張 建,肖 剛,孫 騫,呂 瑋,呂芳蕾

(1.中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營257000; 2.中國石化勝利石油管理局石油開發(fā)中心,山東東營257000) *

實體膨脹管膨脹過程數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 建1,肖 剛2,孫 騫1,呂 瑋1,呂芳蕾1

(1.中國石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營257000; 2.中國石化勝利石油管理局石油開發(fā)中心,山東東營257000)*

分析了實體膨脹管膨脹過程機理及影響因素。采用ANSYS軟件對不同結(jié)構(gòu)的膨脹管膨脹過程進行有限元模擬,模擬過程采用非線性準靜態(tài)力學(xué)法,揭示了膨脹過程中管體的軸向、徑向位移的變化規(guī)律及其主要影響因素。模擬結(jié)果表明:膨脹過程中管壁變薄,膨脹載荷與膨脹工具有直接關(guān)系,合理膨脹工具半錐角為10～15°。有限元數(shù)值模擬方法可以較好地預(yù)測實體膨脹管膨脹過程主要影響因素,可對選取合理膨脹工藝提供依據(jù)。

實體膨脹管;數(shù)值模擬;膨脹工具;優(yōu)化;影響因素

由于井眼中套管層次隨著井深的增加而增加,可利用的井眼直徑變得越來越小,因此滿足不了開采及后續(xù)修井等作業(yè)的要求,相應(yīng)的鉆機設(shè)備、鉆井液及其他的材料費用就很多?？膳蛎浌芗夹g(shù)[1-2]能為以上難題提供有效的解決方案,因此引起了人們的注意并快速發(fā)展起來。本文的可膨脹管技術(shù)主要是針對可膨脹式實體管。隨著基于有限元的數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展,應(yīng)用數(shù)值模擬來預(yù)測實體膨脹管的性能越來越受到廣大研究者的重視[3-5]。

本文主要利用有限元數(shù)值模擬技術(shù),研究了膨脹管膨脹過程中管體變化規(guī)律,同時探討了不同摩擦因數(shù)、不同半錐角、不同膨脹力的影響規(guī)律,提出了膨脹工具優(yōu)化設(shè)計方法。

1 實體膨脹管數(shù)值模型

實體膨脹管工作原理為:首先將膨脹工具與管柱下入井眼中,通過機械力或液壓力的作用,使得膨脹工具在管柱內(nèi)軸向移動;同時對于膨脹管進行徑向膨脹,在其發(fā)生永久性塑性變形后,實現(xiàn)節(jié)省井眼尺寸的目標[6]。

本文所有模擬內(nèi)容均由ANSYS軟件計算完成,主要對膨脹變形影響較大的幾個參數(shù)(基管規(guī)格、材料性質(zhì)、摩擦因數(shù)、膨脹半錐角等)進行了模擬。實體膨脹管的網(wǎng)格劃分模型如圖1。

圖1 實體膨脹管網(wǎng)格模型

針對膨脹管膨脹過程中管體變化規(guī)律,選取?139.7 mm的J55油井套管的膨脹過程進行分析與探討,套管的材料特性參數(shù)為:彈性模量E= 210 GPa,泊松比為0.3,屈服極限為510 MPa;針對膨脹管膨脹過程影響因素,對于不同規(guī)格的膨脹管進行數(shù)值分析,膨脹管的鋼級分別為J55、C75和 N80,膨脹管的規(guī)格為:?139.7、?152.4、?193.7、?219.1、?298.5 mm。

本文研究的膨脹管膨脹過程屬于剛體-柔體接觸問題,并且存在摩擦,屬于高度非線性問題,這里設(shè)定活塞的外圓周面為接觸目標面(剛體),膨脹套管內(nèi)壁為接觸面(變形體)。采用有限元軟件ANSYS進行膨脹管的模擬仿真,選用不易引起病態(tài)條件的擴張的拉格朗日算法;忽略膨脹過程的熱效應(yīng),且使用基本的庫侖摩擦模型;分別采用模型中的Target169和 Conta 172定義面-面接觸單元的接觸對。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 實體膨脹管徑向與軸向位移

對?139.7 mm的J55油井套管采用摩擦因數(shù)分別為0.12、0.15、0.20,膨脹頭半錐角分別為5°、8°、10°、15°,對2種膨脹量(膨脹5%和膨脹10%)進行了模擬,以研究對徑向、軸向位移變化量的影響。

