APIL80套管的膨胀性能试验研究

可膨胀管膨胀性能的好坏是决定膨胀作业能否成功的关键。以APIL80套管为研究对象,进行了套管径向膨胀20.5%和25.5%的膨胀试验,对套管膨胀前后的几何精度和力学性能变化进行了对比研究。试验研究结果表明,膨胀改变了套管的力学性能,使其强度和硬度增加,而塑性降低,但套管在膨胀后仍具有较大的塑性变形空间,在膨胀后的使用中不会出现脆性开裂,同时表明套管膨胀后的相关指标满足API标准,说明L80套管是适合于膨胀的。膨胀试验研究对于可膨胀管的研究开发及制造具有重要指导意义。     

API J55套管的膨胀性能分析

可膨胀的套管管材是膨胀套管技术的核心技术之一。模拟井眼中的套管膨胀力学环境，对3根国产114.3 mm API J55套管（壁厚6.35 mm）在原始状态和热处理状态下分别进行了径向6.2％及16.5％的膨胀试验，对膨胀前后套管的几何精度、材料相关性能及套管的实物性能进行了检验。发现标准API　J55套管在进行幅度为16.5％的径向膨胀后，仍然具有较好的基本性能指标，但同时发现该种套管由于材料性能方面的原因，存在变形困难的问题，还发现套管在膨胀后抗挤强度下降显著。分析结果对于可膨胀套管管材研究具有重要参考价值     

J55膨胀套管实物试验研究

选取6根Ф139.7 mm(51/2英寸)J55套管,在膨胀锥角5、8和10°及膨胀速度5和10m/min条件下,对其中5根套管内壁做润滑处理后进行实物膨胀试验研究,另外1根套管只做原始抗挤强度试验。结果表明,磷化润滑处理后的套管与心头间的摩擦因数小于牛油石灰润滑处理后套管与心头间的摩擦因数,改善膨胀套管内壁的润滑条件,可以大大减小膨胀液压力;随着摩擦因数的减小,膨胀后套管的轴向缩短率增大,壁厚减薄幅度减小,有利于提高膨胀后套管的抗挤强度;膨胀前套管的抗外挤毁压力为51.3 MPa,膨胀后套管的平均抗外挤毁压力为28.7 MPa,其抗外挤毁压力降低了44.1%。     

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。     

实体膨胀管膨胀过程几何参数变化试验研究

对139.7mm×7.72mm N80钢级实体膨胀管实物膨胀过程进行了试验研究。基于实体膨胀管实物评价试验平台,设计了试验方案和检测方法,对比分析了实体膨胀管膨胀前、后几何参数变化。结果表明:实体膨胀管经膨胀变形后其外径椭圆度变大,均匀性显著变差,壁厚均匀性变化受膨胀变形的影响并不显著。     

应用于套管补贴的膨胀管技术

针对常规补贴套管技术无法满足长井段、高井温的要求以及施工工艺复杂、工序多、修复后井眼内径变化较大的问题,提出了膨胀管补贴套管技术。介绍了该技术的技术原理、技术关键、施工方法。该技术克服了以往套管补贴技术存在的不足,具有施工工艺简单、套管修复后能产生永久性密封且井眼尺寸变化小等特点,具有广阔的推广应用前景。     

可膨胀管旋转膨胀系统设计研究

早期的膨胀锥在应用于实体管膨胀时，不但需要较大的轴向力，而且存在套管膨胀后的轴向尺寸会有较大的减小等难题。文章根据旋转膨胀系统结构中滚轮上所受的压力、滚轮轴强度、所需的液体压力及活塞直径等参数，从保证套管能被顺利膨胀出发，结合工程实际，建立了力学分析模型，并设计了旋转膨胀系统的具体结构，对主要零件及主要参数（本体、活塞、滚轮轴、滚轮等）进行了强度设计和尺寸设计。所设计的整套膨胀系统在钻压作用下沿轴向有一位移，同时限压阀因为压力降低而复位，液体压力再次逐渐升高，这样就完成了一个周期动作。上面的动作周而复始，形成了一个连续的膨胀过程，从而完成对套管的膨胀作业。     

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。     

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。      

壁厚不均缺陷对膨胀套管性能的影响

采用有限元法分析了壁厚不均缺陷对膨胀套管性能的影响。分析研究结果表明(1)壁厚不均的膨胀套管膨胀后壁厚不均度增大;(2)壁厚不均的膨胀套管膨胀后各部位壁厚均减小,最薄侧壁厚减薄量随壁厚不均度的增加呈上升趋势,而最厚侧壁厚减薄量随壁厚不均度的增加呈下降趋势;(3)壁厚不均度对膨胀套管自由端面轴向总位移影响很小;(4)膨胀套管壁厚不均度小于0.2时,所需最大膨胀力变化不大;壁厚不均度大于0.20时,所需最大膨胀力迅速降低;(5)壁厚不均度对膨胀套管膨胀后的残余应力影响很小。     

