不同应力状态下套管膨胀机理数值研究

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1、第一章绪论也大大减少了建井周期。所以膨胀管技术的出现被认为在油气井工程领域具有革命性的进步意义，是本世纪钻井工程的重要新兴技术之一。1．2可膨胀管技术的关键内容膨胀管的概念听起来很简单，但实际上整个膨胀过程是非常复杂的。膨胀管技术基于井眼中的金属冷加工技术，其中牵涉了复杂的金属塑性变形力学问题。膨胀管技术的成功应用，依赖于多个关键技术的协调作用，主要有：1．2．1膨胀管的选材膨胀管要在井眼中被径向膨胀，之后还要在严酷的井底环境中服役，这些都对膨胀管管材的选用提出了很高的要求。要求管材能够满足膨胀过程中的力学性能要求，具有足够的

2、强度，良好的塑性变形能力，以及一定的抗腐蚀性能。并且要求管材机械性能均一、应力集中尽可能的低，几何尺寸精度高等。从这些要求来看，现在在油田上普遍使用的某些普通套管虽然勉强可以用作膨胀管，但它并不是最适合的膨胀管管材，而应该为膨胀管技术专门研究特制一定规格系列的膨胀管管材。1．2．2可膨胀联接膨胀管柱上所使用的联接要求在膨胀前、膨胀过程中，以及膨胀后都保持其结构和密封完整性。现在油田现场使用的普通套管柱联接是无法满足这些要求的。所以能否设计出即满足上述各点要求，又具有良好的机械和力学性能且适合膨胀作业的管柱联接是膨胀管技术的又一

3、项关键技术。1．2．3膨胀机构要在油气井井眼中实现管柱的径向膨胀加工是一个全新的课题。在井底对几百米、甚至几千米的管柱进行膨胀，依赖于各个膨胀环节的有机配合。要求设计一套可以在井眼中运作的膨胀机构，寻找膨胀芯头的适宜的几何形状及尺寸，并且膨胀芯头要满足极高的机械性能要求。1．2．4膨胀工艺目前世界上有多种井眼中的管材膨胀工艺技术。比如单从膨胀芯头的运动方向来看，就有一步自下向上膨胀或自上向下膨胀来完成整个膨胀的，也有分两步膨胀，先自下向上，再自上向下膨胀的。但各种工艺都要研究诸如膨胀速度、膨胀工具与管柱之间的摩擦与润滑等一系列

4、问题。1．2．5膨胀后的管柱强度理论以及试验结果都显示，管柱在径向膨胀以后，其抗内压强度和抗拉强度会有所增加，这是金属冷加工的自然结果，但很关键的一点就是管柱的抗外挤强度会有所下降，甚至有可能低于API对套管抗挤强度的规定值，所以如何综合考虑选材以及工艺等各因素，使管柱在膨胀后的抗挤强度的减小尽可能的小，是膨胀管技术的又一个关键技术。西安石油大学硕士学位论文1．3可膨胀管的国内外研究及发展现状1．3．1国外研究与发展现状膨胀管技术由壳牌石油公司首先提出。当时主要是为了解决壳牌在墨西哥湾的海洋深井钻井作业中所遇到的一些问题，该地

5、区随着井深的增加而不断增加的套管层次大大增加了钻井成本，有时甚至因为井眼直径已经太小而根本无法钻达目的层。于是，上世纪八十年代末期，壳牌开始研究膨胀管技术：并于1999年年底进行了首次成功的商业应用。之后膨胀管在技术上和经济上都获得了极大的成功，在墨西哥湾的应用情况非常喜人，该技术使得以前一些无法经济开采的油气田可以继续开采，极大地降低了该地区的油气开发成本。目前，壳牌在世界范围内的膨胀管技术领域处于领先地位，壳牌与哈里伯顿合资成立了Enventure公司，该公司是一家专业的膨胀管技术服务公司，总部位于美国休斯敦，业务范围主要

6、在美国国内，它目前扮演着世界范围内的膨胀管技术的领导角色。壳牌还与贝克休斯成立了另外一家合资公司E2Tech，总部设在英国的阿伯丁，主要负责美国国外的膨胀管技术服务市场。另外，Weatherford获得了壳牌的技术许可，也可以从事膨胀管的技术服务业务。1999年11月25日Enventure公司完成了世界上首次膨胀管的商业应用。作业是在墨西哥湾一口4023米的井眼中进行的，这次施工对直径关193．68mm(75／8”)、长度为301．75米的API5CTL．80套管柱进行了膨胀作业，管柱的直径被膨胀了大约15％。膨胀过程是利用

7、液压推动膨胀工具自下向上进行的，管子之间的密封是依靠弹性密封件来完成的【61。2002年10月，国外作业者在荷兰Groningen油田的一口气井中首次完成了抗腐蚀合金膨胀管的商业作业。这次施工也是首次气密封的抗腐蚀合金膨胀联接的商业应用，这次作业的成功标志着膨胀管可以用作生产套管。这次施工的膨胀管长度为1857．76米，创造了截止当时单次膨胀作业的最长管柱记录，膨胀后管柱的长度自然缩减到1788．87米。膨胀前的外径为152．4mm(6”)，套管直径被膨胀的幅度为9．8％。膨胀后的抗内压强度和抗外挤强度估计分别为48．26MP

8、a和27．58MPa。因为里面含有铬成份而使其具有抗腐蚀性能。这一进步使人们在开发强烈腐蚀环境井眼中的油气资源的进程中又迈进了一步【7】。目前，在全世界范围内，尤其是在石油工业先进国家，膨胀管技术正处于蓬勃发展状态之中，下入长度不断增加，工艺手段不断进步，目前，膨胀芯头在管子