基于金屬密封的膨脹管懸掛力試驗(yàn)研究

楊曉莉（中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100083）

·實(shí)驗(yàn)研究·

基于金屬密封的膨脹管懸掛力試驗(yàn)研究

楊曉莉
（中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100083）①

針對膨脹管脹后與套管結(jié)合效果差，懸掛能力弱等問題，提出了金屬密封結(jié)構(gòu)。在厚壁圓筒理論基礎(chǔ)上推導(dǎo)了膨脹管懸掛力計算公式，利用ABAQUS模擬了膨脹管與套管在不同過盈量條件下膨脹力與懸掛力的變化規(guī)律，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：脹后膨脹管與套管之間過盈量是懸掛力的決定因素；但是隨著過盈量的增加，懸掛力的增幅與膨脹力的增幅并非正相關(guān)，因此有必要根據(jù)材料特性找到膨脹力與懸掛力相對最優(yōu)的閥值；研究結(jié)果可以作為膨脹管現(xiàn)場施工設(shè)計的參考依據(jù)。

膨脹管；懸掛力；過盈量；試驗(yàn)

膨脹管技術(shù)是鉆井工程領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)［1-5］，被業(yè)界認(rèn)為是21世紀(jì)鉆井行業(yè)的核心技術(shù)之一。目前該技術(shù)廣泛應(yīng)用于套管補(bǔ)貼以及尾管懸掛等領(lǐng)域，表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。膨脹管沿徑向發(fā)生塑性變形后通常不與套管直接接觸，而是依靠硫化在管體表面韌性較好的橡膠懸掛在套管上。但是橡膠在高溫高壓環(huán)境，特別是膨脹管承受較大懸掛力條件下容易失效。因此有必要使用其他材料進(jìn)行替代［6-7］。金屬密封件能夠有效提高膨脹管的耐溫、耐壓性能以及懸掛力，但是其韌性較差，在與套管發(fā)生貼合的過程中極易導(dǎo)致膨脹管壓力上升，不利于安全作業(yè)。本文在厚壁圓筒理論基礎(chǔ)上推導(dǎo)了膨脹管懸掛力計算公式，利用ABAQUS模擬了膨脹管與套管在不同過盈量條件下膨脹力與懸掛力的變化規(guī)律，最后進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　膨脹管懸掛力計算與ABAQUS分析

1.1 膨脹管懸掛力理論分析

由于脹后膨脹管與套管之間的貼合是依靠金屬環(huán)與套管內(nèi)壁的過盈配合實(shí)現(xiàn)，可以利用組合厚壁圓筒理論從過盈配合的角度對懸掛力進(jìn)行分析［8-10］。圖1為一厚壁圓筒，內(nèi)徑為a，外徑為b，其中qa和qb分別為圓筒所受內(nèi)壓和外壓，抽取半徑為r、r＋d r的2個圓面和夾角為dθ的相鄰徑向面圍成的單元體cdef，單元體放大圖如圖1。由于變形相對于軸線對稱，所以各點(diǎn)徑向位移只與半徑r有關(guān)。變形后單元體cf邊移到cf，de邊移到d′e′，周向應(yīng)變?yōu)?/p>

c點(diǎn)徑向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

圖1　金屬環(huán)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)

圖2為單元體應(yīng)力狀態(tài)圖。其中σr、σθ分別為單元體徑向和周向應(yīng)力，只與半徑r有關(guān)，且兩個周向應(yīng)力相等，cf面上的正應(yīng)力為σr，de面上的正應(yīng)力為（σr＋dσr），無剪應(yīng)力，將作用于單元體上的內(nèi)力投影于坐標(biāo)r，得：

圖2　單元體受力狀態(tài)

