彎曲井段下壁厚對波紋管膨脹性能的影響

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(中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249)

彎曲井段下壁厚對波紋管膨脹性能的影響

張會會，段慶全，李虎

(中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249)

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，膨脹波紋管在堵漏、封隔、封固復(fù)雜地層的應(yīng)用更廣泛。在現(xiàn)場應(yīng)用中可能會遭遇不同的井形，其中彎曲井段是最為復(fù)雜。目前，壁厚對膨脹波紋管性能影響的研究尚不深入。通過ABAQUS仿真建模分析，比較彎曲井段不同壁厚下波紋管長軸處內(nèi)徑和不圓度隨內(nèi)壓的變化規(guī)律，得到壁厚對波紋管膨脹的影響規(guī)律。對兩種壁厚下波紋管的焊縫進行膨脹模擬，評價焊縫的安全狀況。為波紋管在復(fù)雜地層的應(yīng)用提供理論支持。

波紋管；彎曲井段；膨脹；壁厚

Abstract：With the development of drilling technology，the application of expansion bellows in plugging，packing and sealing complex stratum is more extensive.And in the field of application，it maybe encounter different wells，but bending section is the most complex and common.At present，the study of the influence of wall thickness on the performance of the inflated bellows is not deep.In this paper，according to ABAQUS simulation modeling and analysis，comparing the variation law of long axis diameter and out-of-roundness of bellows with the internal pressure under the different wall thickness，and then the influence of wall thickness on the expansion of bellows was obtained.The expansion of the weld seam of two kinds of wall thickness bellow is simulated to evaluate the safety of the weld.So those studies provide theoretical support for the field application of bellows.

Keywords：corrugated pipe；expansion；wall thickness；bending section

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膨脹波紋管技術(shù)是通過對管材進行冷壓處理，使管材發(fā)生永久塑性變形，以達到減小外徑的目的[1-2]。波紋管的管柱截面形狀呈波紋狀，與圓截面鋼管相比，在等周長的條件下，其截面最大尺寸較小。借助液壓和脹管器的作用，使其完全膨脹成圓管，用于封隔或貼補目的層[3-4]。該技術(shù)起始于20世紀(jì)80年代晚期，具有不影響原井眼尺寸、作業(yè)周期短、成本低等特點[5-6]。1998年ShellE&P公司在Gasmer Test Well進行的?339.37 mm J55 套管原型試驗的成功，證明了該技術(shù)的可行性[7]。膨脹波紋管技術(shù)已成為21世紀(jì)石油鉆采行業(yè)的重要技術(shù)之一[8]。

目前，對膨脹波紋管的研究大多在垂直井段。隨著鉆井行業(yè)的發(fā)展，鉆井工況和地層也愈加復(fù)雜，彎曲井段是最為復(fù)雜多變的情況。壁厚對膨脹波紋管性能影響的研究尚不深入，如果采購不同材料、不同壁厚的膨脹波紋管進行性能測試，周期長，經(jīng)濟成本較高。本文采用有限元仿真模擬分析的方法，對彎曲井段中不同壁厚波紋管的膨脹過程進行模擬分析，研究膨脹過程中波紋管不圓度隨壓力的變化規(guī)律及焊縫的安全評價。

1 波紋管材料和有限元模型的建立

1.1波紋管材料選取

?215.9 mm波紋管是指膨脹后波紋管內(nèi)徑設(shè)計尺寸為215.9 mm，截面形狀為“8”字形，主要用于堵漏、封隔、封固復(fù)雜地層等，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。本文以?215.9 mm波紋管為研究對象，波紋管壁厚為7、8、9 mm，井眼直徑為?245 mm。材料選擇常用的20#鋼，材料性能曲線如圖1，材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率如表1。

圖1 20#鋼拉伸試驗曲線

斷后伸長率/%34抗拉強度/MPa410屈服強度/MPa245

1.2彎曲井段有限元建模

在現(xiàn)實情況中，井眼所處位置大多情況復(fù)雜，因文章涉及到彎曲井段，為突出彎曲井段與垂直井段的區(qū)別，選擇井斜率30°/30m建立井眼模型，將井壁視為剛性體，采用4節(jié)點剛體單元R3D4單元建立三維井眼模型，如圖2所示。關(guān)于波紋管，采用8節(jié)點實體單元C3D8R建立三維模型[10]，如圖3所示。因內(nèi)壓達到約25 MPa時波紋管已膨脹較好，為使波紋管充分膨脹，但不超過其抗內(nèi)壓強度，選擇對波紋管施加膨脹內(nèi)壓30 MPa，研究波紋管的膨脹性能。

圖2 彎曲井段剛性井眼模型

圖3 波紋管管體模型

2 波紋管膨脹性能分析

2.1長軸處內(nèi)徑變化

由圖4知，A、B、C點分別代表波谷、長軸和波峰處內(nèi)徑。圖5表明波紋管在膨脹內(nèi)壓達到2.5 MPa時開始發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象，長軸處內(nèi)徑開始隨著內(nèi)壓的增大而迅速增大；在內(nèi)壓達到7.5 MPa后，長軸的內(nèi)徑基本達到一個峰值，隨后變化較小。在內(nèi)壓達到27.5 MPa后，3種壁厚下的長軸處內(nèi)徑都有向上增長的趨勢，壁厚為7 mm的波紋管增長最為明顯。

