張 峰,劉樹(shù)峰,王旱祥*

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580

2.中國(guó)石化股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院,山東 東營(yíng) 257067

目前，篩管完井已成為水平井的主要開(kāi)發(fā)方式之一[1]，隨著開(kāi)發(fā)的不斷深入，高強(qiáng)度注汽、地層出砂、腐蝕等多種措施因素導(dǎo)致篩管完井套損井比例逐步增加，完井篩管破損治理一直是困擾套損井高效快速修復(fù)的難題[2]。套損類(lèi)型以完井篩管破損為主，完井篩管失效后，井筒嚴(yán)重出砂，導(dǎo)致油井產(chǎn)液量急劇下降，油氣井不能正常生產(chǎn)，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致井下和地面設(shè)備嚴(yán)重磨損，縮短設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致套管損壞、油井報(bào)廢等。另外出砂導(dǎo)致井內(nèi)管柱砂埋，注汽等措施管柱打撈困難，造成油井停產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，嚴(yán)重制約油田的高效開(kāi)發(fā)。

針對(duì)篩管破裂、銹蝕穿孔的問(wèn)題，現(xiàn)今缺少較為成熟的破損失效篩管內(nèi)補(bǔ)貼技術(shù)[3]。目前，篩管破損治理技術(shù)以管內(nèi)懸掛小直徑防砂管充填防砂或卡封封隔臨時(shí)生產(chǎn)兩種方式為主[4]，存在有效期短，內(nèi)通徑小，液量下降快等問(wèn)題。內(nèi)補(bǔ)貼技術(shù)以波紋管補(bǔ)貼和膨脹管修復(fù)為主，主要原理是使用錐體膨脹[5]，壓平膨脹管或波紋管，補(bǔ)貼管本身外徑較大，在篩管完井的水平井下入困難，難以使修補(bǔ)管和內(nèi)壁緊密貼合，施工復(fù)雜、成本高，成功率較低[6]。

液壓成形技術(shù)的“純粹液壓”應(yīng)用到篩管內(nèi)部補(bǔ)貼中，可實(shí)現(xiàn)篩管和補(bǔ)貼材料永久塑性變形，可靠補(bǔ)貼[7]。高膨脹比補(bǔ)貼材料可選取常規(guī)鋼材取代膨脹管和波紋管，具有內(nèi)通徑大、不影響液量、有效期長(zhǎng)、成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。開(kāi)展篩管內(nèi)液壓成形膨脹補(bǔ)貼技術(shù)研究，尤其是篩選出適用于液壓成形補(bǔ)貼技術(shù)的補(bǔ)貼管材料，可大幅度提升破漏篩管的補(bǔ)貼效果，進(jìn)一步完善套損井快速修復(fù)技術(shù)系列，提高套損井治理效率，對(duì)于開(kāi)展新的篩管破損修復(fù)技術(shù)研究具有重要理論和實(shí)踐意義。本文基于井下篩管補(bǔ)貼修復(fù)工藝參數(shù)需求，建立井下篩管液壓成形補(bǔ)貼模型，篩選補(bǔ)貼管材料，并對(duì)其成形性能進(jìn)行分析，以期為井下篩管液壓成形膨脹補(bǔ)貼技術(shù)提供參考。

1 補(bǔ)貼管材料初選

補(bǔ)貼管材料性能直接影響井下篩管液壓成形膨脹補(bǔ)貼技術(shù)的施工工藝和補(bǔ)貼修復(fù)質(zhì)量，由于液壓成形膨脹補(bǔ)貼全部是在井下密閉復(fù)雜的篩管內(nèi)部完成，補(bǔ)貼管材料性能還需要受到井下工況和補(bǔ)貼工具施工等條件約束。以7 in 篩管內(nèi)所需補(bǔ)貼管為例，篩管基管外徑177.8 mm，10.36 mm 壁厚內(nèi)徑157.1 mm。根據(jù)調(diào)研及數(shù)模篩選，初選304L 不銹鋼、321 不銹鋼、TRIP780 鋼作為補(bǔ)貼管材料，三種材料的參數(shù)如表1。

表1 補(bǔ)貼管材料參數(shù)Table 1 Material parameters of patch tubular

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)要求

由于水平井特殊井身軌跡，為滿足7 in 篩管管內(nèi)補(bǔ)貼管柱的可下入性[8]，需要綜合考慮補(bǔ)貼管的外徑和長(zhǎng)度。以及補(bǔ)貼完成后可通過(guò)性。根據(jù)圖1 以及公式（1）計(jì)算確定補(bǔ)貼管參數(shù)，補(bǔ)貼管壁厚4～7 mm，初始直徑130～137 mm，補(bǔ)貼完成后內(nèi)徑大于145 mm。

