劉 鵬， 夏柏如， 程光明， 劉曉丹

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

膨脹波紋管端頭整形裝置的研制及應(yīng)用

劉 鵬1，2， 夏柏如1， 程光明2， 劉曉丹2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

膨脹波紋管端頭形狀差異大，焊接時錯邊量較大，導(dǎo)致焊縫強度低，而采用常規(guī)整形工具整形存在工具被卡風(fēng)險大的問題，為解決這一問題，研制了膨脹波紋管端頭整形裝置。該裝置采用加熱波紋管的方法提高管材韌性；內(nèi)模具采用三瓣楔形結(jié)構(gòu)，分解了整形作用力，降低了模具被卡的風(fēng)險；通過分析整形過程中內(nèi)模具的受力，優(yōu)化了內(nèi)模具的長度。室內(nèi)和現(xiàn)場試驗表明：采用膨脹波紋管端頭整形裝置對膨脹波紋管端頭進行整形，整形精度較高，可將錯邊量由4～5 mm減小至1 mm以內(nèi)，降低了整形作用力和模具被卡的風(fēng)險，提高了焊縫的強度和管串的承壓能力。研究表明，采用膨脹波紋管端頭整形裝置可以減小錯邊量，提高焊縫的質(zhì)量和強度，降低整形工具被卡的風(fēng)險。

膨脹波紋管；端頭整形；焊接；有限元法

膨脹波紋管(expandable profile liner,EPL)是在地面將圓管成型為異形管，在井下又利用液壓和機械膨脹工具恢復(fù)至圓管，可用于封隔復(fù)雜地層[1-6]。由于膨脹波紋管的端面形狀特殊，管體之間的連接主要以焊接為主[7-8]。在膨脹波紋管膨脹過程中，由于焊縫與膨脹波紋管同時產(chǎn)生較大形變，因此焊縫的質(zhì)量對膨脹波紋管串的整體承壓能力有重要影響。如果膨脹波紋管串的承壓能力未達(dá)到要求，會嚴(yán)重影響后續(xù)作業(yè)，甚至造成井眼報廢[9]。膨脹波紋管的壁厚一般小于8.0 mm，采用4道模具一次冷壓成型[10]，成型后管體之間的形狀差異較大，對焊時平均錯邊量為2～3 mm，有的甚至達(dá)到4～5 mm，導(dǎo)致水力膨脹過程中焊縫處會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，容易造成焊縫密封失效。同時，受成型工藝影響，膨脹波紋管形狀的差異主要集中在變形量大的部位，而此處膨脹過程中受力更集中，對焊縫強度的要求更高。因此，減少錯邊量、提高端頭形狀的一致性,對于提高膨脹波紋管串的承壓能力十分重要。

采用端頭整形的方式可以提高端頭形狀的一致性，減少錯邊量，但在整形時存在整形工具難以進入和取出、整形精度不高、整形后膨脹波紋管管體強度降低等問題[11]。目前常用的整形工具主要有梨形脹管器、旋轉(zhuǎn)震擊整形器、偏心輥子整形器、多錐輥整形器、滾珠整形器、爆炸整形工具和電磁整形器等[12]，主要用于修復(fù)套管，但普遍存在著損傷套管、犧牲套管厚度、難以恢復(fù)原通徑等問題[13]。為了實現(xiàn)對口錯邊量控制在1 mm以內(nèi)、整形工具能夠順利進入與取出及整形后膨脹波紋管端頭強度不低于膨脹波紋管本體強度等目標(biāo)，筆者研制了一種三瓣楔形膨脹波紋管端頭整形裝置，取得了減小錯邊量、提高焊縫的質(zhì)量與強度和降低整形工具被卡風(fēng)險的良好效果，并在3口井進行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 端頭整形裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

膨脹波紋管端頭整形裝置的研制思路是：通過加熱提高膨脹波紋管的韌性，利用外模具固定膨脹波紋管端頭并限定其外部形狀；將內(nèi)模具設(shè)計成三瓣結(jié)構(gòu)，按順序逐漸進入端頭，可以以較小的作用力完成整形作業(yè)，提高端頭形狀的一致性，保證內(nèi)模具順利取出。

1.1 端頭整形裝置的結(jié)構(gòu)

端頭整形裝置主要由液壓機構(gòu)、加熱裝置、外模具和內(nèi)模具4部分組成(見圖1)。液壓機構(gòu)可為內(nèi)模具和外模具的運動提供水平和垂直方向的動力；加熱裝置采用感應(yīng)加熱，具有加熱均勻、溫度精確控制等特點，可快速將端頭均勻加熱到700 ℃以上；外模具的尺寸與膨脹波紋管端面的設(shè)計尺寸一致；內(nèi)模具分為上瓣、下瓣和楔形瓣，上瓣和下瓣通過推動塊與液壓裝置相連，楔形瓣一端尺寸小，有利于內(nèi)模具進入，另一端尺寸大，直接與液壓裝置相連，保證整形后膨脹波紋管端頭的尺寸達(dá)到要求。楔形瓣在整形過程中“后入先出”，可減小整形作用力，大幅度降低模具被卡的風(fēng)險，并降低對膨脹波紋管端頭性能的損傷。

