实体膨胀管膨胀工具优化分析

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1、石油机械2009年第37卷第11期CHINAPETROLEUMMACHINERY一29一设计计算实体膨胀管膨胀工具优化分析陈功剑李春福宋开红申文竹李作会王绍先朱海波(1．西南石油大学油气藏与地质国家重点实验室2．胜利石油管理局钻井工艺研究院)摘要为了使膨胀管技术在国内得到大范围应用，采用三维弹塑性接触问题有限元法着重研究膨胀工具的锥角、定径长在膨胀过程中变形力以及残余应力的变化规律。采用ANSYS10．0建立膨胀管模型以及膨胀锥三维实体模型，单元类型选择Solid95，网格划分采用映射网格。研究结果表明，在膨胀锥锥角保持不变的情况下，膨胀锥定径长对膨胀后套管的残余应力没有太大影响，但对套

2、管膨胀所需要的膨胀力有较大影响；膨胀锥锥角对套管最大残余应力没有影响，但对膨胀力的影响十分明显，当膨胀力的径向分力大于材料的抗拉强度时，材料将发生破坏。关键词实体膨胀管残余应力锥角定径长优化分析膨胀工具和制定膨胀工艺提供了理论依据。0引言1有限元模型钻井实体管柱膨胀技术主要由2部分组成：膨胀管和膨胀锥(膨胀工具)。利用坐放装置将1．1膨胀工具结构膨胀套管下井后，根据金属材料的塑性变形原理，膨胀锥几何模型见图1。图中，OL为膨胀锥锥在膨胀锥的作用下，在井下通过冷加工将石油管材角，f为润滑辅助区，Z为膨胀区，为定径区，扩大到需要的尺寸。由于直径膨胀，膨胀管的D为定径区的直径，d为润滑辅助区直

3、径。膨胀作壁厚要减小2％～5％，其直径可以膨胀约20％，业时主要靠膨胀锥的膨胀区给管子内壁施加压力使其长度缩短约8％L4J。其发生塑性变形；定径区的作用在于防止管壁发生目前，国外有多家石油技术服务公司可以提供大幅度的回弹；润滑辅助区主要有2个作用，一是钻井膨胀技术服务。国内多家公司和科研院所也对膨胀时将润滑剂良好地带人膨胀区，二是对即将进可膨胀管技术做了大量理论和实验室研究J，主入膨胀区的管子起导向作用。要集中在膨胀管膨胀所需要的膨胀力、膨胀管膨胀后的壁厚减少量、膨胀过程不均匀变形以及膨胀过程中金属流动情况分析等方面。胜利油田在通61一侧162井上进行了实体可膨胀管技术的现场应拿⋯_一．

4、]⋯⋯一用，这是该技术在国内的第1次现场应用。该井的Dl成功试验，充分说明膨胀管技术在现场应用的可行性，但要使膨胀管技术在国内大范围应用还有许多图1膨胀锥几何模型工作需要研究，如膨胀套管选材及膨胀后套管性能1．2力学模型标定、螺纹密封性和连接强度等。笔者采用三维弹膨胀管和膨胀锥接触端固定，下端自由移动。塑性接触问题有限单元法着重研究膨胀工具的锥在压力的作用下，膨胀锥沿着套管的中心线运动，角、定径长在膨胀过程中变形力以及残余应力的变膨胀套管在锥头的接触压力作用下径向膨胀。化规律，找出了各种参数之间的关系，为合理设计根据弹塑性力学理论，载荷与位移存在一定的基金项目：国家863高新技术研究发展

5、计划项目“膨胀管钻井技术”(2006AA06A105)。一3O一石油机械2009年第37卷第11期关系。[k]{}={}，其中[k]为弹塑性刚度图中的残余应力是指VonMises应力。残余应矩阵，{}为位移矢量，{引为载荷矢量。即一定力直接影响着套管的承载能力。从图可知，6种不的载荷对应一定的位移，反过来已知位移，也可以同定径的锥体使套管膨胀后最大的残余应力值相同求出所对应的载荷。(定径长为0时，图中反映不出来)，最大的残余1．3结构参数应力集中区范围大小也相同，说明膨胀锥的定径长套管膨胀前尺寸为l14mm×7mm，膨胀后度对膨胀后套管的残余应力没有影响。内径120mm，长600mm，膨

6、胀锥推进位移为4002．2膨胀锥不同定径长所需膨胀力对比分析mm。膨胀锥锥角分别为3、8、1O、15、20、30。。膨胀力是套管膨胀过程中的一个重要参数，它定径长分别为0、20、50、80、100、150mm。的大小对膨胀管施工的难易程度以及膨胀效果有直材料的参数分别为：弹性模量E=2．5×10接影响，因此需要对膨胀力进行研究。膨胀锥角为MPa，泊松比=0．27，屈服强度为290MPa。l0。，膨胀锥轴向位移为400mm，分别计算定径长用ANSYS10．0建立膨胀管模型以及膨胀锥三为0、20、50、80、100、150mm使实体管膨胀时维实体模型，单元类型选择Solid95，网格划分采加

7、载在锥体上所需的膨胀力，结果见图4。用映射网格，划分网格后的有限元模型见图2。Z＼凿避o204060801oo120140160定径长／mm图2膨胀锥和买体管划分网格后效果图图4不同定径长对加载载荷的影响1一套管；2一膨胀锥。从图4可知，不同定径长的膨胀锥使实体管膨1．4边界条件胀所需膨胀力成V形，即随着膨胀锥定径长的增不考虑套管外水泥环等作用力，套管顶端加，需要的膨胀力先下降再上升。在定径长为0(和膨胀锥接触的一段)仅约束z方向的