膨胀悬挂器力学性能分析及试验研究

采用解析方法、有限元方法对影响悬挂器膨胀力的关键技术因素进行研究,得到了膨胀锥结构、本体材料等因素对膨胀力的影响规律。针对膨胀悬挂器实际工作状态,对膨胀本体在上层套管内膨胀进行了计算与试验研究,得到膨胀力、悬挂力与本体结构的关系。试验表明所采用的计算、试验方法能够较为精确的计算本体发生塑性变形所需要的膨胀力及膨胀后形成的悬挂力,研究成果为提高膨胀尾管悬挂器性能与整体结构优化设计提供了依据。     

膨胀悬挂器本体膨胀性能试验研究

膨胀悬挂器依靠硫化橡胶的本体膨胀发生塑性变形,并与上层套管形成摩擦力悬挂尾管,橡胶起到密封和增大摩擦力的作用。悬挂较重的尾管需要增加本体长度,导致悬挂器整体结构增加,增大了悬挂器入井和施工风险。针对该问题优化本体设计,在本体外壁镶嵌金属块并硫化橡胶,通过膨胀试验验证了该方法的可行性,为掌握本体膨胀后与上层套管的接触应力,采用应力测试方法对本体膨胀过程中上层套管的应变进行了测量并计算得到接触应力,试验数据表明膨胀悬挂器经过结构优化在保证悬挂、密封性能的前提下使膨胀本体缩短,从而提高了现场施工的可靠性。     

膨胀悬挂器本体管材性能研究

要膨胀悬挂器通过膨胀金属本体与上层套管形成摩擦力悬挂尾管,本体管材的选取对悬挂器膨胀、悬挂性能参数有直接影响,为此采用有限元方法对本体膨胀过程进行计算,得到本体膨胀前后结构参数变化及膨胀力大小,并通过与膨胀试验得到的数据进行对比分析,验证了计算的可靠性。为确定本体膨胀前后强度变化,分别选取膨胀前、膨胀后样块进行拉伸试验,得到材料屈服、抗拉强度。数据表明的所选用的管材在膨胀后屈服强度、抗拉强度分别增大72.6%、7.94%。通过研究掌握了膨胀管材膨胀前后的力学、结构性能参数变化,为悬挂器结构设计、现场作业提供了参考依据。     

膨胀尾管悬挂器地面试验研究

膨胀尾管悬挂器通过膨胀金属本体与上层套管形成摩擦力悬挂尾管,现场作业时采用泵车加压使悬挂器产生推力驱动本体膨胀。研制过程中进行地面膨胀试验时,由于管串长度较短造成泵压增加过快导致瞬间高压产生,存在安全风险。针对该问题提出了膨胀悬挂器地面试验方法并优化管串结构,采用安全阀防止高泵压产生保护泥浆泵,管串压力升高到设定值时安全阀泄流孔能够打开泄压,试验表明该管串能够安全完成悬挂器地面膨胀试验,为后续研究提供支持。     

旋转膨胀系统膨胀力和液压力的研究

为了推广旋转膨胀技术在国内大范围内得到应用,采用非线性大塑性变形有限元分析技术着重研究了不同的工艺参数(膨胀锥角、摩擦系数、定径区长度)对膨胀过程中膨胀力的影响,得到了相关膨胀参数与膨胀力之间的关系曲线,从关系曲线中得到了降低膨胀力的最佳膨胀参数值.并且进一步对液压力进行了分析,得出旋转角速度、膨胀速度对液压力的影响,通过关系曲线得到了最佳的膨胀参数值.这为膨胀工具的设计及膨胀方案的优化提供了理论依据.     