圖1 膨脹波紋管端頭整形裝置的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of EPL restoration device

1.2 工作原理

膨脹波紋管在井下會產(chǎn)生較大形變，韌性是膨脹波紋管最重要的性能之一[14]。對膨脹波紋管端頭進行熱整形，不僅可以降低整形作用力，還可以提高膨脹波紋管端頭的強度、韌性和塑性。膨脹波紋管管體材料屬于碳素鋼，將熱整形溫度控制在750～800 ℃時，管體材料處于奧氏體和鐵素體兩相區(qū)，整形后不發(fā)生再結(jié)晶和相變，管體材料將保持變形時形成的沿變形方向延伸的晶粒結(jié)構(gòu)，管體的韌性更好[15-16]。

將加熱后的膨脹波紋管端頭完全放入外模具內(nèi)，利用液壓機構(gòu)推動上部外模具固定膨脹波紋管端頭，并限定其外部尺寸。將內(nèi)模具楔形瓣中尺寸小的一端與上瓣和下瓣的前端對齊，在推動塊的作用下，將內(nèi)模具緩慢推入端頭內(nèi)。當(dāng)上、下瓣完全進入端頭后，再推動楔形瓣，使楔形瓣中尺寸大的一端與上瓣和下瓣的后端對齊。為防止端頭形狀回彈，停留一段時間，再抽取楔形瓣，當(dāng)內(nèi)模具能整體活動時，取出整個內(nèi)模具，打開外模具，將膨脹波紋管移出，整形結(jié)束。

2 內(nèi)模具長度的優(yōu)化

膨脹波紋管端頭形狀改變時會給內(nèi)模具較大的反作用力，造成內(nèi)模具與端頭間的摩擦力增大，而且隨著溫度降低，鋼材的強度逐漸增大，兩者間的摩檫力會變得更大，內(nèi)模具在向外拔取時存在被卡住的風(fēng)險，如果只是增大內(nèi)模具的拉力，容易對管材造成損傷。內(nèi)模具設(shè)計成楔形結(jié)構(gòu)，能夠在基本不損傷管材性能的前提下，極大地降低摩擦力和模具被卡死的風(fēng)險。

在確定加熱溫度的前提下，整形過程中所需作用力主要由膨脹波紋管端面與內(nèi)模具端面形狀的差異、整形段的長度和內(nèi)模具的角度所決定。端面形狀的差異由膨脹波紋管成型過程所決定，難以掌控。內(nèi)模具兩端的尺寸確定后，內(nèi)模具的角度由其長度決定。因此，求取最佳整形段長(即內(nèi)模具長度)可降低整形作用力和模具被卡的風(fēng)險。

為了方便研究，將膨脹波紋管的端面分為凹槽、凸棱和外圓弧端面3部分(見圖2)，重點分析凹槽和凸棱的一致性。利用ABAQUS有限元分析軟件，模擬分析膨脹波紋管端頭整形過程的受力情況，采用剛體-變形體的接觸類型、面-面接觸方式進行分析，將內(nèi)模具剛性體當(dāng)作“目標(biāo)面”，膨脹波紋管當(dāng)作“接觸面”[17]，通過給定外模具的邊界條件，對接觸面劃分網(wǎng)格，控制目標(biāo)面的運動，求取端頭所受的擠壓力。

圖2 膨脹波紋管端面的劃分Fig.2 Classification of EPL ends

2.1 有限元模型的建立

以φ215.9 mm膨脹波紋管為例進行分析。φ215.9 mm膨脹波紋管管體的壁厚為8.0 mm，通過拓印膨脹波紋管成型后端頭的形狀，測量凹槽處和凸棱處的尺寸，選擇與設(shè)計尺寸差異較大的膨脹波紋管端頭建立有限元模型，如圖3(a)所示，整形后的端頭采用膨脹波紋管端面設(shè)計尺寸，如圖3(b)所示，根據(jù)設(shè)計的膨脹波紋管端面建立外模具的有限元模型。

通過分析不同內(nèi)模具長度下(內(nèi)模具兩端的尺寸如圖3所示)膨脹波紋管端頭所受的擠壓力，求取較優(yōu)的整形段長度，以降低膨脹波紋管端頭的應(yīng)力和內(nèi)模具與端頭間的摩擦力，防止損傷管體性能，并為液壓機構(gòu)的設(shè)計提供參考。為了減少計算量，將三瓣式內(nèi)模具的有限元模型簡化為漸變過渡的整體結(jié)構(gòu)[18]，分析內(nèi)模具逐漸進入端頭中的受力情況，如圖4所示。

