膨脹波紋管在小井眼的安全應用工況模擬試驗研究

涂玉林， 楊紅歧， 胡彥峰， 陶興華， 劉曉丹

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

應用膨脹波紋管封隔復雜地層時具有不減小井眼直徑的顯著優(yōu)勢，在新疆、江蘇、勝利、華北等油田成功用于封隔惡性漏失地層、坍塌泥巖和煤層等復雜井段,為解決井下復雜問題提供了新的手段[1-6]。國內(nèi)外學者對膨脹波紋管的現(xiàn)場施工工藝[7-10]、完善波紋管端頭整形工藝[11]、提高抗外擠強度[12-14]、完善脹管器設計[15]和分析膨脹力學特性[16-19]等開展了相關(guān)研究，完善了膨脹波紋管施工工藝。但是，目前確定膨脹波紋管安全工況的方法尚不完善，如果超出安全工況范圍施工，則可能發(fā)生泄漏，造成復雜情況的發(fā)生。為此，筆者開展了膨脹波紋管在小井眼的安全應用工況模擬分析，并開展了膨脹波紋管在模擬彎曲井筒中的膨脹試驗，確定了φ149.2 mm膨脹波紋管的適用工況范圍，以保障安全施工。

1 有限元模擬分析模型

建立的φ149.2 mm膨脹波紋管模型如圖1所示。考慮井眼擴大率，參考完鉆后的井徑測井數(shù)據(jù)，φ149.2 mm井眼的井徑分別取165.0，168.0，172.0和178.0 mm，井眼曲率設定為(10.0°～30.0°)/30m。φ149.2 mm膨脹波紋管的屈服強度為348 MPa，抗拉強度為476 MPa，延伸率為33.5%。膨脹波紋管焊材的屈服強度為434 MPa，抗拉強度為510 MPa?？紤]泥巖、頁巖及砂巖的彈性模量，巖石的彈性模量取40.0 GPa，泊松比取0.30。膨脹波紋管管材的應力-應變曲線見圖2。

圖1 φ149.2 mm膨脹波紋管有限元模型Fig.1 Model of φ149.2 mm expandable profile liner

圖2 膨脹波紋管管材的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of expandable profile liner

由于膨脹波紋管施工分下入和膨脹2個過程，因此，分析時將其分為膨脹波紋管下入彎曲井筒和施加膨脹壓力至30.0 MPa 2個過程進行分析。

2 模擬結(jié)果分析

利用有限元方法進行小井眼斜井段中φ149.2 mm膨脹波紋管下入和膨脹的數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，分析井徑、井眼曲率和膨脹壓力等3個因素對φ149.2 mm膨脹波紋管膨脹效果的影響。

2.1 井徑

影響膨脹施工的關(guān)鍵參數(shù)是波紋管膨脹后的通徑, 因此選擇從膨脹后波谷處的直徑、不圓度分析井徑的影響。彎曲井眼中膨脹后的波紋管截面形狀變化及應力分布如圖3所示。圖3中A點所處位置為波谷，膨脹波紋管內(nèi)徑最小處。

圖3 下入和膨脹過程中膨脹波紋管截面形狀的變化Fig.3 Cross section change of expandable profile liner during running and expansion

2.1.1 波谷處內(nèi)徑

井眼曲率為10.0°/30m時，不同井徑條件下膨脹波紋管波谷處內(nèi)徑與膨脹壓力的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出：在φ168.0～φ172.0 mm井眼中，應用φ149.2 mm膨脹波紋管，膨脹壓力升至25.0～30.0 MPa無泄漏，表明應用φ149.2 mm膨脹波紋管是安全可靠的。施加相同的膨脹壓力，井徑越大，則波谷處膨脹后的直徑越大。

