可膨脹尾管懸掛器在可變溫度場的接觸性能仿真

師 濤，高學仕，李富平，李益良，李 濤，3，畢秀玲

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555；2.中國石油勘探開發研究院采油采氣裝備所，北京100083；3.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249） ①

可膨脹尾管懸掛器在可變溫度場的接觸性能仿真

師 濤1，高學仕1，李富平1，李益良2，李 濤2，3，畢秀玲2

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555；2.中國石油勘探開發研究院采油采氣裝備所，北京100083；3.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）①

可膨脹尾管懸掛器是一種新型的實體膨脹固井工具，國外的技術已比較成熟，而國內的應用還比較少。為了研究懸掛器膨脹后的接觸壓力隨溫度變化的趨勢，建立有限元模型，模擬膨脹過程，得到膨脹后的模型。在可變溫度場下對膨脹后懸掛器的接觸性能進行仿真，得出在升溫過程中懸掛器的接觸壓力降低，但是熱膨脹后的懸掛力仍能夠滿足材料的工作要求，安全可靠。

可膨脹尾管懸掛器；溫度場；接觸壓力；懸掛力

可膨脹尾管懸掛器（ELH）是利用膨脹原理，通過機械力和液壓力的作用，對膨脹本體徑向膨脹。膨脹后的本體與外層套管貼合在一起，殘余應力對外層套管產生擠壓，通過摩擦力來承受軸向載荷，完成尾管串的懸掛。國外已在這方面做了很多研究，Enventure Global Technology、Halliburton、READ、TIW、Weatherford、Baker等公司都已在鉆井中成熟地運用了該技術，其中Enventure Global Technology在該領域發展最快［1－2］。國內的研究起步較晚，技術還不夠成熟，對于熱采井中可膨脹尾管懸掛技術的應用還很少。本文對熱采井可變溫度場下可膨脹尾管懸掛器接觸性能進行仿真，研究接觸壓力隨溫度的變化規律，以期為該技術的現場應用提供理論指導。

1 膨脹過程仿真

1.1 建立膨脹模型

模型由膨脹錐、膨脹管、套管、水泥環和地層組成，采用PLANE42單元，建立軸對稱模型，如圖1所示。整體尺寸：為避免端部效應，軸向長取2m；為了能夠有效地模擬地層溫度場，徑向長取8m。膨脹錐材料Cr15，摩擦因數0.1，膨脹段直徑?110 mm，錐角15°，總長?0.25m；膨脹管材料20號鋼，外徑?114mm，壁厚7mm；套管材料N80，外徑?139.7mm，壁厚9.17mm，材料的物理性能參數如表1所示。為了便于模擬計算，提高求解的準確度和效率，針對不同的模型尺寸劃分不同的網格［3－4］。

圖1 膨脹模型

表1 材料的物理性能參數

1.2 仿真結果

模型2端加軸向約束，地層外部加徑向約束，膨脹錐施加位移載荷，開始膨脹，當膨脹至75%時，最大接觸壓力為138MPa，平均接觸壓力為32.6 MPa，如圖2所示；膨脹結束后，最大接觸壓力58.8 MPa，平均接觸壓力為29.5MPa，如圖3所示；膨脹后壁厚減少7.6%，內徑膨脹率8.62%。膨脹過程中接觸壓力大于膨脹后接觸壓力，這是由于膨脹管的回彈效應，導致接觸面間的擠壓力減小，使接觸壓力減小。

膨脹后膨脹管外壁和套管內壁接觸良好，與常規尾管懸掛器相比，減少了尾管上部的封隔器，密封性能好，能夠防止水力泄露，并且延長了平均故障間隔時間，減少了維修費用。膨脹過程中的平均驅動力為484kN，最大應力為351MPa（膨脹管的屈服強度為245MPa，抗拉強度410MPa）。

懸掛力計算：

1） 按照膨脹接觸壓力計算 F＝μpS＝μpπDL＝2 248kN。

2） 按照材料強度計算 F＝π（R2－r2）σb＝963kN。

式中，F為懸掛力；μ為摩擦因數，取0.1；p為接觸壓力；S為接觸面積；D為套管內壁直徑；L為接觸長度；R、r為膨脹管膨脹后外內壁半徑；σb為膨脹管抗拉強度。

可知，按照接觸壓力計算的懸掛力為2 248 kN，大于按照材料強度計算的接觸壓力963kN，膨脹后能夠滿足材料承受抗拉性能的要求。

圖2 膨脹至75%時接觸壓力分布

圖3 膨脹至100%時接觸壓力分布

2 模擬溫度場

熱采井中隨著回采時間的延長，由于油層中注入熱量的損失及產出液帶出的熱量，被加熱的油層逐漸降溫。當膨脹管內壁溫度為300℃，環境溫度為60℃時，井筒溫度場分布如圖4所示，溫度從左到右依次降低。在降溫過程中選取膨脹管壁溫度為300、250、200、150、100、80℃進行分析。