表1為膨脹過程中套管壁厚變薄情況,可以看出,膨脹變形量為5%的平均變薄率明顯低于膨脹10%時的平均變薄率,即隨著膨脹擴徑力增加,套管變薄程度加劇。同時,在模擬過程中發(fā)現(xiàn),當膨脹頭靠近套管時呈現(xiàn)收縮,當膨脹頭經(jīng)過套管時呈現(xiàn)膨脹狀態(tài),而當膨脹頭離開套管后呈現(xiàn)出回彈現(xiàn)象,同時造成膨脹管外壁徑向位移小于內(nèi)壁徑向位移。在整個膨脹管膨脹分析過程中,管體出現(xiàn)變薄不均勻現(xiàn)象,在膨脹管的開始階段變薄量加大,而在膨脹管末端變薄量較小。針對這種問題,可以在實際應(yīng)用中,應(yīng)用估算法解決,先模擬計算出大概的回彈量,然后將膨脹頭的尺寸按照回彈量的大小進行加大,這樣便可以得到要求的膨脹尺寸。

表1 套管壁厚變薄情況

表2為膨脹管平均軸向位移情況,可以看出,在數(shù)值模擬膨脹管膨脹成形過程中,膨脹量為10%的情況下,套管內(nèi)軸向位移出現(xiàn)負值,即出現(xiàn)軸向位移先伸長而后縮短的情況,而在膨脹量為5%的情況下,套管內(nèi)軸向位移伸長率始終為正值,即處于伸長狀態(tài)。由于軸向摩擦力對于膨脹管拉伸力的影響大于膨脹錐頭膨脹時徑向壓力所產(chǎn)生套管軸向收縮的影響,所以膨脹套管呈現(xiàn)伸長狀態(tài)。當膨脹量較大,特別是當膨脹半錐角和摩擦因數(shù)也較小時,由于軸向摩擦力對于膨脹管拉伸力的影響也較小,所以呈現(xiàn)縮短狀態(tài)。另外,在摩擦因數(shù)固定時,膨脹管軸向位移與膨脹半錐角成正比;在膨脹半錐角固定時,膨脹管軸向位移與摩擦因數(shù)成正比增加。

表2 套管平均軸向位移

2.2 膨脹力與膨脹半錐角的關(guān)系

膨脹基管的外徑 ?139.7 mm,膨脹后內(nèi)徑?141.4 mm,材料鋼級為J55,計算膨脹載荷隨著膨脹工具半錐角的變化情況如圖2a。由圖2a可知,膨脹載荷先隨著膨脹工具半錐角的增大而減小,當膨脹工具半錐角增大到一個特定范圍時(10°≤α≤15°),再繼續(xù)增大膨脹工具半錐角,膨脹載荷反而增大,這時膨脹工具半錐角的特定值對應(yīng)的膨脹載荷最小,例如:對應(yīng)材料的摩擦因數(shù)0.15,膨脹工具半錐角為12°時的膨脹載荷最小,為440.28 kN,膨脹工具半錐角大于或小于這個工作范圍,膨脹載荷都較大,由此可見,對于該規(guī)格的膨脹管基管,當摩擦因數(shù)為0.15,膨脹工具的膨脹半錐角應(yīng)該設(shè)計為10°≤α≤15°。

改變膨脹管基管的規(guī)格,不改變膨脹管的材質(zhì),膨脹工具半錐角與載荷的關(guān)系如圖2b所示,其中摩擦因數(shù)為0.2,膨脹基管的材料為J55。對于不同規(guī)格的相同鋼級的膨脹管,膨脹工具的半錐角決定著膨脹載荷的大小,在相同的摩擦因數(shù)條件下,不同規(guī)格的膨脹管基管在膨脹時,所需膨脹載荷最小的最優(yōu)化膨脹工具半錐角范圍基本相同。所以,膨脹工具和膨脹管基管的接觸面上的摩擦因數(shù)決定著膨脹工具半錐角的大小,也決定著膨脹載荷。

