实体可膨胀管变形力与膨胀工具模角关系研究

建立了实体可膨胀管膨胀过程的三维非线性接触问题有限元分析模型,通过对模型的求解,得出膨胀管与膨胀工具在不同的接触条件、可膨胀管在不同的内径膨胀率及不同的壁厚条件下,膨胀变形力与膨胀工具模角的关系。用107.95mm套管做了实体膨胀试验,通过试验测得的膨胀变形力与用模型求得的计算结果符合得很好,完全可以满足实际工程的需要,证明提出的模型及其求解结果正确可信。     

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。     

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。     

膨胀套管膨胀力的理论计算

根据弹塑性的理论，推导了膨胀套管在弹性变形区和塑性变形区的周向应力和径向应力计算模型，确定了膨胀套管膨胀时在膨胀芯头与套管之间所需的最小接触载荷。对膨胀芯头的受力进行了分析，考虑了膨胀芯头几何参数和金属间摩擦系数等影响因素，建立了作用在膨胀芯头上膨胀套管所需膨胀力的计算方法，对相关参数对膨胀芯头拉力的影响进行了讨论，并用实验数据对理论计算结果进行了验证，结果表明，采用本文推导的计算模型所得到的芯头膨胀拉力的计算精度满足工程应用的需要。     

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。     

大膨胀率实体膨胀管膨胀载荷的塑性力学计算

已有的可膨胀管膨胀模型的力学分析和载荷计算多数建立在弹塑性力学基础上,忽略了套管材料在塑性阶段的应力强化效应,以及膨胀区向定径区过渡时的管体弯曲对轴向应力增量的影响。鉴于此,在已有模型的基础上,采用单一曲线假设和幂强化力学模型,建立了大膨胀率膨胀管膨胀载荷的力学模型,运用ANSYS Workbench14.5建立了膨胀管膨胀过程的三维轴对称模型,并进行了大膨胀率膨胀管膨胀载荷计算。研究结果表明,当膨胀率在15%～30%之间变化、膨胀力最优半锥角在12°～22°之间变化时,所需膨胀力最小;当其他参数恒定,摩擦因数、管半径、壁厚和膨胀率中任一个作为自变量时,膨胀力与该自变量呈线性递增关系。因此,选择合适的摩擦因数、膨胀率和壁厚对降低膨胀管施工难度相当重要;膨胀管应选择强化系数相对较小、硬化指数较大的管材,这样膨胀时所需膨胀力较小。     

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。     

膨胀套管的弹塑性理论分析

分析认为，膨胀套管在膨胀过程中先进入弹性阶段，然后进入弹塑性阶段，最后进入塑性流动阶段。采用弹塑性分析方法，对膨胀套管膨胀过程中套管内壁的受力与变形进行了研究，模拟了其成形的过程，并建立了解析解，为膨胀套管膨胀操作过程中确定关键操作参数提供了理论支持。根据推导出的力学模型，计算出了外径107．9mm、钢级为J55的膨胀套管膨胀到直径139．7mm时膨胀芯头拉头处的轴向力为195．94kN。     

两种典型膨胀管膨胀工艺技术研究

膨胀管技术目前已广泛应用于钻井、完井、修井和采油等各石油工程领域,膨胀工艺是其关键技术之一。针对两种最典型的"自下而上"和"自上而下"膨胀工艺,利用弹塑性有限元法建立了膨胀管膨胀过程的三维非线性接触问题力学模型,直观地模拟了不同接触条件下的膨胀过程。对比分析得到两种膨胀工艺下摩擦系数对膨胀管的轴向位移、膨胀力、壁厚减薄量、残余应力以及膨胀过程中的接触应力的影响,所得结论为膨胀管膨胀工艺的设计提供了理论依据。     

利用套管变形量进行地应力反演

地应力是石油工程设计与施工所需要的重要参数之一。通常获取地应力大小的方式是通过水压致裂法直接测量、室内试验以及测井资料计算得到,但水压致裂法和室内试验法获取地应力的成本较高,根据测井资料计算地应力需要根据经验校正。而油田具有丰富的套管变形资料,因此,可以利用套管变形量进行反演获取地应力。利用已知的套管变形量作为基础条件,构造符合套管在井下的边界椭圆应力模式,选择测点计算最大变形量与测量最大变形量差值的平方为目标优化函数,采用合理的优化技术对位移进行反分析来获取最大和最小地应力。利用该方法对新疆某油田的A井进行了分析,结果表明,采用该方法能快速有效地计算出套管变形条件下的实际非均匀载荷大小,且计算结果与利用测井资料计算出的结果相差不大,可为合理设计套管柱、减少套管损坏提供依据,为油田获取地应力提供一种新的途径。      

力学分析在压裂酸化管柱优化设计中的应用

主要就压力、温度变化显著的压裂、酸化管柱进行管柱力学分析和计算。在方案设计阶段或压裂酸化施工阶段详细分析管柱的受力、变形及强度，管柱载荷变化规律，给出管柱变形及强度计算．从而确定出各工况下的极限操作参数。控制管柱的施工作业参数、管柱内外流体工况、工具深度以及井口油压、套压等，确保各施工作业工况下管柱的强度及安全。     

地震波条件下海底管线抗震设计方法研究

目前工程设计中使用的海底管线抗震设计方法给出的地震应力值偏大,计算结果与管线结构参数和埋设深度等几乎没有关系。理论分析及海底管线的实际埋设环境证明,在一般海底管线工程的设计地震条件下,约束海底管线的土壤很容易进入塑性滑移状态,已超出现用抗震设计方法的前提条件,即管土之间的约束为弹性约束。对于约束土壤进入塑性滑移状态,给出了新的地震应力计算方法———极限地震应力计算法,并根据决定极限应力大小的单位长度管线极限约束力的计算方式,把极限地震应力计算法分为单位长度摩擦力法、修正法和加权平均法。两个实际工程算例的比较分析结果说明,极限地震应力法能准确地反映海底管线的实际地震应力状况,解决现用抗震设计方法中存在的问题。     

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。     

井下金属套管应力磁记忆检测信号的处理

由于地质和工程方面的原因,井下套管受到非均匀载荷的作用易产生塑性变形.用金属磁记忆检测技术可有效判断套管的应力集中区域,为套管损坏进行早期诊断.井下的干扰和噪声对金属磁记忆检测数据影响很大.因此,磁记忆信号的处理与分析技术是磁记忆法检测与评价井下金属套管应力的技术关键与难点.在实际检测中,磁记忆信号属于随机信号、不具有平稳性,宜采用小波技术分析磁记忆信号.该文介绍了在磁记忆信号定量分析中开发的小波消噪信号处理方法,采用Db4小波函数、分解层数4层及其信号数字滤波、信号反演等相关技术,该方法有效地消除了各种噪声的干扰,依据处理后的磁记忆信号可精确分析判断套管的受力位置.     

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。      

一种可膨胀的套管连接螺纹有限元研究

膨胀套管技术的研究是一项系统工程，它涉及石油钻井、采油、完井、修井等各个领域，以及材料学、力学等各个方面。其中膨胀套管连接螺纹的设计、加工是实施膨胀套管技术的重点和难点之一。针对膨胀套管膨胀前后和膨胀过程中要求套管连接强度和密封性能的要求，设计开发了一种可膨胀的套管连接螺纹，利用大型非线性有限元分析软件MSC/MARC对其在上扣、膨胀、扭矩等不同工况下的性能进行了模拟分析，表明该螺纹能够满足膨胀套管螺纹使用要求。