可膨胀尾管悬挂器在可变温度场的接触性能仿真

师 涛，高学仕，李富平，李益良，李 涛，3，毕秀玲

（1.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266555；2.中国石油勘探开发研究院采油采气装备所，北京100083；3.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249） ①

可膨胀尾管悬挂器在可变温度场的接触性能仿真

师 涛1，高学仕1，李富平1，李益良2，李 涛2，3，毕秀玲2

（1.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛266555；2.中国石油勘探开发研究院采油采气装备所，北京100083；3.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）①

可膨胀尾管悬挂器是一种新型的实体膨胀固井工具，国外的技术已比较成熟，而国内的应用还比较少。为了研究悬挂器膨胀后的接触压力随温度变化的趋势，建立有限元模型，模拟膨胀过程，得到膨胀后的模型。在可变温度场下对膨胀后悬挂器的接触性能进行仿真，得出在升温过程中悬挂器的接触压力降低，但是热膨胀后的悬挂力仍能够满足材料的工作要求，安全可靠。

可膨胀尾管悬挂器；温度场；接触压力；悬挂力

可膨胀尾管悬挂器（ELH）是利用膨胀原理，通过机械力和液压力的作用，对膨胀本体径向膨胀。膨胀后的本体与外层套管贴合在一起，残余应力对外层套管产生挤压，通过摩擦力来承受轴向载荷，完成尾管串的悬挂。国外已在这方面做了很多研究，Enventure Global Technology、Halliburton、READ、TIW、Weatherford、Baker等公司都已在钻井中成熟地运用了该技术，其中Enventure Global Technology在该领域发展最快［1－2］。国内的研究起步较晚，技术还不够成熟，对于热采井中可膨胀尾管悬挂技术的应用还很少。本文对热采井可变温度场下可膨胀尾管悬挂器接触性能进行仿真，研究接触压力随温度的变化规律，以期为该技术的现场应用提供理论指导。

1 膨胀过程仿真

1.1 建立膨胀模型

模型由膨胀锥、膨胀管、套管、水泥环和地层组成，采用PLANE42单元，建立轴对称模型，如图1所示。整体尺寸：为避免端部效应，轴向长取2m；为了能够有效地模拟地层温度场，径向长取8m。膨胀锥材料Cr15，摩擦因数0.1，膨胀段直径∅110 mm，锥角15°，总长∅0.25m；膨胀管材料20号钢，外径∅114mm，壁厚7mm；套管材料N80，外径∅139.7mm，壁厚9.17mm，材料的物理性能参数如表1所示。为了便于模拟计算，提高求解的准确度和效率，针对不同的模型尺寸划分不同的网格［3－4］。

图1 膨胀模型

表1 材料的物理性能参数

1.2 仿真结果

模型2端加轴向约束，地层外部加径向约束，膨胀锥施加位移载荷，开始膨胀，当膨胀至75%时，最大接触压力为138MPa，平均接触压力为32.6 MPa，如图2所示；膨胀结束后，最大接触压力58.8 MPa，平均接触压力为29.5MPa，如图3所示；膨胀后壁厚减少7.6%，内径膨胀率8.62%。膨胀过程中接触压力大于膨胀后接触压力，这是由于膨胀管的回弹效应，导致接触面间的挤压力减小，使接触压力减小。

膨胀后膨胀管外壁和套管内壁接触良好，与常规尾管悬挂器相比，减少了尾管上部的封隔器，密封性能好，能够防止水力泄露，并且延长了平均故障间隔时间，减少了维修费用。膨胀过程中的平均驱动力为484kN，最大应力为351MPa（膨胀管的屈服强度为245MPa，抗拉强度410MPa）。

悬挂力计算：

1） 按照膨胀接触压力计算 F＝μpS＝μpπDL＝2 248kN。

2） 按照材料强度计算 F＝π（R2－r2）σb＝963kN。

式中，F为悬挂力；μ为摩擦因数，取0.1；p为接触压力；S为接触面积；D为套管内壁直径；L为接触长度；R、r为膨胀管膨胀后外内壁半径；σb为膨胀管抗拉强度。

可知，按照接触压力计算的悬挂力为2 248 kN，大于按照材料强度计算的接触压力963kN，膨胀后能够满足材料承受抗拉性能的要求。

图2 膨胀至75%时接触压力分布

图3 膨胀至100%时接触压力分布

2 模拟温度场

热采井中随着回采时间的延长，由于油层中注入热量的损失及产出液带出的热量，被加热的油层逐渐降温。当膨胀管内壁温度为300℃，环境温度为60℃时，井筒温度场分布如图4所示，温度从左到右依次降低。在降温过程中选取膨胀管壁温度为300、250、200、150、100、80℃进行分析。