圖2 膨脹載荷隨膨脹角度變化情況

2.3 膨脹力與膨脹管材料的關(guān)系

通過對不同材料的膨脹管進行模擬膨脹,獲得膨脹載荷與膨脹管基管材料性質(zhì)之間的關(guān)系,給膨脹過程中不同材料需要的載荷提供理論依據(jù)。模擬膨脹的膨脹管基管規(guī)格為?219.1 mm,壁厚?10.16 mm,膨脹后內(nèi)徑?223.7 mm。摩擦因數(shù)取0.15,膨脹半錐角取12°,材料選擇了J55、C75、N80,模擬膨脹的結(jié)果如表3。從表3可以看出,鋼級越高,材料性能越好,膨脹時所需要的膨脹載荷越大。

表3 膨脹載荷與膨脹管材料性能的關(guān)系

2.4 膨脹力與膨脹管壁厚的關(guān)系

對膨脹基管外徑為?139.7 mm的套管進行了模擬,膨脹后內(nèi)徑?141.4 mm。膨脹基管材料鋼級為C75和N80、摩擦因數(shù) f=0.15、膨脹工具半錐角α=20°。膨脹載荷與套管壁厚之間的關(guān)系如表4,由此得出膨脹載荷隨著膨脹基管壁厚的增加而增加;不同規(guī)格的基管,膨脹載荷與基管壁厚之間也成正比增加關(guān)系。

表4 膨脹載荷與基管壁厚之間的關(guān)系(基管外徑為?139.7 mm)

3 結(jié)論

1) 膨脹過程中膨脹套管內(nèi)部的等效應(yīng)力與膨脹工具形狀、膨脹載荷分布沒有關(guān)系,只要膨脹套管內(nèi)部的等效應(yīng)力達到了屈服條件,套管就能實現(xiàn)塑性變形,達到膨脹目的。

2) 所有模型的徑向位移都有不同程度的回彈現(xiàn)象,膨脹量為5%時的變薄量要小于膨脹量為10%時的變薄量。變薄量小,說明套管在膨脹后的抗擠毀能力越強,使用壽命也會相應(yīng)地變長,有利于工程中節(jié)約成本。

3) 膨脹載荷與膨脹工具的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系.通過對幾種套管膨脹過程模擬仿真,當膨脹工具半錐角為10～15°時,膨脹載荷最小,建議在設(shè)計膨脹工具時,膨脹工具半錐角在該區(qū)域取值。

[1] 李光勝,楊文斌,何雅麗,等.膨脹管技術(shù)在下4-421井的應(yīng)用[J].鉆采工藝,2009,32(2):17-19.

[2] 趙金洲,趙金海,楊海波,等.勝利油田水平井完井技術(shù)現(xiàn)狀及研究展望[J].石油鉆采工藝,2009,31(6):4-8.

[3] 劉永剛,蘭 芳,練章華,等.膨脹套管關(guān)鍵技術(shù)的分析[J].石油礦場機械,2005,34(6):19-22.

[4] 張全勝.套管膨脹過程數(shù)值模擬與試驗研究[J].石油礦場機械,2008,37(9):68-70.

[5] 秦國明,何東升,張麗萍,等.基于ANSYS/LS-DYNA的實體膨脹管膨脹力分析[J].石油礦場機械2009,38 (8):9-12.

[6] 高向前,沈澤俊,張立新,等.膨脹管補貼技術(shù)試驗研究[J].石油礦場機械,2008,37(11):41-43.

Numerical Simulation of Solid Expendable Tubular and Structure Optimizing by ANSYS

ZHANGJian1,XIAO Gang2,SUN Qian1,LV Wei1,LV Fang-lei1
(1.Oil Production Technology Research Institute,S hengli Oilf ield,Sinopec,Dongying257000,China; 2.Shengli Oilf ield Petroleum Development Center,Sinopec,Dongying257000,China)

According to the structure and working principle of solid expendable tubular,this paper presents the numerical simulation of stress distribution of different geometries solid expendable tubular using commercial package ANSYS.During the simulations,nonlinear quasi-static mechanics method is adopted.Based on that,axial and radial displacement variations are analyzed in detail,and some main factors related are also discussed.The simulation results show that tubular wall become thin,and expendable load is directly related to expendable cone.The reasonable halfcone angle of expansion tool is 10°to 15°.The results can provide reference for reasonable designing of expandable devices and technology.

solid expendable;numerical simulation;expandable tool;optimization;facts

1001-3482(2011)05-0067-04

TE931.2

A

2010-11-05

張 建(1981-),男,山東東營人,博士,主要研究方向為完井新工藝與理論,E-mail:Zhangjian051.slyt@sinopec.com。