膨脹尾管懸掛器金屬嚙合實驗及仿真

陳喜春，趙 凱，宋 剛

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222;2.四川儀表工業(yè)學(xué)校，重慶400702;3.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083;4.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000)

0 引言

膨脹尾管懸掛器是以膨脹管技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種應(yīng)用于尾管固井的新型尾管懸掛器。膨脹尾管懸掛器主要由膨脹錐、膨脹尾管、中心管、橡膠環(huán)等組成。其基本工作原理是：將懸掛器下入到井下預(yù)定位置后，利用液壓的方式驅(qū)使膨脹錐沿中心管軸線移動，當(dāng)膨脹尾管進(jìn)入塑性變形區(qū)域時會發(fā)生徑向變形，管柱直徑變大，進(jìn)而將金屬環(huán)和橡膠環(huán)擠壓在膨脹尾管與外層套管之間，由金屬環(huán)與外層套管之間嚙合來提供懸掛力，由橡膠環(huán)提供密封功能，橡膠環(huán)也可提供輔助的懸掛力，懸掛前后對比如圖1所示。

近年來隨著深井超深井的增多，井下極端環(huán)境也越來越多，如高溫高壓、高含腐蝕介質(zhì)等情況，在這些環(huán)境中橡膠材料原本的特性將會發(fā)生變化，如果不增加金屬環(huán)，單純用橡膠環(huán)提供懸掛力，就會使尾管懸掛器喪失原有功能，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

圖1 懸掛前后對比示意圖

(1)高溫(部分井達(dá)到了200℃以上)高壓的工況使橡膠強度或彈性下降;

(2)含有腐蝕介質(zhì)的井越來越多，高酸性、高含硫的極端環(huán)境的存在，強酸性環(huán)境使橡膠材料體積膨脹，強度急劇下降，硫在高溫高壓條件下使橡膠材料變硬變脆，發(fā)生老化失去彈性;

(3)尾管長、懸掛負(fù)荷大，過大的懸掛負(fù)荷造成膨脹尾管懸掛器中的橡膠發(fā)生蠕動，甚至破壞。

在某些科學(xué)鉆井和地質(zhì)勘探鉆井中采用不固井懸掛尾管，這無疑對懸掛器的性能提出了更高的要求。如果懸掛和密封功能同時單獨由橡膠環(huán)提供，在面對上述問題時可能會發(fā)生密封元件失效和懸掛失效的情況。在本文介紹的懸掛器中，金屬環(huán)主要提供懸掛力，橡膠環(huán)主要起密封作用，同時可以輔助懸掛，這樣橡膠環(huán)的剪切變形大為減小，剪切破壞的可能性大大降低，而且由金屬環(huán)與外層套管形成的嚙合更加穩(wěn)定、可靠。本文將通過改變金屬環(huán)的各參數(shù)對其所能提供的懸掛力進(jìn)行研究。

1 室內(nèi)實驗

本文將針對膨脹尾管懸掛器中金屬環(huán)能夠提供的懸掛力進(jìn)行實驗研究。在該實驗中，金屬環(huán)影響懸掛力的主要參數(shù)為金屬環(huán)形狀(見圖2)和膨脹后的過盈量。

圖2 金屬環(huán)形狀

膨脹尾管及外層套管規(guī)格見表1。

表1 室內(nèi)實驗膨脹尾管及外層套管規(guī)格

從圖1中可知，膨脹尾管在膨脹前需要放置膨脹錐，膨脹錐外徑大于膨脹尾管內(nèi)徑，因此在膨脹前需將膨脹尾管端部進(jìn)行預(yù)膨脹從而形成膨脹錐頭腔。膨脹錐頭腔如圖3所示，預(yù)膨脹裝置如圖4所示。

圖3 膨脹錐頭腔示意圖

圖4 預(yù)膨脹裝置

1.1 實驗步驟

(1)利用預(yù)膨脹裝置對膨脹尾管進(jìn)行預(yù)膨脹，在其一端得到膨脹錐頭腔，為膨脹錐預(yù)留起始放置空間;

(2)在膨脹尾管內(nèi)壁涂抹潤滑脂;

(3)用熱裝的方法在膨脹尾管外壁套上金屬環(huán)，或者采用膨脹尾管與金屬環(huán)整體式加工的方法，2種方法效果如圖5所示;

圖5 金屬環(huán)結(jié)構(gòu)形式

(4)將膨脹錐放入膨脹錐頭腔中，將膨脹錐內(nèi)部流體通道與泥漿泵連接，利用焊接的方法將膨脹錐頭腔口封住，如圖6所示;

