可膨脹波紋管水力膨脹力學(xué)特性研究

郭 強(qiáng)， 張德龍， 黃玉文， 翁 煒， 楊 鵬， 蔣 睿， 徐軍軍

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

在地勘鉆探過程中，經(jīng)常會(huì)遇到漏失、坍塌等復(fù)雜地層情況。為確保封堵目標(biāo)地層后，避免出現(xiàn)井眼直徑減小，鉆井成本增加，甚至后期無法鉆達(dá)目的層等狀況，往往會(huì)采用可膨脹波紋管技術(shù)來封堵復(fù)雜地層[1-2]。它通過將可膨脹波紋管下放至目標(biāo)層，通過水力膨脹將其貼緊井壁，再通過機(jī)械膨脹將其膨脹至需求尺寸，使其與井壁完全貼合，保證后續(xù)鉆進(jìn)正常進(jìn)行[3]。

在用可膨脹波紋管封堵地層過程中，膨脹工藝是整個(gè)封堵作業(yè)中的重要組成部分，而在膨脹工藝中，水力膨脹的優(yōu)劣直接影響后續(xù)相關(guān)工序能否正常進(jìn)行，這對(duì)整個(gè)封堵結(jié)果至關(guān)重要[4-6]。因此，為了更好地完善可膨脹波紋管的膨脹工藝，有必要研究可膨脹波紋管在水力膨脹中的膨脹壓力、應(yīng)力應(yīng)變、徑向位移等相應(yīng)力學(xué)特性。

1 波紋管水力膨脹有限元分析

本項(xiàng)目旨在研究地質(zhì)勘探用小口徑可膨脹波紋管，最大外徑113 mm，壁厚6 mm，其相關(guān)截面參數(shù)如圖1所示。為了系統(tǒng)地研究波紋管在水力膨脹過程中的力學(xué)特性，項(xiàng)目組首先對(duì)可膨脹波紋管的水力膨脹過程進(jìn)行有限元分析。

圖1 波紋管截面示意圖

1.1 有限元建模分析

鑒于波紋管截面關(guān)于軸對(duì)稱，故對(duì)波紋管膨脹過程進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用plane183單元類型，對(duì)其1/4截面進(jìn)行有限元分析[7]?？膳蛎洸y管在水力膨脹過程中，管體發(fā)生大位移塑性形變，由于波紋管材質(zhì)各向同性，故其切變模量G如下[8]：

式中：E——彈性模量；μ——泊松比。

根據(jù)波紋管材質(zhì)力學(xué)性能，E=2.06 GPa，μ=0.3。

材料參數(shù)設(shè)定后，采用掃掠方式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并添加位移約束。為模擬實(shí)際工況，施加在管內(nèi)的徑向載荷隨時(shí)間線性變化，且以管材截面應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度作為載荷終止條件，壓力增幅設(shè)定0.1 MPa/s[9]。

求解后獲得波紋管截面等效應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2(a)可以得出，波紋管截面凹槽(c點(diǎn))兩側(cè)及凸棱(d點(diǎn))內(nèi)側(cè)在水力膨脹過程中所受應(yīng)力較大，屬于危險(xiǎn)截面點(diǎn)，在膨脹過程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其應(yīng)力變化，以防發(fā)生管體脹裂[10]。圖2(b)直觀地反映了波紋管膨脹至極限位置時(shí)截面形狀及整個(gè)截面的等效應(yīng)力分布。

圖2 波紋管截面等效應(yīng)力云圖

1.2 有限元結(jié)論分析

波紋管水力膨脹過程中，c點(diǎn)的極限位置關(guān)系到波紋管后續(xù)機(jī)械膨脹的成功率，e點(diǎn)極限位置決定了管體與井壁之間的貼合度。圖3體現(xiàn)了波紋管這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在膨脹過程中膨脹壓力與尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系。波紋管的形變過程主要分為彈性形變和塑性形變，即Q1區(qū)和Q2區(qū)。在彈性形變區(qū)(Q1區(qū))，隨著管內(nèi)壓力不斷增加，波紋管管體開始發(fā)生彈性變形，截面尺寸與管內(nèi)壓力基本呈線性變化。當(dāng)管內(nèi)壓力增加到臨界點(diǎn)S1時(shí)，此時(shí)管內(nèi)壓力為7.8 MPa，波紋管截面應(yīng)力達(dá)到自身屈服極限σs，開始發(fā)生塑性變形[7]。在塑性變形區(qū)(Q2區(qū))，當(dāng)波紋管管內(nèi)壓力在8～12 MPa時(shí)，波紋管變形顯著，當(dāng)管內(nèi)壓力處于12～16 MPa時(shí)，截面形變量逐漸減小，繼續(xù)增加管內(nèi)壓力直至其達(dá)到臨界點(diǎn)S2，此刻管內(nèi)壓力達(dá)到16.7 MPa，波紋管截面基本不再發(fā)生形變，截面應(yīng)力達(dá)到自身抗拉強(qiáng)度σb，即波紋管已膨脹到極限位置。當(dāng)管內(nèi)壓力大于S2時(shí)，管體發(fā)生破裂。