圖4 波谷(A)、長軸(B)和波峰處(C)位置

圖5 彎曲井段波紋管膨脹過程中長軸內(nèi)徑的變化

綜上所述，波紋管的壁厚對波紋管長軸處內(nèi)徑的變化影響較大，波紋管的壁厚越大，相同壓力下的波紋管長軸處內(nèi)徑越小。在內(nèi)壓為10～30 MPa時，3種波紋管壁厚長軸處內(nèi)徑之間的差值隨著壓力的增加呈緩慢增加趨勢。

2.2膨脹波紋管不圓度的變化

波紋管不圓度是表明波紋管脹圓程度的重要參數(shù)，其定義如下式：

式中：r為不圓度,%；Rmax為波紋管最大外徑，即波峰處內(nèi)徑(B)，mm；Rmin為波紋管最小外徑，即波谷處內(nèi)徑(A)，mm。

由圖6可知，波紋管不圓度隨膨脹內(nèi)壓的增大而減小，在內(nèi)壓接近2.5 MPa時，波紋管開始膨脹，不圓度迅速減小，這與長軸處內(nèi)徑變化一致。在內(nèi)壓達到7.5 MPa以后，不圓度減小趨勢變緩，開始緩慢減小，直至30 MPa一直在減小。

在相同壓力下，波紋管壁厚越小，膨脹后不圓度越小，其膨脹性能越好。波紋管壁厚對膨脹波紋管的不圓度影響較大，隨著內(nèi)壓的增加，壁厚對其的影響減小。內(nèi)壓達到30 MPa時，3種壁厚7、8、9 mm的膨脹波紋管不圓度分別為0.54%、0.71%、1.81%。

圖6 彎曲井段不同壁厚下不圓度的變化

3 彎曲條件下焊縫膨脹模擬

在相同條件下建立波紋管中焊縫的模型，完成焊縫膨脹模擬，對比焊縫與管體的應(yīng)力應(yīng)變，評價焊縫的安全狀況。

在施加膨脹內(nèi)壓為30 MPa時的焊縫應(yīng)力如圖7，應(yīng)變云圖如圖8所示。由圖7～8可知膨脹過程中焊縫處應(yīng)力、應(yīng)變最大點在波谷處的管壁外側(cè)。

圖7 內(nèi)壓為30 MPa時焊縫等效應(yīng)力云圖

分別選擇壁厚為7 mm和8 mm彎曲井段的焊縫進行膨脹模擬，波紋管管體及焊縫的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變隨內(nèi)壓而變化，焊縫應(yīng)變和管應(yīng)變之間的差值隨著內(nèi)壓的增大而逐漸減?。缓缚p應(yīng)力和管應(yīng)力之間的差值也隨著內(nèi)壓的增大而逐漸減小，直至30 MPa時差值最小。焊縫的應(yīng)力應(yīng)變基本在0～5 MPa增幅最快，之后基本保持平緩變化；管應(yīng)力在0～2.5 MPa增長最為迅速，之后仍然保持平緩增長，而管應(yīng)變在5 MPa左右開始增加，直至內(nèi)壓達到30 MPa。

由以上分析可知，不同壁厚下波紋管管體及焊縫的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變隨內(nèi)壓變化的規(guī)律相同，如圖9～10所示。由于管體的材料特性與焊縫的特性不同，焊縫處的應(yīng)力應(yīng)變大小與管體的應(yīng)力應(yīng)變不同，所以焊縫的應(yīng)力始終大于管體處應(yīng)力，應(yīng)變也大于管體處的應(yīng)變，但小于管材的伸長率0.33，由此可以判定該焊縫是安全的。

圖9 壁厚為7 mm的波紋管管體及焊縫的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變隨內(nèi)壓變化

圖10 壁厚為8 mm波紋管管體及焊縫的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變隨內(nèi)壓變化

4 結(jié)論

1) 對?215.9 mm波紋管進行有限元膨脹模擬分析，在彎曲條件下，波紋管受壓膨脹，內(nèi)壓達到30 MPa時不圓度接近于0，說明波紋管幾乎完全脹圓，為現(xiàn)場應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2) 彎曲井段下，壁厚對波紋管膨脹的影響較大，壁厚越小，相同壓力下的波紋管長軸處內(nèi)徑越大、不圓度越小，波紋管的膨脹性能越好。

3) 在相同的條件下，對波紋管焊縫進行膨脹模擬，不同壁厚下波紋管管體及焊縫的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變隨內(nèi)壓變化的規(guī)律相同，焊縫處的應(yīng)力應(yīng)變始終大于管體的應(yīng)力應(yīng)變。通過對焊縫的安全狀況進行評價，選擇合適的焊縫材料。

4) 本文采用ABAQUS建模仿真分析，研究波紋管在彎曲井段下的膨脹規(guī)律，降低了研究成本，為其在現(xiàn)場的堵漏、封隔等應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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AnalysisofInfluenceofWallThicknessonExpansionPerformanceunderBendingConditions

ZHANG Huihui，DUAN Qingquan，LI Hu

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China)

TE935

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.004

1001-3482(2017)05-0016-04

2017-03-05

張會會(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向：油氣生產(chǎn)裝備失效分析與完整性管理，E-mail：596500626@qq.com。