圖6 膨脹錐、膨脹尾管及管路連接示意圖

(5)將膨脹尾管與外層套管配對安裝，利用泥漿泵對膨脹錐頭腔打壓，實現(xiàn)懸掛，實物如圖7所示。

圖7 實驗實物圖

1.2 實驗結(jié)論

1.2.1 不同金屬環(huán)形狀對懸掛力的影響

分別選取圖2所示的3種金屬環(huán)形狀，在同等過盈量和寬度的條件下，平型金屬環(huán)所需液壓力最大，凸型金屬環(huán)次之，尖型金屬環(huán)最小。平型金屬環(huán)給設(shè)備帶來的負(fù)荷較大，在其他選型滿足條件的情況下盡量不予選用;尖型金屬環(huán)尖端在懸掛中容易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致過盈量變小，進(jìn)而導(dǎo)致懸掛力變小，而凸型金屬環(huán)不會出現(xiàn)此類情況，且凸型金屬環(huán)可與外層套管形成咬合(如圖8所示)，使懸掛更為可靠。因此，選用適當(dāng)齒尖寬度的凸型金屬環(huán)既可以減小設(shè)備負(fù)荷，又可以得到足夠的懸掛力。

由實驗結(jié)果可得出結(jié)論：凸型金屬環(huán)為最佳方案。

圖8 金屬環(huán)與外層套管咬合痕跡

1.2.2 金屬環(huán)過盈量對懸掛力的影響

采用凸型金屬環(huán)，分別選取過盈量為1.1、1.3、1.5 mm的金屬環(huán)進(jìn)行實驗。從實驗結(jié)果可知，過盈量1.1 mm的金屬環(huán)沒有實現(xiàn)良好嚙合，使用較小的力即可將膨脹尾管與外層套管分離，經(jīng)分析得知是管壁加工誤差和膨脹過程中膨脹尾管壁厚變小造成的。過盈量等于1.3、1.5 mm的金屬環(huán)形成了可靠嚙合(如圖9所示)。

圖9 過盈量為1.3 mm的金屬環(huán)形成了可靠的嚙合

最終選取金屬環(huán)過盈量分別為1.2、1.3、1.4 mm的方案進(jìn)行懸掛力測試，其它參數(shù)為：金屬環(huán)形狀為凸型，個數(shù)為4個，寬度為20 mm，金屬環(huán)間隔50 mm，安裝形式為熱裝式。結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2 懸掛力測試

實驗結(jié)論：金屬環(huán)膨脹后過盈量可以使外層套管發(fā)生塑性變形，形成金屬環(huán)與外層套管之間的嚙合，進(jìn)而得到懸掛力。由表2可知，3種方案均可滿足要求，但是出于安全和減小設(shè)備負(fù)荷等因素考慮，認(rèn)為過盈量1.3 mm為最佳。

2 仿真實驗

膨脹尾管懸掛器的工作過程涉及金屬材料的塑性變形、橡膠材料的變形、各部件之間的接觸，屬于高度非線性問題，采用傳統(tǒng)的理論計算方法很難對該過程進(jìn)行分析。近年來計算機數(shù)值分析發(fā)展迅速，越來越多的工程技術(shù)人員采用計算機仿真的方式對工程實踐進(jìn)行指導(dǎo)。膨脹尾管懸掛器起著懸掛與密封的作用，在圖1所示的懸掛器中，金屬環(huán)主要提供懸掛力，橡膠環(huán)主要起密封和輔助懸掛作用。筆者利用ansys ls－dyna非線性有限元軟件對懸掛器金屬環(huán)工作機理進(jìn)行了仿真分析，通過改變金屬環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)得到懸掛力數(shù)值。

2.1 建立模型

仿真實驗?zāi)Ｐ椭饕膳蛎涘F，膨脹尾管，外層套管組成。膨脹尾管及外層套管規(guī)格見表1。

選擇2D SOLID162軸對稱單元，建立軸對稱模型，這樣可以大大減少計算時間。將膨脹錐視為剛體，膨脹尾管和外層套管采用塑性模型。由于在工作過程中膨脹錐受到極大的界面應(yīng)力，要求強度大，硬度高，耐磨損，而剛體模型在計算中不會發(fā)生形變，并且可以減少計算時間，將膨脹錐定義為剛體是符合實際要求的。膨脹尾管及外層套管材料參數(shù)見表3。

表3 膨脹尾管及外層套管材料參數(shù)

2.2 載荷與邊界條件

(1)膨脹尾管預(yù)膨脹端面限制所有節(jié)點的所有自由度;

(2)給膨脹錐施加0.1 m/s恒定速度，方向沿y軸負(fù)方向;

(3)膨脹結(jié)束前，外層套管端部限制y向自由度，膨脹結(jié)束后去除其y向自由度的限制，并施加沿y軸正向推力;

(4)設(shè)定鋼鐵之間的摩擦系數(shù)為0.1;

(5)仿真實驗中認(rèn)為所有材料質(zhì)地均勻且各向同性。

2.3 仿真實驗結(jié)論

仿真實驗將從金屬環(huán)形狀、膨脹后過盈量、金屬環(huán)寬度B三個方面對金屬環(huán)能夠提供的懸掛力進(jìn)行分析。

懸掛器工作過程如圖10所示。

圖10 懸掛器工作過程

2.3.1 金屬環(huán)形狀變化模擬分析

選取圖2中尖型和凸型金屬環(huán)進(jìn)行仿真實驗，其它參數(shù)為：金屬環(huán)膨脹后過盈量為1.3 mm，個數(shù)為4個，金屬環(huán)寬度B為20 mm，間隔P為50 mm，得到結(jié)果如圖11、圖12、表4所示。