圖3 波紋管截面關(guān)鍵點(diǎn)的膨脹壓力與尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系

綜上，波紋管的膨脹壓力為16.7 MPa。波紋管膨脹過程中，截面c點(diǎn)和d點(diǎn)兩側(cè)所受應(yīng)力相對(duì)較大，屬于危險(xiǎn)截面點(diǎn)，在波紋管水力膨脹試驗(yàn)中，這兩處最容易發(fā)生脹裂[11]。

2 波紋管水力膨脹試驗(yàn)

基于上述有限元數(shù)值模擬結(jié)果，為了全面系統(tǒng)地了解波紋管水力膨脹過程中的力學(xué)性能，項(xiàng)目組采用了水力膨脹系統(tǒng)對(duì)波紋管進(jìn)行室內(nèi)水力膨脹試驗(yàn)。

2.1 波紋管水力膨脹系統(tǒng)

為了更好地模擬實(shí)際工況，針對(duì)波紋管水力膨脹試驗(yàn)的功能需求，設(shè)計(jì)加工了波紋管室內(nèi)水力膨脹試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)臺(tái)架、動(dòng)力模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等[9]，具體工作原理如圖4所示。

圖4 水力膨脹試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理圖

將波紋管通過夾持機(jī)構(gòu)固定于試驗(yàn)臺(tái)架上，采用動(dòng)力模塊對(duì)波紋管進(jìn)行管內(nèi)打壓，使其逐漸膨脹，通過傳感器、應(yīng)變儀等采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將其采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行結(jié)果分析，獲取波紋管水力膨脹過程中的相關(guān)力學(xué)特性，整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)Σy管水力膨脹過程實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。此外該系統(tǒng)還配置了安全模塊，可以對(duì)膨脹過程中管體脹裂、焊縫泄露等故障進(jìn)行報(bào)警[12-13]。整個(gè)水力膨脹系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。

圖5可膨脹波紋管水力膨脹試驗(yàn)系統(tǒng)

Fig.5Hydraulic expansion test system of EPL

2.2 波紋管水力膨脹試驗(yàn)

波紋管串進(jìn)行水力膨脹時(shí)，先通過夾持裝置將其固定于試驗(yàn)臺(tái)架上，根據(jù)管串位置在其兩側(cè)布置位移傳感器，并進(jìn)行校零。采用潛水泵將波紋管注滿水后，啟動(dòng)柱塞泵排凈高壓管線內(nèi)的空氣，把高壓管線快速接入波紋管打壓接口，重新對(duì)各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校零。確保串口通訊正常后，方可進(jìn)行波紋管串室內(nèi)水力膨脹試驗(yàn)[14]。

初始目標(biāo)壓力設(shè)為3 MPa，初始轉(zhuǎn)速設(shè)為100 r/min，壓力增幅約1 MPa/min，保壓時(shí)間≮5 min。通過對(duì)20根波紋管串進(jìn)行室內(nèi)水力膨脹試驗(yàn)，每組波紋管串就是由3根1 m的波紋管焊接組成，每組波紋管串在水力膨脹過程中的壓力變化均一致(如圖6所示)。從圖6中可以得出，波紋管的最終膨脹壓力為14.8 MPa，各階段的保壓時(shí)間均大于5 min，充分保證了波紋管的形變時(shí)間，整個(gè)試驗(yàn)過程歷時(shí)215 min。由于高壓柱塞泵的打壓方式，決定了管內(nèi)壓力在升高過程中會(huì)產(chǎn)生短期快速增高的現(xiàn)象，即“激動(dòng)”壓力。因此，水力膨脹壓力變化曲線會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀增長(zhǎng)[15]。

圖6 波紋管水力膨脹過程壓力值

當(dāng)波紋管所受應(yīng)力超過自身屈服強(qiáng)度，其截面開始發(fā)生塑性形變。通過可伸縮接觸式位移傳感器測(cè)量管串截面關(guān)鍵點(diǎn)(圖2中的c點(diǎn))的位移形變，為更好地反應(yīng)管串截面關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化規(guī)律，以一節(jié)波紋管的中間部位截面為例，膨脹后的波紋管截面關(guān)鍵點(diǎn)的尺寸變化如圖7所示。由圖7可以得出，當(dāng)壓力>2 MPa時(shí)，波紋管截面開始發(fā)生塑性形變；壓力處于3～9 MPa時(shí)，波紋管截面尺寸增速較大，變化明顯；壓力>9 MPa時(shí)，波紋管截面參數(shù)變化趨緩，波紋管在14 MPa與15 MPa時(shí)，截面尺寸未發(fā)生變化，說明波紋管的膨脹壓力為14 MPa[16]。