2.1.2不圓度

井眼曲率為10.0°/30m時，不同井徑條件下膨脹波紋管不圓度與膨脹壓力的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，井徑相同時，隨膨脹壓力增大，膨脹波紋管的不圓度減小。在相同膨脹壓力條件下，隨井徑增大，不圓度減小。膨脹壓力為30.0 MPa時，膨脹波紋管的不圓度約為5.0%～8.0%。為了降低不圓度、提高通徑，一方面要提高膨脹壓力，另一方面要將井徑控制在168.0～178.0 mm。

圖4 不同井徑條件下膨脹波紋管波谷處內(nèi)徑與膨脹壓力的關(guān)系Fig.4 Relationship between the inner diameter at the trough of the expandable profile liner and the expansion pressure in different hole diameters

圖5 井徑對膨脹波紋管不圓度的影響Fig.5 Influence of hole diameter on ellipticity of expandable profile liner

2.2 井眼曲率

2.2.1 波谷處直徑

井眼直徑為168.0 mm時，不同井眼曲率條件下，膨脹后的波谷內(nèi)徑與膨脹壓力的關(guān)系如圖6所示。由圖6可看出，在相同井徑、膨脹壓力條件下，井眼曲率為(10.0°～30.0°)/30 m時，井眼曲率對波谷處內(nèi)徑的影響較小。

2.2.2 不圓度

在φ168.0 mm井眼中，不同井眼曲率條件下膨脹波紋管膨脹后不圓度與膨脹壓力的關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，井眼曲率一定時，隨膨脹壓力增大，不圓度逐漸減小。膨脹壓力為0～15.0 MPa時，在相同膨脹壓力下，井眼曲率對不圓度的影響較?。慌蛎泬毫Υ笥?5.0 MPa時，井眼曲率為30.0°/30m時的不圓度較井眼曲率為10.0～20.0°/30m時大2.0%～2.6%。

圖6 不同井眼曲率下波谷處內(nèi)徑與膨脹壓力的關(guān)系Fig.6 Relationship between the inner diameter at the trough of the profile liner and the expansion pressure in different borehole curvatures

圖7 井眼曲率對膨脹波紋管不圓度的影響Fig.7 Influence of borehole curvature on ellipticity of expandable profile liner

在φ168.0 mm井眼中，不同井眼曲率條件下膨脹波紋管的最大應力與膨脹壓力的關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，井眼曲率為30.0°/30m時膨脹波紋管的最大Mises應力明顯比井眼曲率為10.0～20.0°/30m時大。因此，為了保障施工安全，要將井眼曲率控制在20.0°/30m以內(nèi)。

3 彎曲井筒內(nèi)膨脹試驗

為驗證模擬分析結(jié)果，在室內(nèi)開展了彎曲井筒內(nèi)膨脹波紋管的膨脹試驗。模擬分析時，井眼曲率為30.0°/30m時波紋管的最大Mises應力最大，設計試驗用彎曲井筒的井眼曲率為30.0°/30m，模擬井筒參數(shù)見表1；為便于測量，在模擬井筒上加工了觀測孔。試驗過程中，利用液壓將膨脹波紋管推入彎曲井筒中，采用液壓試驗泵加壓膨脹，觀察和測量在模擬井筒中膨脹波紋管直徑的變化情況，并記錄膨脹壓力，結(jié)果見表2。

圖8 井眼直徑為168.0 mm時井眼曲率對最大應力的影響Fig.8 Influence of borehole curvature on maximum stress with wellbore diameter of 168.0 mm

表1 膨脹試驗井筒參數(shù)Table 1 Wellbore parameters for simulation test

表2 彎曲模擬膨脹試驗結(jié)果Table 2 Results of bending-simulated expansion test

從表2可以看出，試驗1,2和4號的膨脹壓力分別達到35.6，38.1和35.0 MPa，無泄漏；試驗3的膨脹壓力達到8.5 MPa時發(fā)生泄漏。

從表1和表2可以看出，在井眼曲率一定的情況下，方位角變化率或井斜角變化率過大時,膨脹壓力未達到設計膨脹壓力就已泄漏。試驗中無泄漏的模擬井筒最大的方位角變化率達90.0°/30m;最大井斜角變化率達30.0°/30m。