图4 300℃时全井筒温度场分布

3 可变温度场下的接触性能

膨胀后膨胀管紧贴在套管壁上，通过摩擦力来悬挂尾管串，接触压力不能太小，压力太小则悬挂力小，达不到悬挂的目的，因此接触压力成为分析的关键。蒸汽吞吐时，膨胀管和套管的温度随井筒温度而变化，材料的性能也会发生相应的变化，同时由于热胀冷缩效应，膨胀后的接触压力会发生变化。为了确保膨胀管在整个生产过程中能够有效地工作，现对降温过程中膨胀管接触压力的大小进行有限元仿真。膨胀过程是塑性和大变形问题，膨胀后会有残余应力产生，其会对热膨胀产生一定的影响，因此在热应力分析中需要加载膨胀后的残余应力。

加载膨胀后的残余应力，在膨胀管内壁温度为300℃的温度场下仿真，得到最大接触压力为24.2 MPa，平均接触压力为22.9MPa，最大变形在地层处为0.929mm，如图5～6所示。

图5 300℃时接触压力分布

图6 300℃时膨胀变形

各个温度下的仿真结果如表2所示，接触压力随温度的变化如图7所示。由仿真结果可知，温度变化后膨胀接触性能良好，密封性好。假设材料的抗拉强度在温度变化过程中为固定值，在各个温度下，按接触压力计算的悬挂力都大于按材料强度计算的悬挂力，如表3所示。可知，膨胀后接触压力满足材料承受抗拉的性能要求，能够满足现场工作的需求，安全可靠。

表2 模型最大变形 膨胀后的过盈量和平均接触压力

图7 接触压力随温度变化曲线

表3 膨胀后悬挂力计算 kN

热膨胀时，膨胀管内壁向里膨胀，外壁向外膨胀；套管内壁先向外膨胀后向里膨胀，外壁向外膨胀，并且挤压地层和水泥环使得最大变形处于地层处。随着温度的降低各自的膨胀量都减小，如表4～5所示。

表4 膨胀管内外壁膨胀量 mm

表5 套管内外壁膨胀量 mm

在热采井蒸汽吞吐过程中，由于热膨胀，接触压力会发生变化。注汽和焖井阶段，井内温度很快上升到300℃，此时接触压力由膨胀后的29.5MPa降低到22.9MPa，该温度下接触面的过盈量为0.066 87mm（接触压力由过盈量产生）。开采过程中，随着温度的降低（300℃降低到80℃），膨胀管和套管的膨胀量逐渐降低，接触过盈量逐渐增大，接触压力增大，由22.9MPa增大到29MPa，逐渐恢复到膨胀后的状态。

4 结论

1） 可膨胀尾管悬挂器的材料必须具有良好的塑性变形能力、足够的抗拉强度、良好的冲击韧性和抗断裂的性能。

2） 在蒸汽吞吐过程中，随着时间的延长，井筒中的温度场发生变化，膨胀后尾管悬挂器的接触压力会相应变化，随着温度的升高，接触压力逐渐降低，但是仍然能够满足尾管悬挂的要求。

3） 可膨胀尾管悬挂器技术应用于热采井，不但可以降低钻井和采油成本，而且能够提高产量。在高温下时膨胀后其接触性能良好，密封性好，具有广阔的应用前景。

［1］ 郭朝辉，马兰荣，朱和明.国外可膨胀尾管悬挂器的新进展［J］.石油钻探技术，2008，36（6），66－69.

［2］ 膨在美，赵 旭，窦树柏.国内外可膨胀套管技术的发展概况［J］.焊管，2010，33（6）：5－9.

［3］ 陈 威，高学仕，谢 慧.套管膨胀加固模拟仿真分析［J］.石油矿场机械，2005，34（6）：39－41.

［4］ 姚辉前，任凌云，郭朝辉.可膨胀尾管悬挂器膨胀材料及膨胀方式［J］.石油钻探技术，2010，38（1）：72－75.

Contact Performance Simulation of Expandable Liner Hanger Based on Variable Temperature Field

SHI Tao1，GAO Xue－shi1，LI Fu－ping1，LI Yi－liang2，LI Tao2，3，BI Xiu－ling2
（1.College of Mechanical amd Eleclroic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.Petroleum Equipment Department，Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China；3.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Expandable Liner Hanger is a new type of entity expansion cementing tools，the development and application of abroad is more mature，while domestic application is also less.In order to study the trend of the contact pressure under the variable temperature of ELH after expanding，the article，firstly，got the expanded model through expansion simulation of ELH，and then，under the variable temperature field，the contact performance of ELH was analyzed，obtaining the conclusion that the contact pressure would reduce during the process of heating up，but the suspension load also could meet the material requirement，safely and reliably.

expandable liner hanger；temperature field；contact pressure；suspension load

1001－3482（2012）04－0065－04

TE925.2

A

2011－10－27

师 涛（1986－），男，山西介休人，硕士研究生，主要从事石油钻采机械装备的设计计算工作，E－mail：shidast＠163.com。