朱冰冰,段庆全,李 虎,张会会
(中国石油大学 机械与储运工程学院,北京102249)
井眼直径对膨胀波纹管膨胀性能的影响*
朱冰冰,段庆全,李 虎,张会会
(中国石油大学 机械与储运工程学院,北京102249)
为了保障膨胀波纹管在石油钻井中的应用,针对Φ 215.9 mm波纹管现场试验过程中水力膨胀需求,采用有限元弹塑性分析的方法,建立波纹管膨胀模型,开展波纹管在直井中膨胀情况的仿真模拟。通过对所建模型的分析,对不同井眼直径可膨胀波纹管的波峰、波谷、长轴及不圆度随压力的变化关系进行研究,结果表明:随压力的增加,波纹管的不圆度逐渐减小,且井眼直径越大,不圆度越小;随井眼直径的增加,波峰、波谷、长轴的直径均增大。
波纹管;膨胀;井眼直径;有限元分析
在石油钻井过程中,井漏是影响钻井作业安全最严重的复杂状况之一。井漏不及时处理则会延长钻井周期,同时,井漏损失钻井液、损害油气层,会引起一系列复杂情况和事故,造成极大的经济损失[1]。可膨胀管技术的出现为解决上述问题提供了很好的思路和解决方法,该技术是在钻井或修井施工过程中,将管柱下入井内,以液力或机械力的方式使管材永久形变,增大套管直径,以实现节省井眼尺寸、封堵复杂地层的一种新型技术[2-3]。膨胀波纹管是通过对管材进行冷压处理,使管材发生塑性变形,管柱截面形状由波谷和波峰及过渡曲线组成[4-5],与圆截面钢管相比,在等周长的条件下,其截面最大尺寸较小,如图1所示。利用这一特性,可顺利入井到达预定井段,在井下通过液压等方法将其膨胀,再在胀管器的作用下,使其完全膨胀成圆管,起到封隔或补贴目的层的作用。
本研究采用有限元分析方法,对直井中膨胀波纹管的膨胀过程进行数值模拟,分析井眼直径对膨胀过程中波纹管波峰、波谷及不圆度随压力的变化情况[6-8],为膨胀波纹管在套管补贴、堵漏、封隔坍塌地层等现场应用提供理论依据。
图1 膨胀波纹管外形示意图
以Φ215.9 mm,壁厚8 mm的膨胀波纹管为研究对象,模型如图2所示。
考虑波纹管的对称性,建立1/4模型,波纹管模型采用4节点的CPE4单元。波纹管材料为20#钢,材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率见表1。
图2 1/4波纹管模型
表1 试验用波纹管的力学性能
如忽略井壁弹性,井眼对波纹管的约束更大,膨胀管更加不容易膨胀。因此本研究建立了二维刚性井眼模型进行计算,将井壁视为刚性体,分析膨胀管的膨胀性能。直井段直径为230 mm、237 mm、239 mm、241 mm、243 mm和245 mm,单元为2节点刚体单元R2D2,取1/4模型如图3所示。模型中波纹管与直井为面面接触,边界条件是对称边界条件[9],对波纹管施加的载荷为内压30 MPa。图2中A、B、C三点分别是波谷处内径,长轴处内径和波峰处内径。通过对所建模型的分析,对不同井眼直径的可膨胀波纹管的波峰、波谷、长轴及不圆度随压力的变化关系进行研究,得出井眼直径对膨胀波纹管膨胀性能的影响规律。
图3 1/4刚性井眼模型示意图
模型施加内压30MPa,模拟波纹管在裸眼井中受内压膨胀的过程。井眼直径为230 mm、237 mm、239 mm、241 mm、243 mm和245 mm,波纹管壁厚为8 mm,进行模拟后得到直井中波纹管膨胀过程[10]。井眼直径对波纹管不圆度的影响如图4所示。从图4可以看出,随着内压的增加,波纹管膨胀,不圆度逐渐减小;内压在0~5 MPa时,井眼直径对波纹管的不圆度基本没有影响;当内压达到5~7.5 MPa时,井眼直径越小,不圆度就越大;当内压达到10~30 MPa时,井眼直径对不圆度有显著影响,井眼直径越大,不圆度越小。
图4 不同井眼直径对波纹管不圆度的影响
由于Φ215.9 mm膨胀波纹管未成型之前的尺寸为237 mm,因此,井眼直径小于237 mm时,波纹管膨胀不充分。在井眼直径为237 mm的直井段中,波纹管经过膨胀后刚好贴合到井壁上,但在0~5 MPa时,其不圆度曲线呈现S形(见图4),说明在井眼直径为237 mm的直井段中,波纹管膨胀相对较为困难。
不同井眼直径对波纹管波谷处直径的影响如图5所示。由图5可见,当内压达到2.5 MPa时,波纹管波谷处直径开始增大,并且随内压的增大而迅速不断增大。井眼直径为230 mm时,当内压达到5 MPa后波谷处的直径增长速度减小,膨胀到170 mm左右停止。井眼直径为237 mm、239 mm、241 mm、243 mm和245 mm时,在内压达到7.5 MPa左右,波谷处直径随内压增大的速度变缓,最后在220 mm左右停止。井眼直径越大,波谷直径膨胀越大,井眼直径为237~245mm时,井眼直径对波纹管膨胀过程的影响并不明显。
图5 不同井眼直径对波纹管波谷处直径的影响
