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。     

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。     

15CrMo实体膨胀管最优锥角有限元分析

利用有限元分析软件,根据弹塑性有限元接触问题的相关理论建立了可膨胀管膨胀过程的力学模型。对壁厚6mm的ф108mm管进行膨胀过程的计算机模拟,着重研究在不同膨胀率下,膨胀锥角与锥体完成胀管所需的液压力的变化关系;确定不同膨胀率下所需的液压力最小的锥角值,即获得最优的锥角;研究了最优锥角下膨胀管的力学性能,通过参数优化设置,为现场应用提供理论依据。     

膨胀管中膨胀锥角与液压力关系研究

利用有限元模拟软件,着重从膨胀锥角与推进锥体所需的液压力的不断变化关系出发,研究锥角为多大时所需的液压推进力为最小,获得最优的锥角。通过参数优选,可以减小管内壁与锥头的摩擦,优化膨胀锥的结构,为现场应用提供了理论依据。     

改进膨胀尾管悬挂器悬挂力技术研究

为提高膨胀尾管悬挂器的悬挂力和膨胀过程中膨胀锥与膨胀本体的润滑性能,对膨胀尾管悬挂器的膨胀结构进行了改进,在膨胀本体外壁镶嵌金属块提高其悬挂能力;通过在膨胀本体内表面和膨胀锥表面预涂固体润滑涂层,提高其润滑性能,降低膨胀力。膨胀尾管悬挂器膨胀试验表明:膨胀本体镶嵌单组金属块的悬挂力达到200 kN,与未镶嵌金属块相比提高了3倍;预涂固体润滑涂层后膨胀力为268 kN,与未经过润滑相比降低了21%。这表明,在膨胀本体外壁镶嵌金属块可以提高膨胀尾管悬管挂器的悬挂润滑性能,在膨胀本体内表面和膨胀锥表面预涂固体润滑涂层的方法可以改善悬挂器的润滑性能。      

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。      

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。     

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°。     

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。     

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。     

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。     

膨胀管变径膨胀锥设计理论研究

鉴于实体膨胀锥与液压滚动膨胀锥的优缺点,开展了变径膨胀锥的设计理论研究。通过对变径膨胀锥的工作原理、结构特点、设计要点等方面的研究,分析了膨胀管变径膨胀锥的设计理论。为变径膨胀锥在膨胀套管技术领域里的应用提供了理论借鉴。     

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。     

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。     

大膨胀率膨胀管的工艺参数优选及试验

根据膨胀管膨胀过程的大塑性变形特点,讨论了膨胀管模拟过程中强化方式、应力-应变类型、膨胀锥半锥角以及膨胀锥膨胀区末端的倒角半径对膨胀载荷的影响,并把有限元模拟结果与膨胀试验数据进行对比分析。研究结果表明:倒角半径取值介于膨胀管膨胀前后管内半径之间时,膨胀载荷和膨胀锥的等效应力最小;采用真应力-应变曲线所得到的模拟结果与膨胀试验相比,误差较小,而采用工程应力-应变曲线和理想弹塑性力学模型进行模拟时,所得结果误差较大。     

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。     

膨胀式尾管悬挂器用膨胀管受力分析

膨胀式尾管悬挂器是一种新型的尾管固井、完井工具,其工作的核心构件是膨胀管,膨胀管的膨胀性能是悬挂、坐封成功的关键。对膨胀管的膨胀力及膨胀后的外径比理论外径缩小量进行了分析,并探讨了一种理论计算方法,为膨胀管材料的选择、结构的设计提供了一定理论依据。     

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.