变形和热处理对J55套管钢力学性能的影响

为了评价J55套管钢的力学性能及其受力变形和热处理对它的影响,沿J55无缝套管钢管的纵向、横向和45°三个方向取样,经过压平和退火热处理,通过拉伸试验评价了该种管钢3个方向有无变形和热处理时管样的力学性能影响。结果表明,不同方向和处理过程的J55钢力学性能不同;原始纵向试样的屈服强度最小,但其断裂伸长率最大;45°方向压平退火后的屈服强度最大,而伸长率较小;经过同样的变形和热处理过程后,管材试样存在各向异性;通过变形和热处理,该J55钢的力学强度可得到强化,但其塑性却有所降低。     

数值模拟法在膨胀套管修复套损井技术中的应用

为了分析膨胀套管在套损井修复过程中的应力、应变及残余应力情况,剖析膨胀过程中管材内部变化规律,利用ANSYS软件建立了膨胀套管在套损井修复应用中的有限元模型,优选模型的边界条件,进行模型的数值模拟分析.数值模拟结果直观地反映了管材膨胀过程中的应力一应变情况,结合实验室台架试验及现场施工,总结出可在制管、套管膨胀和后处理3个阶段采取有效措施消减残余应力;膨胀套管在高压液体作用下发生二次形变后.内径尺寸比膨胀锥的外径单边增加0.9～1.3 mm,据此修正了膨胀锥、膨胀套管和原套管尺寸间的经验公式.在华北油田京708井采用膨胀套管技术修复套损井,施工完成后,产油量增加,含水率降低,达到施工要求,表明膨胀套管补贴套损井技术的有限元数值模拟分析符合油田现场施工的需求.     

膨胀管壁厚计算研究

膨胀管技术是在井下以机械或液压的方法使管材永久变形、完成油气井建井的技术。它不仅使井身结构产生变形，还大大降低油气井建井成本。管体膨胀后的壁厚是计算抗挤强度的关键要素，根据金属材料冷变形的原理，在对管柱膨胀进行力学分析的基础上，结合金属材料冷变形的体积不变原理，应用管子膨胀时的应力-应变关系推导出膨胀管壁厚变化的计算公式，同时编制了壁厚变化的计算软件。实验数据和计算结果的对比验证了该计算公式是可靠的。     

过套管补贴技术研究与应用

针对膨胀管补贴后的套管段内径变小,无法实现该处套管以下套损部位补贴的问题提出过套管补贴技术。该技术使用活塞液压缸作为动力系统,液力锚定器作为锚定系统,将膨胀工具外置于膨胀管,进一步提高膨胀管的通过性与膨胀率。室内试验与现场应用表明:该技术使用的工具结构简单,装配方便,膨胀管与套管之间为全段金属密封,8%膨胀率的膨胀管与1 m套管之间悬挂力超过80 kN;动力系统能够承受30 MPa压力,满足使用要求;现场应用工艺设计合理,能成功解决已补贴段套管内径过小、待补贴位置难以精确定位的问题。     

膨胀套管润滑措施分析

对膨胀套管作业过程中膨胀工具与套管内壁间的摩擦与润滑问题进行了研究。从理论上对膨胀套管作业的摩擦与润滑方法进行了系统的分析阐述,并对采取固态磷化润滑膜的润滑效果进行了实物试验,与普通润滑方法的润滑效果进行了对比。结果显示,采用固态磷化膜润滑具有明显的润滑效果,降低了膨胀压力,并且使膨胀过程更加稳定,膨胀后的套管尺寸精度更加均整。最终分析认为,采取固态磷化润滑膜是膨胀套管作业中简单有效且低成本的润滑方法,可以用于实际生产。     

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。     

J55钢纵剖钢带高频焊套管的研制

针对高频焊（HFW）套管用J55钢纵剖热轧钢带存在成分偏析,且钢带中心偏析较严重,制管后中心偏析带位于焊缝处,在线焊缝正火热处理后,焊缝热影响区偏析带上便出现条状马氏体的问题,在材料设计上通过降C、降Mn来减轻钢带中心偏析,加入微量Nb补偿因降C、降Mn而导致的强度损失,改善管加工工艺性能并防止粘扣。加入微量Ca净化钢液,促使MnS球化,提高材料的综合性能。研制出一种适用于高频焊J55钢级纵剖料用钢及符合API SPEC 5CT标准的套管。