4 膨脹試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

4.1 試驗1結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果

井斜角變化率為30.0°/30m、方位角變化率為0時膨脹壓力與內(nèi)徑的關(guān)系如圖9所示。圖9中，黑色曲線為模擬分析結(jié)果，藍色、紅色、綠色曲線分別是膨脹試驗時記錄的波紋管上端、中部、下端的內(nèi)徑與膨脹壓力的關(guān)系曲線。膨脹試驗時膨脹壓力達到35.0 MPa無泄漏，表明在該條件下應用膨脹波紋管是安全的。

圖9 井斜角變化率為30.0°/30m時波谷處內(nèi)徑與膨脹壓力的關(guān)系Fig.9 Relationship between the inner diameter and expansion pressure when the rate of inclination change is 30.0°/30m

4.2 試驗2結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果

井斜角變化率24.0°/30m、方位角變化率69.6°/30m條件下，波谷處內(nèi)徑與膨脹壓力的關(guān)系如圖10所示。膨脹試驗時，膨脹壓力達到38.1 MPa時無泄漏，說明在該條件下應用膨脹波紋管是安全的。

從圖10可以看出，膨脹壓力為5.0～10.0 MPa時曲線的斜率與圖9相比顯著增大。上述工況條件下初始膨脹時容易出現(xiàn)應力集中而發(fā)生破裂，這與圖8顯示的應力較大是一致的。試驗3中，井斜角變化率為18.0°/30 m、方位角變化率為171.5°/30 m，膨脹壓力達8.5 MPa時就發(fā)生了泄漏。

4.3 試驗4結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果

井斜角變化率20.1°/30m、方位角變化率90.0°/30 m條件下波谷處內(nèi)徑與膨脹壓力的關(guān)系如圖11所示。由圖11可看出，上述工況條件試驗膨脹壓力達到38.0 MPa時無泄漏，同樣在安全范圍之內(nèi)。

圖10 井斜角變化率為24.0°/30m、方位角變化率為69.6°/30m時波谷處內(nèi)徑與膨脹壓力的變化關(guān)系Fig.10 Relationship between the inner diameter at the trough of the profile liner and expansion pressure when the rate of inclination change is 24.0°/30m and the rate of azimuth change is 69.6°/30m

圖11 井斜角變化率為20.1°/30m、方位角變化率為90.0°/30m條件下內(nèi)徑與膨脹壓力的關(guān)系Fig.11 Relationship between the inner diameter and expansion pressure when the rate of inclination change is 20.1°/30m and the rate of azimuth change is 90°/30m

膨脹試驗結(jié)果驗證了模擬分析方法的可靠性。模擬分析表明，井眼曲率為30.0°/30m時波紋管膨脹后的不圓度和最大Mises應力較(10.0°～20.0°)/30m時明顯增大，為保障安全施工，應控制井眼曲率小于30°/30m。膨脹試驗結(jié)果表明，在φ168.0～φ172.0 mm井眼中，井眼曲率為30.0°/30m且井斜角變化率小于30.0°/30m或方位角變化率小于90.0°/30m時，波紋管膨脹壓力可達到35.0 MPa。結(jié)合鉆井實際情況，安全系數(shù)取1.50，確定φ149.2 mm波紋管施工安全工況為：井徑為168.0～172.0 mm；井眼曲率不大于20.0°/30 m，且井斜角變化率不大于20.0°/30m、方位角變化率不大于60.0°/30m。

5 結(jié) 論

1) 采用有限元法和試驗方法分析了井徑、井眼曲率對φ149.2 mm膨脹波紋管膨脹的影響規(guī)律，試驗結(jié)果和模擬分析結(jié)果一致性較好。

2) 通過對比試驗結(jié)果和模擬分析結(jié)果，確定了斜井段應用φ149.2 mm膨脹波紋管的安全工況條件。

3) 現(xiàn)場施工時應當在安全的工況范圍內(nèi)應用φ149.2 mm膨脹波紋管，以保障施工安全。

參 考 文 獻

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