圖11 懸掛力測試結(jié)果

圖12 膨脹力測試結(jié)果

表4 金屬環(huán)形狀對懸掛力的影響

圖11為套管軸向受力圖，5 s后出現(xiàn)的尖峰即使金屬環(huán)與套管脫離所需要的最大力，圖12為膨脹力結(jié)果，具體數(shù)值見表4。從表4中可以看出尖型金屬環(huán)所能提供的懸掛力比凸型金屬環(huán)大，同時所需膨脹力峰值也較小，但是由于有限元軟件的局限性，在該有限元模型中不會出現(xiàn)室內(nèi)實驗中牙尖塑性變形和明顯的金屬咬合，因此，關(guān)于金屬環(huán)形狀的結(jié)論以室內(nèi)實驗為準(zhǔn)，選擇凸型。

2.3.2 金屬環(huán)過盈量變化模擬分析

實驗參數(shù)：金屬環(huán)形狀為凸型，個數(shù)為4個，金屬環(huán)寬度B為20 mm，間隔P為50 mm。本實驗設(shè)定單邊膨脹量為7.5 mm，現(xiàn)令過盈量分別等于1.2、1.3、1.4、1.5 mm，金屬環(huán)外徑對應(yīng)的膨脹后的數(shù)值分別為 153.2、153.3、153.4、153.5 mm，而套管內(nèi)壁直徑為152 mm，這樣就可以形成一個金屬與金屬的嚙合來提供懸掛力。然而在實際中管壁會變薄，過盈量設(shè)置不當(dāng)可能不會形成嚙合，這就需要通過實驗來具體確定其可靠性。從表5中可以看出，4種情況全部符合要求，隨著過盈量的增大膨脹力和懸掛力也在增大，而且這種增長是非線性的，過盈量為1.5 mm時懸掛力增長的比例很大。這樣可以根據(jù)實際需要設(shè)置過盈量的數(shù)值，但同時要考慮膨脹液壓力和外層套管的塑性變形，過大的過盈量會導(dǎo)致以下幾個問題：(1)現(xiàn)場設(shè)備無法提供足夠的液壓力進(jìn)行膨脹作業(yè);(2)金屬環(huán)外徑大于膨脹尾管外徑，懸掛器下入過程容易遇阻;(3)外層套管塑性變形過大損傷套管外層水泥環(huán)。

表5 金屬環(huán)過盈量對懸掛力造成的影響

2.3.3 金屬環(huán)寬度變化模擬分析(見表6)

實驗參數(shù)：金屬環(huán)個數(shù)為4個，金屬環(huán)寬度B為20 mm，間隔P為50 mm，過盈量為1.3 mm，采用凸型金屬環(huán)，令金屬環(huán)寬度分別為10、20、30 mm進(jìn)行實驗。

表6 金屬環(huán)寬度對懸掛力的影響

膨脹力和懸掛力隨著金屬環(huán)寬度增大而增大，因此在實際中應(yīng)將金屬環(huán)寬度設(shè)定在適宜范圍內(nèi)。

2.4 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明，在同等情況下：凸型金屬環(huán)能減小設(shè)備負(fù)荷、提供足夠的懸掛力，是金屬環(huán)形狀最佳方案;金屬環(huán)過盈量為1.3 mm，金屬環(huán)寬度為20 mm時液壓力適中，同時懸掛力在安全范圍內(nèi)，選為最佳方案。

3 結(jié)論

(1)由室內(nèi)實驗可知，在膨脹尾管懸掛器中選擇適當(dāng)參數(shù)的金屬環(huán)可以提供足夠的懸掛力，同時避免了橡膠環(huán)在井下高溫高壓高含腐蝕介質(zhì)等極端條件下懸掛失效的情況，另外，在此類極端條件下金屬環(huán)盡量選用不銹鋼代替普通鋼材。

(2)金屬環(huán)上加工絲扣可以降低膨脹所需液壓力，且凸型金屬環(huán)可以形成可靠的懸掛。

(3)金屬環(huán)過盈量是影響懸掛力最主要的參數(shù)，懸掛力隨過盈量的增大而增大，但是現(xiàn)場設(shè)備所能提供的液壓力、套管外層水泥環(huán)限制了過盈量的增大，過大的過盈量還可能導(dǎo)致入井遇阻，因此，實際作業(yè)中應(yīng)綜合考慮各因素確定該數(shù)值大小。

(4)懸掛力與金屬環(huán)寬度成正相關(guān);金屬環(huán)間隔存在最佳值范圍，適當(dāng)?shù)拈g隔可以在不增大膨脹液壓力的情況下提高懸掛力。

(5)金屬環(huán)式膨脹尾管懸掛器膨脹過程所需膨脹力較大，不適合于滾輪式機械膨脹;金屬環(huán)式膨脹尾管懸掛器利用金屬環(huán)與外層套管形成的嚙合提供懸掛力，不適合于裸孔膨脹。

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