圖1 入井工具幾何關(guān)系圖Fig.1 Geometric relationship diagram of well entry tools

1.2 力學(xué)性能要求

以7 in 篩管為例，篩管基管外徑177.8 mm，內(nèi)徑157.1 mm；補(bǔ)貼管外徑（d）140 mm，壁厚（t）2～7 mm；工件截面最小過(guò)渡圓角半徑（rc）20 mm。按照理論公式（2）、（3）分別計(jì)算補(bǔ)貼管初始屈服壓力（Ps）和整形壓力（Pc）。

初速屈服壓力：

d為補(bǔ)貼管外徑，t為壁厚，σs為材料屈服強(qiáng)度。

整形壓力：

rc工件截面最小過(guò)渡圓角半徑。

根據(jù)圓管失穩(wěn)[9]計(jì)算公式（4），補(bǔ)貼管成形后直徑（忽略減薄）159.4 mm，壁厚大于4 mm 時(shí)，三種材料均能達(dá)到補(bǔ)貼管抗擠毀強(qiáng)度。

D為補(bǔ)貼管成形后直徑，E為彈性模量，μ為泊松比。

1.3 膨脹率要求

補(bǔ)貼管從初始階段到完全成形，以補(bǔ)貼管初始最大外徑為145 mm、最小外徑138 mm 為例，7 in篩管內(nèi)成形后外徑為159.4 mm，根據(jù)補(bǔ)貼管材料膨脹率計(jì)算公式（5）、（6），補(bǔ)貼管材料最小延伸率需大于9.93%，最大延伸率需大于15.50%。304L 不銹鋼、321 不銹鋼、TRIP780 鋼，三種材料延伸率均大于40%，均滿足補(bǔ)貼管材料膨脹率要求。

2 補(bǔ)貼管液壓成形模型建立及評(píng)價(jià)方案

2.1 補(bǔ)貼管液壓成形模型

建立7 in 補(bǔ)貼管液壓成形有限元仿真模型，對(duì)三種材料分別建立成形模型。補(bǔ)貼管軸向?qū)ΨQ(chēng)，選取軸向一段簡(jiǎn)化計(jì)算[10]，忽略篩管割縫影響并簡(jiǎn)化為圓筒剛體。補(bǔ)貼管采用實(shí)體單元，模具采用剛體單元，上推頭和下推頭采用剛體單元，如圖2。由于補(bǔ)貼管塑性變形較大，為防止模擬時(shí)網(wǎng)格穿透，劃分網(wǎng)格時(shí)下模最大尺寸為3，最小尺寸為1.0。模型其他部分的網(wǎng)格劃分均采用20 的最大尺寸和5 的最小尺寸。r

圖2 補(bǔ)貼管液壓成形模型Fig.2 Hydroforming model of patch tubula

篩管與補(bǔ)貼管采用FORMING ONE WAY SURFACE TO SURFACE 的面與面的接觸算法，約束篩管、上推頭、下推頭均為靜止，且上推頭和下推頭無(wú)軸向推力。補(bǔ)貼管液壓成形適用于薄壁管內(nèi)高壓，材料模塊采用*MAT_36 材料模型。

2.2 補(bǔ)貼管材料評(píng)價(jià)方案

補(bǔ)貼管成形過(guò)程受材料接觸非線性、材料非線性和幾何非線性的復(fù)雜影響，成形過(guò)程并不均勻，分析補(bǔ)貼管材料成形壓力、成形性能，分別從成形過(guò)程中成形壓力、成形效果、材料減薄、回彈等綜合比較研究所篩選材料，通過(guò)成形效果評(píng)價(jià)篩選補(bǔ)貼管材料。

首先通過(guò)成形狀態(tài)圖為初步判斷標(biāo)準(zhǔn)；壁厚4 mm 外徑140 mm 321 不銹鋼補(bǔ)貼管分別在10～60 MPa 壓力加載曲線下成形，從圖3 可見(jiàn)，在40 MPa 加載壓力下，補(bǔ)貼管已經(jīng)完成成形?？梢源顺醪酱_定4 mm 厚度321 不銹鋼補(bǔ)貼管的成形壓力應(yīng)在40 MPa 以下。

圖3 補(bǔ)貼管成形狀態(tài)圖Fig.3 Forming state diagram of patch tubular

其次通過(guò)選取補(bǔ)貼管上、中、下三個(gè)節(jié)點(diǎn)為判斷節(jié)點(diǎn)，在仿真成形過(guò)程中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處補(bǔ)貼管壁厚不再減小，如圖4，判定補(bǔ)貼完成。以1000 mm 長(zhǎng)度為例，在0～50 MPa 成形壓力過(guò)程分為50 幀線性加載壓力，當(dāng)?shù)?2 幀即32 MPa 工作壓力時(shí)補(bǔ)貼管上、中、下三個(gè)判斷節(jié)點(diǎn)壁厚不再減少，判定補(bǔ)貼管成形完成，4 mm 厚度321 不銹鋼的成形壓力為32 MPa。