根據(jù)廣義虎克定律，可以得位移通解：

式中：A，B為系數(shù)。

將式（4）代入式（3）可得應(yīng)力表達(dá)式：式中：E為膨脹管材料彈性模量。

確定積分常數(shù)的邊界條件，即r＝a時，σr＝－qa，r＝b時，σr＝－qb，可得應(yīng)力表達(dá)式如下：

最終可得配合壓力表達(dá)式：懸掛力表達(dá)式：

式中：r為配合公稱半徑；l為配合長度；f為摩擦因數(shù)；ui為單元體cf的徑向位移；ue為單元體de的徑向位移；δ為變形之后膨脹管與套管之間過盈量。

1．2 有限元數(shù)值模擬

由于本文所研究的對象是多非線性問題，即：狀態(tài)非線性的接觸問題、結(jié)構(gòu)非線性的大變形問題、材料非線性的彈塑性問題。因此可以選用ABAQUS作為仿真分析軟件研究膨脹管膨脹過程應(yīng)力變化以及脹后懸掛力。膨脹管與膨脹錐的幾何及力學(xué)參數(shù)如表1～2所示。金屬環(huán)與膨脹管材料相同。

膨脹過程實(shí)際工作情況較為復(fù)雜，現(xiàn)簡化如下：

1） 膨脹尾管約束上端所有節(jié)點(diǎn)自由度。

2） 膨脹錐頭約束z向和x向自由度，對其施加沿y軸負(fù)向的恒定速度，當(dāng)膨脹結(jié)束后，膨脹錐頭停止運(yùn)動。

3） 外層套管上端固定所有自由度，膨脹結(jié)束后開放y向自由度，并對其施加推力，推力大小與時間成正比。

4） 金屬與金屬之間的摩擦因數(shù)為0．1。

表1　膨脹管規(guī)格及模型長度

表2　膨脹管材料及力學(xué)性能

膨脹過程起始階段，膨脹管與外層套管上端固定，給膨脹錐頭施加恒定速度使之沿軸向向下勻速移動，當(dāng)膨脹結(jié)束后，開放外層套管自由度并對其施加軸向推力，當(dāng)推力增大到臨界數(shù)值時膨脹尾管與外層套管分離，認(rèn)定此臨界數(shù)值為膨脹管與套管之間的懸掛力。膨脹過程如圖3所示

圖3　有限元ABAQUS模擬

本文模擬了脹后膨脹管金屬環(huán)與套管之間不同過盈量條件下的膨脹力，懸掛力的變化情況，考慮到膨脹力的因素，選擇過盈量在1．2～1．5mm。結(jié)果表明隨著過盈量的增加，膨脹力明顯變大，且呈線性增長；膨脹管與套管之間懸掛力也有一定增加，但是增加幅度遠(yuǎn)小于膨脹力，因此有必要根據(jù)材料特性找到膨脹力與懸掛力相對最優(yōu)的閥值，通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過盈量1．4mm時，膨脹力峰值181 k N，懸掛力450 k N，單位膨脹力獲得的懸掛力最大。膨脹力與懸掛力變形如圖4～5所示。

圖4　不同過盈量的膨脹力變化

圖5　不同過盈量的懸掛力變化

2　試驗(yàn)與討論

為驗(yàn)證理論研究的科學(xué)性，本文設(shè)計膨脹管膨脹試驗(yàn)與懸掛力測試試驗(yàn)，試驗(yàn)用膨脹管、膨脹錐、套管等部件的幾何尺寸、力學(xué)性能與模擬試驗(yàn)材料參數(shù)基本一致。金屬環(huán)寬度10mm，脹后與套管設(shè)計過盈量在1．2～1．5mm，試驗(yàn)用材料及設(shè)備如圖6所示。

圖6　試驗(yàn)用材料及設(shè)備

試驗(yàn)過程中，膨脹管膨脹順利，不同過盈量條件下的膨脹力峰值有明顯不同，增加幅度逐漸變小，這主要是由于金屬環(huán)受雙向擠壓，過盈量增加會導(dǎo)致金屬環(huán)塑性變形變大，需要更多做功，考慮材料尺寸誤差，膨脹力變化并不為線性；膨脹后在試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了膨脹管與套管的脫掛試驗(yàn)，從獲取的數(shù)據(jù)可以看出，懸掛力在一定范圍的過盈量條件下變化差別不大。這主要是由于膨脹管脹后會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬環(huán)與套管之間接觸力發(fā)生變化。如圖7所示。