膨胀管实体膨胀锥受力分析与膨胀试验验证

膨胀管技术主要应用在油气田开发领域,膨胀锥是膨胀管技术主要工具之一,在工作时受到极大的界面应力,因此膨胀锥表面过快磨损是制约膨胀管技术发展的主要问题之一。为探究膨胀过程中膨胀锥体表面受力和应力分布,结合弹塑性理论推导膨胀锥接触应力和摩擦力计算模型,采用有限元方法模拟膨胀管膨胀过程,研究膨胀锥表面应力、接触摩擦应力和膨胀推力变化情况,并通过膨胀试验验证了有限元模拟结果的合理性。结果表明：影响膨胀锥接触应力和摩擦力的主要因素是膨胀管屈服强度和膨胀锥锥角;膨胀锥的最大等效应力集中在大径圆角处,最大摩擦应力集中在膨胀锥小径和大径处;膨胀锥膨胀区只有部分与膨胀管内壁接触,膨胀锥小径处受拉应力,大径处受压应力,最大接触压应力集中在大径处。     

尾管悬挂固井中钻杆接头伸长量计算模型建立

尾管悬挂固井作业过程中,钻杆受到多种载荷联合作用产生轴向变形;若注水泥施工步骤前的钻杆上提距离过短,会导致钻杆和尾管悬挂器在后续作业时重新扣合,使得起钻时悬挂器无法顺利脱手造成卡钻。通过对直井尾管固井施工过程中钻杆受载情况的分析,并基于钻杆接头与钻杆本体存在结构差异这一特点,提出了一种综合考虑结构场、温度场、压力场等因素的钻杆接头最大伸长量工程计算模型。运用该模型可以对尾管固井过程中钻杆的伸长量进行更加准确的分析计算,尽量减少卡钻事故。通过分析得知,静止状态下钻杆的轴向伸长量是最大的;对钻杆接头伸长量影响最大的因素是温度场,影响最小的因素是压力场,且温度对钻杆接头的影响要比对同尺寸的管柱的影响略小。     

试件尺寸对岩石膨胀力测试值影响的研究

岩石膨胀力试验是测定膨胀岩在水环境下产生的膨胀应力,试件尺寸对膨胀力测试值具有重要影响。本文通过对不同尺寸的岩石试样在烘干状态下进行膨胀力试验,经对比分析,研究试件尺寸对岩石膨胀力试验结果的影响规律和程度。结果表明,试件高度对岩石膨胀力测试值的影响显著,岩石膨胀力测试值随着岩石试件高度的增大而增大,并呈较好的线性关系。试件高度对岩石膨胀力试验结果的影响与岩石的结构特征有关,岩石的饱和吸水率越大,岩石的孔隙率越大,密实程度越差,则试件高度对岩石膨胀力试验结果的影响越显著。试件直径对岩石膨胀力试验结果的影响不明显。试件尺寸对岩石膨胀力测试值的影响将导致试验数据无可比性,影响岩石膨胀性的判定,因此,有必要在试验方法标准、规程规范中明确试件的尺寸范围,或通过研究给出试件尺寸的修正公式。     

悬挂器旋转机构设计与试验研究

膨胀悬挂器通过旋转机构带动尾管转动提高固井质量、解决尾管入井遇阻问题,旋转机构需要传递大扭矩、具有高可靠性,是膨胀悬挂器研制的关键和技术难点。采用键槽传动机构实现旋转,通过扭矩套筒上的传动键与尾管套筒内壁的键槽配合传动扭矩,使用3D打印技术验证了机构的可行性,并利用ABAQUS有限元软件对旋转机构的强度进行了计算,得到扭矩应力关系曲线。在此基础上研制出旋转机构,通过扭矩测试试验和现场应用验证了其可靠性,数据表明所研制的旋转机构扭矩达到15000N·m,能够满足现场使用要求。     

多胀头膨胀天然气井套管修复载荷估算

天然气井套管在地震载荷作用下发生变形,无法进行正常生产。采用特殊的技术使膨胀头下到变形位置后,在外力作用下,对套管膨胀,使其恢复到原来的形状尺寸。使用设计软件CATIA建立了天然气套管和膨胀头的模型,并生成装配模型。在有限元软件ABAQUS内分析了膨胀变形套管需要的载荷,分析中考虑了材料的塑性变形,采用两个膨胀头多套管进行两次膨胀,使总的膨胀载荷降低。计算表明,当套管承受10MPa外压时,第一膨胀头需要的载荷为14418N,第二膨胀头需要的载荷为155744N。当不考虑套管的外压时,第一膨胀头需要的载荷为10751N,第二膨胀头需要的载荷为100480N。