不同应力状态下膨胀管力学性能试验研究.pdf

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1、石油机械2011年第39卷第11期CHINAPETR0LEUMMACHINERY试验研究不同应力状态下膨胀管力学性能试验研究陈强高向前李益良李涛韩伟业毕秀玲孙冬梅(中国石油勘探开发研究院采油采气装备研究所)摘要通常膨胀管在变形后壁厚不均匀度、管体弯曲程度会增加，导致膨胀管的抗拉、抗挤毁等力学性能下降。利用网格法分析了不同应力状态下膨胀管在膨胀过程中的金属塑性流动过程，并通过室内试验进行了对比研究，详细分析膨胀过程中的宏观现象。结果表明，残余应力会增加膨胀管塑性变形力，使膨胀过程困难，膨胀后管体弯曲变形严重；处于应力状态的膨胀管膨胀后管体网格在一侧堆积，

2、表明金属塑性流动过程沿轴向不均衡。关键词膨胀管应力状态力学性能残余应力网格法0引言1膨胀管技术原理膨胀管技术始于20世纪80年代末，经过20膨胀管系统主要由膨胀管、膨胀工具、底堵、多年的发展，已经广泛应用于钻井、修井以及完井油管和密封装置等组成，其管柱结构如图1所示。等作业，显示出巨大的发展潜力。该技术是将管柱由图可以看出，油管与膨胀工具相连，膨胀管挂在下到目的层，采用机械或液压的方法使管柱发生永膨胀工具的斜面上，整个管柱重力由油管承担，并久塑性变形，以扩大井眼或生产管柱内径I2J。膨利用油管下入到预定位置；通常密封装置为橡胶，胀管技术具有以下优点：①

3、结构简单、成本低廉、在膨胀管外壁硫化，膨胀后可以密封膨胀管和基础易于操作和成功率高；②膨胀后，管材经过冷作硬套管之间的环空；底堵与膨胀管之间用螺纹连接，化，力学性能进一步提高；③能够保持或扩大管柱保证在膨胀过程中与膨胀工具之问形成高压腔室。内径，有利于后续作业和管理；④膨胀后，膨胀管与套管间密封性好、悬挂力强。l通常膨胀管在变形后壁厚不均匀度、管体弯曲程度会增加，导致膨胀管的抗拉、抗挤毁等力学性2能下降，不利于后续作业，特别是在水平井或裸眼井中，如果管体弯曲变形严重将会出现膨胀力增大，固井质量差等问题。由于膨胀管变形后的金相组织、性能、外形尺寸和形状精

4、度、膨胀工具设计原则等都与其金属塑性流动规律密切相关，所以研图1膨胀管管柱结构示意图究膨胀管变形过程中金属塑性流动规律具有重要意1一膨胀管；2一密封装置；3一底堵；义、，『3—7]。4一膨胀锥；5一基础套管；6一油管。笔者利用网格法分析了不同应力状态下膨胀管图2为膨胀管作业过程中的4个阶段。当膨胀在膨胀过程中的金属塑性流动过程，并通过室内试管柱下到预定位置时，沿油管内加入液体，由于底验进行了对比研究，详细分析膨胀过程中的宏观堵的作用，在膨胀工具和底堵之间会形成高压腔现象。室，膨胀工具在液体的推动下上行，直至走出膨胀基金项目：中国石油天然气勘探开发公司项

5、目“膨胀管补贴技术”(10100030kt13)。一●一石油机械2011年第39卷第11期管，完成膨胀过程。密封装置在膨胀后会紧贴在套置，如图3所示。左边为管壁网格线展开后的示意管内壁，起密封环空和悬挂膨胀管柱的作用，此时图，通常在膨胀后各网格点与其原始位置相比会发膨胀管柱白重由油管悬持改为套管悬挂。膨胀结束生变化，进而反映为金属塑性流动过程。后，需要下磨铣工具，磨铣掉底堵，保证膨胀管通道畅通。厂一、／—、、厂、厂、／／＼—／／、／、／、：：，．／＼／、、厂、＼图3管体网格示意图试样的力学性能对比如图4所示。由图可以看a．加压b膨胀c．磨铣d．结束出，

6、经过退火工艺处理的1#试样抗拉强度和屈服图2膨胀管作业过程示意图强度等力学指标略低于2#试样，具有良好的韧性通常在膨胀过程中膨胀压力会不断波动，同时和塑性。在膨胀后管体壁厚、直线度等会发生变化，去除管体加工精度等因素，认为这些问题是由于存在残余应力。试验过程中发现一些热处理不合格的管材在膨胀时会出现膨胀压力过高、压力波动剧烈、膨胀后管体弯曲变形严重甚至管壁破裂等现象，在现场．．-．-．试验过程中，由于管体存在残余应力，膨胀压力过伸长率／％抗拉强度／MPa屈服强厦／MP高使油管受挤压而弯曲变形，导致试验失败。图4试样力学性能对比笔者选用不同应力状态的膨胀

7、管进行室内试试验过程中沿油管加入高压液体，在底堵和膨验，并详细分析膨胀过程中的宏观现象，同时引入胀工具之间形成高压腔室，液体推动膨胀锥右行完金属塑性加工学中的网格法对膨胀管塑性流动过程成膨胀过程。进行讨论。2．2试验结果与分析膨胀过程中每3S采集1次数据。图5为试验2试验分析与讨论过程中的膨胀压力变化曲线。图中1#和2#试样的启动压力相同，但存在以下差别：2．1试验材料与方法(1)试样在膨胀过程中，膨胀压力均出现明显试验选取2根在尺寸和成分上相同的膨胀管，的波动，但2#试样波动更为剧烈，幅度达6MPa；膨胀幅度均为8％。其中1#试样经过退火处理，管(2

8、)2}}试样最大膨胀压力36MPa，高于1#试体无明显的残余应力；2锄式样未经退火处理，存在样