圖4 300℃時全井筒溫度場分布

3 可變溫度場下的接觸性能

膨脹后膨脹管緊貼在套管壁上，通過摩擦力來懸掛尾管串，接觸壓力不能太小，壓力太小則懸掛力小，達不到懸掛的目的，因此接觸壓力成為分析的關鍵。蒸汽吞吐時，膨脹管和套管的溫度隨井筒溫度而變化，材料的性能也會發生相應的變化，同時由于熱脹冷縮效應，膨脹后的接觸壓力會發生變化。為了確保膨脹管在整個生產過程中能夠有效地工作，現對降溫過程中膨脹管接觸壓力的大小進行有限元仿真。膨脹過程是塑性和大變形問題，膨脹后會有殘余應力產生，其會對熱膨脹產生一定的影響，因此在熱應力分析中需要加載膨脹后的殘余應力。

加載膨脹后的殘余應力，在膨脹管內壁溫度為300℃的溫度場下仿真，得到最大接觸壓力為24.2 MPa，平均接觸壓力為22.9MPa，最大變形在地層處為0.929mm，如圖5～6所示。

圖5 300℃時接觸壓力分布

圖6 300℃時膨脹變形

各個溫度下的仿真結果如表2所示，接觸壓力隨溫度的變化如圖7所示。由仿真結果可知，溫度變化后膨脹接觸性能良好，密封性好。假設材料的抗拉強度在溫度變化過程中為固定值，在各個溫度下，按接觸壓力計算的懸掛力都大于按材料強度計算的懸掛力，如表3所示。可知，膨脹后接觸壓力滿足材料承受抗拉的性能要求，能夠滿足現場工作的需求，安全可靠。

表2 模型最大變形 膨脹后的過盈量和平均接觸壓力

圖7 接觸壓力隨溫度變化曲線

表3 膨脹后懸掛力計算 kN

熱膨脹時，膨脹管內壁向里膨脹，外壁向外膨脹；套管內壁先向外膨脹后向里膨脹，外壁向外膨脹，并且擠壓地層和水泥環使得最大變形處于地層處。隨著溫度的降低各自的膨脹量都減小，如表4～5所示。

表4 膨脹管內外壁膨脹量 mm

表5 套管內外壁膨脹量 mm

在熱采井蒸汽吞吐過程中，由于熱膨脹，接觸壓力會發生變化。注汽和燜井階段，井內溫度很快上升到300℃，此時接觸壓力由膨脹后的29.5MPa降低到22.9MPa，該溫度下接觸面的過盈量為0.066 87mm（接觸壓力由過盈量產生）。開采過程中，隨著溫度的降低（300℃降低到80℃），膨脹管和套管的膨脹量逐漸降低，接觸過盈量逐漸增大，接觸壓力增大，由22.9MPa增大到29MPa，逐漸恢復到膨脹后的狀態。

4 結論

1） 可膨脹尾管懸掛器的材料必須具有良好的塑性變形能力、足夠的抗拉強度、良好的沖擊韌性和抗斷裂的性能。

2） 在蒸汽吞吐過程中，隨著時間的延長，井筒中的溫度場發生變化，膨脹后尾管懸掛器的接觸壓力會相應變化，隨著溫度的升高，接觸壓力逐漸降低，但是仍然能夠滿足尾管懸掛的要求。

3） 可膨脹尾管懸掛器技術應用于熱采井，不但可以降低鉆井和采油成本，而且能夠提高產量。在高溫下時膨脹后其接觸性能良好，密封性好，具有廣闊的應用前景。

［1］ 郭朝輝，馬蘭榮，朱和明.國外可膨脹尾管懸掛器的新進展［J］.石油鉆探技術，2008，36（6），66－69.

［2］ 膨在美，趙 旭，竇樹柏.國內外可膨脹套管技術的發展概況［J］.焊管，2010，33（6）：5－9.

［3］ 陳 威，高學仕，謝 慧.套管膨脹加固模擬仿真分析［J］.石油礦場機械，2005，34（6）：39－41.

［4］ 姚輝前，任凌云，郭朝輝.可膨脹尾管懸掛器膨脹材料及膨脹方式［J］.石油鉆探技術，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

師 濤（1986－），男，山西介休人，碩士研究生，主要從事石油鉆采機械裝備的設計計算工作，E－mail：shidast＠163.com。