圖4 補(bǔ)貼管壁厚節(jié)點(diǎn)圖Fig.4 Wall thickness joint of patch tubular

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 三種材料成形壓力結(jié)果分析

根據(jù)成形極限圖和成形狀態(tài)圖以及材料成形評(píng)價(jià)方案，綜合確定三種材料在壁厚2～7 mm 下的成形壓力，如圖5。隨著補(bǔ)貼管壁厚的增加，三種材料的成形壓力均不斷增大，其中TRIP780 鋼成形壓力遠(yuǎn)大于304L 和321 兩種不銹鋼材料，在5 mm 厚度時(shí)成形壓力既已達(dá)到70 MPa；304L 不銹鋼成形壓力與321 不銹鋼成形壓力接近，但304L 不銹鋼成形壓力稍高于321 不銹鋼；綜合分析三種材料中321 不銹鋼材料成形壓力相對(duì)較小，最易于成形。

圖5 不同壁厚成形壓力Fig.5 Forming pressure of different wall thickness

3.2 三種材料減薄率結(jié)果分析

由補(bǔ)貼管成形過(guò)程兩端受到壓模作用力、成形壓力、壁厚以及不同材料金屬流動(dòng)性影響容易產(chǎn)生壁厚不均勻，而補(bǔ)貼管中間截面成形壁厚均勻，更能夠代表補(bǔ)貼管成形后壁厚變化情況。所以分別選取三種材料2～7 mm 壁厚成形后中間截面十個(gè)節(jié)點(diǎn)處壁厚，求取平均值來(lái)作為補(bǔ)貼管成形壁厚，并計(jì)算三種材料不同厚度的補(bǔ)貼管成形后的減薄率，減薄率越小，說(shuō)明補(bǔ)貼管成形后壁厚變化越小，如圖6 所示。隨著補(bǔ)貼管壁厚的增加，三種材料的減薄率均有下將趨勢(shì)，其中TRIP780 鋼減薄率相對(duì)較大；304L 不銹鋼和321 不銹鋼在不同厚度補(bǔ)貼管減薄率區(qū)別不明顯，且在7 mm 壁厚時(shí)，304L不銹鋼和321 不銹鋼減薄率均減小明顯。

圖6 不同壁厚減薄率Fig.6 Thinning rate of different wall thickness

3.3 三種材料回彈結(jié)果分析

管件在液壓成形過(guò)程中的回彈會(huì)受成形壓力、補(bǔ)貼管壁厚、補(bǔ)貼管形狀、材料屈服強(qiáng)度、彈性模量等多種因素的影響。補(bǔ)貼管材料回彈量過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響補(bǔ)貼管的貼合強(qiáng)度，以及產(chǎn)生回彈褶皺缺陷。井下篩管補(bǔ)貼過(guò)程中需要選取回彈量較小的補(bǔ)貼管材料并通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)進(jìn)一步補(bǔ)償回彈量，盡量減少回彈對(duì)補(bǔ)貼的影響。

三種材料分別在2～7 mm 壁厚下建立回彈分析模型，成形壓力過(guò)程分為50 幀線性加載壓力，最大成形壓力根據(jù)圖5 確定，模型成形完成后設(shè)置1s 保壓時(shí)間后，將成形壓力降低為0。設(shè)置成形壓力過(guò)程第50 幀作為參考幀，通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算成形壓力為0 后與參考幀的回彈距離作為材料的回彈量。在回彈分析模型中補(bǔ)貼管軸向上等間隔選取20 個(gè)節(jié)點(diǎn)上的回彈量，對(duì)比分析三種材料不同壁厚的液壓成形回彈情況，如圖7-9。

圖7 321 不銹鋼不同壁厚節(jié)點(diǎn)回彈Fig.7 Springback Analysis of SUS321 joints with different wall thickness

圖8 304L 不銹鋼不同壁厚節(jié)點(diǎn)回彈Fig.8 Springback analysis of SUS304L joints with different wall thickness

圖9 TRIP780 鋼不同壁厚節(jié)點(diǎn)回彈Fig.9 Springback analysis of TRIP780 joints with different wall thickness

4 結(jié)論

（1）隨補(bǔ)貼管壁厚增大，三種材料液壓成形壓力均增大，TRIP780 鋼成形壓力遠(yuǎn)大于304L 和321 兩種不銹鋼材料，321 不銹鋼材料成形壓力相對(duì)較小，最易于成形；

（2）三種材料隨著補(bǔ)貼管壁厚的增加，三種材料的減薄率均有下將趨勢(shì)，井下篩管液壓成形過(guò)程中適當(dāng)增大補(bǔ)貼管壁厚有利于成形減?。谎a(bǔ)貼管中間段回彈量小于兩端回彈量，且隨壁厚增大，回彈量增大，但回彈量增長(zhǎng)倍數(shù)小于壁厚增長(zhǎng)倍數(shù)，有減少趨勢(shì)；

（3）綜合分析TRIP780 鋼、304L 不銹鋼和321 不銹鋼三種材料，321 不銹鋼適合作為井下篩管液壓成形補(bǔ)貼管材料。