圖3 膨脹波紋管端頭的形狀Fig.3 Configurations of EPL ends

圖4 膨脹波紋管和內(nèi)模具模型及整形過程受力分析Fig.4 Stress analysis for internal mold and end model during restoration

2.2 整形過程的內(nèi)模具受力分析

設(shè)內(nèi)模具長度分別為300，400，500，600，700和800 mm，求取膨脹波紋管端頭在外模具限定下，內(nèi)模具進入膨脹波紋管端頭過程中，膨脹波紋管端頭的最大應(yīng)力及其與內(nèi)模具間的摩擦力，結(jié)果見圖5和圖6。

由圖5可知，內(nèi)模具的長度與膨脹波紋管端頭的應(yīng)力成反比，即內(nèi)模具的長度越長，楔形斜率越小，膨脹波紋管端頭形狀變化越平緩，受到的應(yīng)力越小。

由圖6可知：內(nèi)模具長度為300，400和800 mm時，膨脹波紋管端頭與內(nèi)模具間的摩擦力較??；內(nèi)模具長度為500，600和700 mm時，膨脹波紋管端頭與內(nèi)模具間的摩擦力較大。摩擦力的大小主要由摩擦系數(shù)和壓力決定[19]，當(dāng)內(nèi)模具長度為800 mm時，其全部進入膨脹波紋管端頭時的摩擦力比較小，僅約為60 kN，這主要是由內(nèi)模具受到的壓力較小導(dǎo)致的。綜合內(nèi)模具所受的應(yīng)力及摩擦力，確定內(nèi)模具長度為800 mm。

圖5 膨脹波紋管端頭最大應(yīng)力與內(nèi)模具長度的關(guān)系Fig.5 Correlation between the maximum stress of EPL and length of internal mold

圖6 膨脹波紋管端頭與內(nèi)模具間摩擦力與內(nèi)模具進入端頭長度的關(guān)系Fig.6 Correlation between friction of EPL ends and internal mold penetration depth of EPL end

3 整形試驗及性能測試

3.1 端頭整形試驗

挑選形狀與設(shè)計尺寸差異大的φ215.9 mm膨脹波紋管端頭作為試驗對象。首先加熱φ215.9 mm膨脹波紋管端頭，接著用外模具包裹加熱后的端頭，將內(nèi)模具逐漸推入端頭，在內(nèi)模具的上瓣、下瓣完全進入端頭前，液壓裝置的推力小于50.0 kN，推動內(nèi)模具楔形瓣進入端頭時的最大作用力為74.5 kN；當(dāng)內(nèi)模具完全進入端頭后，停留約1 min，以防止端頭形狀回彈；保持內(nèi)模具的上、下瓣不動，向外抽取內(nèi)模具楔形瓣，當(dāng)拉力達(dá)到91.0 kN時產(chǎn)生相對位移，隨后拉力快速降至30.0 kN以內(nèi)，順利取出內(nèi)模具，打開外模具，完成端頭整形。

試驗過程中推動模具所需作用力與模擬分析中摩擦力的變化規(guī)律相一致，數(shù)值相差小于20%，表明模擬分析結(jié)果可以用于指導(dǎo)膨脹波紋管端頭整形裝置的設(shè)計。向外抽取內(nèi)模具楔形瓣時的拉力遠(yuǎn)大于向內(nèi)推動它時的推力，其原因是靜摩擦系數(shù)大于滑動摩擦系數(shù)，且隨著溫度降低，管材體積收縮、強度增大，內(nèi)模具所受壓力增大[20]。

整形前膨脹波紋管端頭凹槽處間距為53.8 mm，凸棱處外端面的間隙為154.1 mm，與設(shè)計端頭形狀相比有4～5 mm的錯邊量。整形后膨脹波紋管端頭凹槽處間距為62.9 mm，凸棱處外端面的間隙為163.6 mm，與設(shè)計端頭形狀相比，誤差在1 mm以內(nèi)。而且，整形后的端頭內(nèi)外表面光滑，無明顯壓痕和裂紋。

3.2 室內(nèi)膨脹試驗

為了驗證膨脹波紋管端頭整形后的承壓能力，截取2段管體，將整形后的端頭對焊到一起，另外兩端用盲板焊接封堵，并在盲板上預(yù)留進水口和出水口。為了減少膨脹過程凹槽對盲板的作用力，設(shè)置了限位圈和限位管，限制盲板處的變形量,從而降低了膨脹過程中盲板處破裂失效的風(fēng)險。室內(nèi)膨脹試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膨脹壓力達(dá)到38 MPa時，管串密封性保持完整，除去盲板的限位部分，其余部分都膨脹成圓形。隨后，又進行了3組相同的試驗，試驗結(jié)果一致?，F(xiàn)場應(yīng)用時，水力膨脹壓力一般為25 MPa，因此，膨脹波紋管端頭整形后的承壓能力完全滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。室內(nèi)試驗成功后，對100余個膨脹波紋管端頭進行了整形，每個端頭的整形時間都在10 min以內(nèi)，錯邊量均小于1 mm，而且未出現(xiàn)模具被卡的情況。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

