨胀锥应用规格和最大可整形量等临界指标。建模时切向接触条件使用Cou-lomb摩擦模型,在模型的顶面边界和底面边界施加垂直方向约束。研究结果认为,屈服强度和工程需求内径是决定膨胀锥整形临界指标的主要因素,修套过程中膨胀锥对套管和水泥环造成的破坏较大,相对于套管,水泥环更容易发生破坏。     

端面金属自密封特殊钩形螺纹有限元分析

针对常规API套管螺纹在膨胀时不能保持其结构和密封性能的问题,设计了一种端面金属自密封的膨胀套管特殊钩形螺纹结构,根据弹塑性有限元理论,建立了该特殊螺纹的有限元模型,模型结构中包括膨胀锥、膨胀套管及其特殊螺纹结构,研究了膨胀过程中特殊螺纹部分的Von Mises应力分布大小,结果表明该螺纹满足力学要求。分析了套管膨胀后端面金属自密封处的密封性和特殊螺纹部分的密封性,最终提出在预留退刀槽部分设计安装1个橡胶密封圈,增加1个密封圈后,能够保证该特殊钩形螺纹的密封完整性,为膨胀套管特殊螺纹结构设计提供了理论依据。     

热采井井筒热应力耦合的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS建立了热采井井筒热应力耦合的瞬态分析模型。分析结果表明,注汽初始阶段套管内会产生较大的热应力;由于套管材料的膨胀系数大于水泥环的膨胀系数,在注汽过程中水泥环限制了套管的热膨胀,从而在套管外壁产生较大的热应力;经过几轮蒸汽吞吐,套管上会积累较高的残余应力。该分析为建立合理的热采井套管损坏预防措施提供可靠的依据。     

月牙形和偏心圆筒形内壁磨损套管应力分析

为了分析偏心圆筒形磨损套管和月牙形磨损套管的等效应力,以177.8 mm×12.65mm的P110钢级套管为例,建立了月牙形磨损套管和偏心圆筒形磨损套管的有限元模型,用有限元法分析了内、外压作用下不同磨损深度套管的偏心圆筒形模型和月牙形磨损模型的等效应力,同时还分析了不同直径钻杆磨损后月牙形磨损套管的等效应力。分析结果表明,受磨损套管内部应力的影响,在内、外压作用下月牙形磨损套管的等效应力大于偏心圆筒形磨损套管的等效应力;将月牙形磨损模型转化为偏心圆筒形模型来分析磨损套管的等效应力是危险的,相同磨损深度和载荷作用下月牙形磨损模型的等效应力更大;将月牙形磨损模型转化为偏心圆筒形模型来分析磨损套管的剩余强度值偏大。     

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膨胀套管在我国还处于探索研究阶段，章用弹塑性有限元接触问题建立了可膨胀套管膨胀过程的力学模型，对N80钢级材料的Φ114．3mm套管膨胀至Φ139．7mm进行了膨胀过程详细的计算机仿真研究，给出了摩擦系数为0．0、0．05、0．1和0．15时，膨胀套管内等效应力、套管内的残余应力随活塞位置变化的定量曲线。在大量数值模拟的基础上，得出了膨胀套管内的残余应力随摩擦系数的增大而减小的规律，最大等效应力发生在活塞锥体部分的膨胀套管内。     

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。