圖7　試驗(yàn)過程膨脹力與懸掛力變化

由于試驗(yàn)材料尺寸偏差，試驗(yàn)結(jié)果與計算值，模擬值有一定差異，但是反映出相同的變化規(guī)律。因此有必要根據(jù)金屬環(huán)材料特性條件，選擇合適的過盈量，以保證使膨脹力與懸掛力達(dá)到最優(yōu)。

3　結(jié)論

1） 通過理論與試驗(yàn)方法研究了膨脹管脹后與套管之間的懸掛力。研究結(jié)果表明，隨著過盈量的增加，懸掛力的增幅與膨脹力的增幅并非正相關(guān)；在安全作業(yè)范圍內(nèi)膨脹力與懸掛力之間存在相對最優(yōu)閥值，該閥值由密封件材料特性決定；以金屬銅為密封件，當(dāng)過盈量為1．4mm時單位膨脹力獲得最大懸掛力。

2） 在厚壁圓筒理論基礎(chǔ)上推導(dǎo)的膨脹管懸掛力計算結(jié)果以及ABAQUS模擬研究與試驗(yàn)結(jié)論有較高的一致性，研究結(jié)果可作為膨脹管現(xiàn)場施工的參考依據(jù)。

3） 膨脹管材料特性與密封件結(jié)構(gòu)存在巨大的改進(jìn)空間，是今后的研究方向。

［1］ 沙慶云，任毅．石油專用管材生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］．鞍鋼技術(shù)，2000（6）：13-15．

［2］ 李作會．膨脹管關(guān)鍵技術(shù)研究及首次應(yīng)用［J］．石油鉆采工藝，2004，26（3）：17-19．

［3］ 關(guān)大新，楊文晨．特殊摳油井管的發(fā)展［J］．天津冶金，2001（增刊）：20-23．

［4］ 高連新，史交齊．油套管特殊螺紋接頭連接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望［J］．石油礦場機(jī)械，2008，37（2）：15-19．

［5］ Stewart R B Shell．Expandable tubulars promise to cut costs while increasing step out and well depths［G］．DRILING CONTRACTOR，November／ December 1998：37-39．

［6］ 楊明．可膨脹管明顯提高鉆井效率［J］．世界石油工業(yè)，2000：7（3）：35-37．

［7］ 王俊芳，曹鴻斌，孫朝林，等．國外套管鉆井技術(shù)綜述［J］．?dāng)鄩K油氣田．2001，8（6）：67-68．

［8］ 徐宜山．脹管技術(shù)簡介［J］．科學(xué)與財富，2010（6）：22-23．

［9］ 張建兵，施太和，練章華．鉆井實(shí)體膨脹管技術(shù)［J］．石油機(jī)械，2003，31（增刊）：128-131．

［10］ 韓偉業(yè)，裴曉含，李益良，等．膨脹管抗外擠強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］．石油礦場機(jī)械，2014，43（5）：56-59．

Experimental Study of Hanging Force of Solid Expandable Tubular Based on Metal Seal

YANG Xiaoli
（China Petroleum Technology and Development Company，Beijing 100083，China）

The post expanded tubular was usually integrated with casing not very solid because of environmental issues，in an effort to address it themetal seal structure was raised to enhance the hanging force，the formula calculating the hanging force was deduced and the ABAQUS was em-ployed to simulate the change of hanging force in relation with the interferencemagnitude，finally the experiments were carried out to testify the approach．The results demonstrated that the inter-ference between the casing and post expanded tubular was the decisive factor of the hanging force，but it was not linearly related as the interference increased，therefore the valve value based on thematerial charactermust be found to optimize the relation between the expanding force and the hanging force，ensuring the safe operation and the desired hanging force．The results could be served as reference in the field operation．

solid expandable tubular；hanging force；interference；experiments

TE925．207

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．010

1001－3482（2015）08－0044－05

①2015－01－04

楊曉莉（1981-），女，山東人，2003年畢業(yè)于天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，主要從事石油物資裝備出口管理，Email：euphoria1934＠aliyun．com。