井眼直径对波纹管长轴处的直径影响如图6所示。从图6可以看出,波纹管长轴直径也是从内压为2.5 MPa左右开始明显增加,并在5 MPa时达到直径最大值,内压为5~30 MPa阶段,长轴处的直径变化幅度很小;井眼直径为230 mm时,在内压达到5 MPa以后长轴直径增长速度逐渐减小,最后为0,说明膨胀波纹管长轴直径在5 MPa后几乎不膨胀。
图6 不同井眼直径对波纹管长轴处直径的影响
不同井眼直径对波纹管波峰处直径的影响如图7所示。从图7可以看出,井眼直径为237~245 mm时,内压达到5 MPa以后,波峰处直径有个平缓降低的过程。井眼直径对波纹管波峰的膨胀过程有明显影响,相同压力下,井眼直径越大,波纹管波峰处的直径越大。
图7 不同井眼直径对波纹管波峰处直径的影响
图8 不同井眼直径对波纹管膨胀性能的影响
图8为不同井眼直径对波纹管膨胀性能的影响。从图8可以看出,井眼直径为230 mm时,膨胀波纹管并没有膨胀完全,对其充压5 MPa左右,当波纹管膨胀到波峰位置时,即使再对波纹管充压,也不会膨胀;当井眼直径为241~245 mm时,膨胀波纹管的波谷处、长轴处、波峰处的内径随压力变化曲线几乎重合,波纹管不仅膨胀完全而且与井筒分离;井眼直径为237~240 mm时,不仅可以膨胀完全而且紧紧贴合在井筒内壁。
将波纹管长轴外径的模拟结果与试验结果做对比,如图9所示,误差统计结果见表2。由图9和表2可以看出,模拟结果与试验结果基本一致,膨胀误差为0.62%~1.94%,说明计算结果可靠。
图9 波纹管长轴处外径的模拟值与试验值对比
表2 波纹管长轴处外径的误差情况对比
(1)井眼直径为230~237 mm时,井眼直径对波纹管的膨胀性能影响较大,井眼直径越大,波纹管越容易膨胀;在井眼直径为237~245 mm时,井眼直径影响较小。
(2)在波纹管膨胀的过程中,不圆度随压力的增加而不断减小,且井眼直径越大,不圆度越小。
(3)在同一材料、同一井眼直径的情形下,井眼直径对波纹管波谷、长轴、波峰处的直径有影响,井眼直径越大,波谷、长轴、波峰处的直径越小。
(4)规格为Φ 215.9 mm的膨胀波纹管适用的井眼直径为237~241 mm,通过与试验的对比,证明结果可靠。
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Influence of Hole Size on Expansion Performance of Expansion Bellows
ZHU Bingbing,DUAN Qingquan,LI Hu,ZHANG Huihui
(College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum-Beijing,Beijing 102249,China)
In order to ensure the application of expansion bellows in petroleum drilling,aiming at hydraulic expansion demand of Φ 215.9 mm bellows in field tests,bellows simulation in vertical well was established by elastoplastic finite element analysis.By modeling analysis,changes with pressure of wave crest,wave trough,macroaxis and out-of-roundness in different hole size were researched.The results showed that the out-of-roundness decreased with the increase of pressure and hole size,and diameters of wave crest,wave trough and macroaxis increased with the increase of hole size.
bellows;expansion;hole size;finite element analysis
TE928
B
10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.007
中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院研究项目“大尺寸膨胀波纹管力学特性分析”(项目编号10010099-15FW1907-0012)。
朱冰冰(1991—),女,硕士研究生,主要研究方向为油气生产装备失效分析与完整性管理。
2017-06-26
编辑:李 超