膨脹波紋管在現(xiàn)場應(yīng)用時，如果不對其端頭進行整形，需要拓印端頭的形狀，選擇端頭形狀差別小的焊接在一起，以減小每道焊縫的錯邊量。膨脹波紋管端頭整形后，可以將任意2根膨脹波紋管焊接在一起，既能縮短對接焊接的時間、減小錯邊量和提高焊縫質(zhì)量，又可增大膨脹波紋管在長井段、彎曲井段等復(fù)雜井段中應(yīng)用的可靠性。

為了進一步驗證膨脹波紋管端頭采用整形裝置整形后的焊縫強度和膨脹波紋管管串承壓能力，對端頭整形后的膨脹波紋管在PG22井、DPT-112井和LP10H井等3口井的應(yīng)用情況進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。

表1 端頭整形后膨脹波紋管在3口井的應(yīng)用情況

從表1可以看出：端頭整形后的膨脹波紋管在封隔PG22井和DPT-112井定向井段易坍塌地層的應(yīng)用中，膨脹壓力達(dá)到32 MPa，膨脹波紋管管串也始終保持著密封的完整性；在LP10H井封隔惡性漏失地層的應(yīng)用中，無論是在水力膨脹過程中還是后續(xù)鉆進提高鉆井液密度時，膨脹波紋管管串均未出現(xiàn)密封失效的情況。這表明，膨脹波紋管在應(yīng)用整形裝置對端頭進行整形后，提高了焊縫的強度和膨脹波紋管管串的承壓能力。

5 結(jié)論與建議

1) 膨脹波紋管端頭整形裝置可對膨脹波紋管加熱，提高膨脹波紋管管體的韌性；利用外模具固定膨脹波紋管端頭，內(nèi)模具采用三瓣楔形結(jié)構(gòu)可以降低整形作用力和模具被卡的風(fēng)險，且不損傷膨脹波紋管管體的性能。

2) 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用表明，利用膨脹波紋管端頭整形裝置對端頭進行整形，可以縮短焊接時間、提高焊縫的質(zhì)量和強度及膨脹波紋管管串的承壓能力，降低整形工具被卡的風(fēng)險。

3) 膨脹波紋管端頭整形工藝和模具設(shè)計等方面還存在著優(yōu)化空間，應(yīng)繼續(xù)開展相關(guān)研究，以進一步降低端頭形狀的差異性，提高膨脹波紋管管串的整體性能。

4) 膨脹波紋管端頭整形裝置為解決異形管體間形狀差異性大的問題提供了借鑒，可進一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。

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[編輯 劉文臣]

The Development and Application of Restoration Device for Expandable Profile Liner Ends

LIU Peng1,2，XIA Bairu1，CHENG Guangming2,LIU Xiaodan2

(1.CollegeofEngineeringandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing，100083,China;2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China)

The ends of expandable profile liners are characterized by significant differences in configurations.Unaligned butts during welding results in seam low strength.In order to improve the alignment of the ends and the stability of the weld seam,a restoration device for the expandable profile liner(EPL) has been developed.By optimizing the shaping temperature and reducing restoration force,the toughness of the EPL can be improved effectively.Through optimization of the length of the restoration section,it is possible to reduce the risk of getting stuck.An inner mold with three valves reduced the possibility of stuck risks by allocating stress.The geometric configuration of the inner mold was optimized through a stress distribution analysis.Experimental results and field application results showed that the device has the advantages of high restoration precision,reduced restoration force,reduced friction and better anti-sticking.From the initial design,the alignment of butt weld can be reduced to less than 1 mm after the restoration from 4-5 mm before the restoration resulting in a greatly improved weld stability for the end restoration.The restoration device can improve the abilityand reliability of the EPL to pack complex formations.

solid expandable profile liner;end restoration;welding;finite element method

2017-02-22；改回日期：2017-05-05。

劉鵬(1982-)，男，山東煙臺人，2005年畢業(yè)于重慶大學(xué)光電工程專業(yè)，在讀博士研究生，工程師，主要從事井下工具及儀器的研發(fā)工作。E-mail:liupeng.sripe@sinopec.com。

中國石化科技攻關(guān)項目“塔河油田深部復(fù)雜層段側(cè)鉆技術(shù)研究”(編號：P12072)資助。

10.11911/syztjs.201703014

TE929

A

1001-0890(2017)03-0077-06