波紋管在水力膨脹過程中，除管體截面危險(xiǎn)點(diǎn)外，管串焊縫處所受應(yīng)力應(yīng)變也較大。為保證焊縫強(qiáng)度，降低現(xiàn)場(chǎng)操作要求，波紋管串采用“氬弧焊(打底)+普通手工電弧焊(蓋面)”組合的焊接工藝連接。焊接完成后，采用探傷儀對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，保證焊縫內(nèi)部無氣孔、夾渣等缺陷。上述20組波紋管串水力膨脹試驗(yàn)中，均未出現(xiàn)焊縫脹裂現(xiàn)象，說明了波紋管串焊縫強(qiáng)度足夠，焊接工藝可行[17-19]。

圖7 水力膨脹中波紋管截面關(guān)鍵點(diǎn)尺寸變化

由于每組波紋管串膨脹前后的外形尺寸基本一致，選取每組波紋管串中間節(jié)波紋管不同截面處關(guān)鍵點(diǎn)水力膨脹后的外形尺寸進(jìn)行對(duì)比分析，取點(diǎn)位置如圖8所示。圖中，A、E為焊縫截面，B截面與焊縫截面A相距20 cm，D截面與焊縫截面E相距20 cm ，C截面位于波紋管中間截面。

圖8 波紋管串中間節(jié)不同截面位置

波紋管水力膨脹后的截面尺寸如表1所示。根據(jù)表中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得出波紋管水力膨脹后的截面最大外徑均值Xmax為136.98 mm，最小外徑均值Xmin為104.58 mm。波紋管水力膨脹后，要采用“三滾輪脹管器+低摩擦脹管器+球形脹管器”的工具組合進(jìn)行三級(jí)機(jī)械膨脹[20-22]。其中，三滾輪脹管器用作首級(jí)機(jī)械膨脹，其下端錐面最小尺寸為90 mm，故要求波紋管串水力膨脹后的最小內(nèi)徑要大于該尺寸，脹管器才能有效工作。從表1可以看出波紋管各截面水力膨脹后的最小內(nèi)徑均大于90 mm，滿足管串后續(xù)機(jī)械膨脹的尺寸要求。

表1 波紋管選取截面外徑尺寸

波紋管水力膨脹前后的實(shí)物截面對(duì)比如圖9所示。

圖9 水力膨脹前后波紋管截面對(duì)比圖

3 結(jié)果對(duì)比分析

通過將波紋管水力膨脹有限元數(shù)值模擬結(jié)果與波紋管室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，二者雖然在波紋管各階段的形變壓力區(qū)間存在差異，但波紋管整體形變趨勢(shì)相同。波紋管水力膨脹有限元分析的彈性形變壓力區(qū)間為0～6 MPa，塑性變形壓力區(qū)間為6～16.5 MPa。室內(nèi)試驗(yàn)的彈性形變壓力區(qū)間為0～2.5 MPa，塑性變形區(qū)間為2.5～14 MPa。造成此差異的原因除了有限元分析時(shí)選取的單元類型、邊界條件等因素外，管材自身的材質(zhì)缺陷、熱處理方式對(duì)管材力學(xué)性能的影響、試驗(yàn)條件的設(shè)置等外界因素均會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。基于二者波紋管整體形變趨勢(shì)的一致性，進(jìn)一步表明了波紋管數(shù)值模擬方法的可行性與準(zhǔn)確性，同時(shí)為后續(xù)波紋管水力膨脹試驗(yàn)中完善參數(shù)設(shè)置，改進(jìn)試驗(yàn)條件等提供了理論支撐[23-24]。

由上述數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果可知，波紋管的膨脹壓力為14 MPa，當(dāng)管內(nèi)壓力>2.5 MPa時(shí)，管體開始發(fā)生塑性變形；當(dāng)壓力處于3～9 MPa時(shí)，波紋管的形變速率加快，截面參數(shù)變化明顯；繼續(xù)增大壓力至14 MPa時(shí)，波紋管截面尺寸變化緩慢。當(dāng)膨脹壓力>14 MPa時(shí)，管串截面不再發(fā)生變化，說明波紋管串的膨脹壓力約為14 MPa，這對(duì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)配置提出了初步要求[25]。

4 結(jié)論

(1)基于可膨脹波紋管數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說明波紋管有限元分析方法可行，室內(nèi)水力膨脹試驗(yàn)系統(tǒng)能滿足實(shí)際需求。

(2)可膨脹波紋管水力膨脹壓力為14 MPa，波紋管水力膨脹后的截面尺寸最大外徑均值為136.98 mm，最小外徑均值為104.58 mm，滿足機(jī)械膨脹中脹管器對(duì)管串的截面尺寸要求。

(3)通過多次可膨脹波紋管水力膨脹試驗(yàn)，確定了波紋管水力膨脹中的力學(xué)特性曲線，為可膨脹波紋管野外試驗(yàn)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。