实体膨胀管数值模拟及膨胀锥锥角优化设计.pdf

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1、石油机械～30一CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第7期．_设计计算实体膨胀管数值模拟及膨胀锥锥角优化设计郭慧娟杨庆榜徐丙贵尹洪伟(1．中国石油集团钻井工程技术研究院钻井机械所2．71345部队)摘要选择了一种实体膨胀管，对其不同锥角时的膨胀过程进行了详细的数值模拟，研究了膨胀锥锥角与膨胀压力、压力波动、膨胀后半径及轴向缩短量的关系，以期为膨胀锥的优化设计提供理论参考。建模时采用非线性有限元分析软件ABAQUS，膨胀锥为主面，膨胀管内壁为从面。结果表明，随着锥角的增大，膨胀压力和启动压力都逐渐增大，轴向缩短量随着锥角的增大而减小，锥角为15。时膨胀管轴向缩短量约为

2、总膨胀长度的1．7％，综合膨胀压力、膨胀后半径及压力波动，比较理想的膨胀锥锥角为15～17。以及22。。关键词膨胀管膨胀锥锥角数值模拟优化设计0引言膨胀管技术是将管柱下到井底，以机械或液压的方法，通过拉力或压力使管柱发生永久性塑性变形，达到扩大井眼或管柱内径的目的，可用于钻井、完井及修井等作业过程，既能解决井眼变径问题，又能节约成本。膨胀管技术是使油井恢复生产的有效技术措施。图1膨胀管轴对称模型结构示意图膨胀管的膨胀过程是一种高度非线性行为，很对称变形时，应变与位移的关系以矩阵的形式可难用解析的方法求得其精确解。近年来，基于连续以表示成：介质力学原理的有限元分析方法的发展，为解决塑Ou旦0性大

3、变形等非线性问题提供了有效的方法¨j。为Ordr此，笔者选择了一种实体膨胀管，对其不同锥角时M1．——0的膨胀过程进行了详细的数值模拟，研究了膨胀锥rr{)=锥角与膨胀压力、压力波动、膨胀后半径及轴向缩OoJ0Oza短量的关系，以期为膨胀锥的优化设计提供理论d}上d∞dd参考OzOzaar式(1)中，在通过中心轴的平截面(子午面)1有限元方程及模型建立内，，上为沿径向r的位移；为沿轴向的位移；1．1有限元方程为环向应变。它们的函数表达式为：在膨胀管的膨胀过程中，其结构和载荷都具有“=“(r，)(2)轴对称性，因此采用轴对称模型。图1为膨胀管轴=(r，)(3)对称模型结构示意图。当模型受到对称载

4、荷产生轴日：u／r(4)基金项目：中国石油天然气集团公司科技管理部井下作业新技术推广项目“膨胀管套管补贴技术”(2008G一5402)。2010年第38卷第7期郭慧娟等：实体膨胀管数值模拟及膨胀锥锥角优化设计由式(1)可知，其位移、应变、应力都与角态后，膨胀压力达到稳定值，在膨胀后期，膨胀压坐标无关，只是径向坐标r与轴向坐标Z的函力逐渐减小；膨胀锥移出膨胀管后，膨胀压力降为数。因而，结构虽处于三维应力状态，但可以研究0。这是因为膨胀锥与膨胀管在没有相对滑动之前其任一子午面的情况，求得1个截面的应变及应处于静摩擦状态，随接触和摩擦的增大，静摩擦力力，也就得到了整个三维结构体内任一点的应变及逐渐增

5、大，达最大值后，发生相对滑动，随滑动过应力。同时，膨胀体也可以简化。这样一个三维问程的逐渐稳定，膨胀压力趋于稳定。图3是锥角为题就可以转化为一个二维问题来求解。12。的膨胀锥膨胀过程的压力变化曲线。1．2实体模型参数膨胀管材料为不锈钢，弹性模量188GPa，泊松比0．3，屈服强度365MPa，极限强度485MPa，伸长率26％，外径133mm，壁厚8mm，有效膨胀长度300mm，膨胀锥最大外径128mm。1．3有限元模型利用非线性有限元分析软件ABAQUS对膨胀过程进行数值模拟。在有限元模型中，膨胀锥为主图3锥角为12。的膨胀锥膨胀过程压力变化曲线面(刚体)，膨胀管内壁为从面(可变形体)，计2

6、．2锥角与压力波动之间的关系算属于刚体．柔体的接触问题，且存在摩擦和大变通过对不同锥角的膨胀过程进行数值模拟发形，是一种高度非线性行为。图2为膨胀管有限元现，随着锥角的增大，膨胀压力逐渐增大，并网格模型。笔者在建模及模拟过程中采用如下简化且随着锥角的增大，压力波动也逐渐增大(图4)。假设：①由于膨胀速度较慢，忽略膨胀过程中的热效应；②采用V．Mises初始屈服条件；③应用运动26三25硬化法则；④使用多线性等向强化弹塑性理想应力流动模型；⑤采用库伦摩擦模型，且摩擦只发生在221231．301．36142l49155161J69时问步长膨胀锥与膨胀管的接触界面，摩擦因数在膨胀过程a锥缃d=12。

7、28中保持不变；⑥假设膨胀锥为刚体，不发生任何变三27形，膨胀管为变形体，即接触为刚柔接触问题。啦241．23l311371．441．5lJ．59165时问步长b．锥角：18。31羔29·R2725231．231．311391．471．55】．63时M步Kc锥缃d=2230薹28图2膨胀管有限元网格模型26襄24边界条件：在膨胀管的下端施加对称边界条件221．24132l40l47155162同时