井眼直徑對膨脹波紋管膨脹性能的影響*

朱冰冰，段慶全，李 虎，張會會

（中國石油大學 機械與儲運工程學院，北京102249）

井眼直徑對膨脹波紋管膨脹性能的影響*

朱冰冰，段慶全，李 虎，張會會

（中國石油大學 機械與儲運工程學院，北京102249）

為了保障膨脹波紋管在石油鉆井中的應用，針對Φ 215.9 mm波紋管現場試驗過程中水力膨脹需求，采用有限元彈塑性分析的方法，建立波紋管膨脹模型，開展波紋管在直井中膨脹情況的仿真模擬。通過對所建模型的分析，對不同井眼直徑可膨脹波紋管的波峰、波谷、長軸及不圓度隨壓力的變化關系進行研究，結果表明：隨壓力的增加，波紋管的不圓度逐漸減小，且井眼直徑越大，不圓度越小；隨井眼直徑的增加，波峰、波谷、長軸的直徑均增大。

波紋管；膨脹；井眼直徑；有限元分析

1 概 述

在石油鉆井過程中，井漏是影響鉆井作業安全最嚴重的復雜狀況之一。井漏不及時處理則會延長鉆井周期，同時，井漏損失鉆井液、損害油氣層，會引起一系列復雜情況和事故，造成極大的經濟損失[1]。可膨脹管技術的出現為解決上述問題提供了很好的思路和解決方法，該技術是在鉆井或修井施工過程中，將管柱下入井內，以液力或機械力的方式使管材永久形變，增大套管直徑，以實現節省井眼尺寸、封堵復雜地層的一種新型技術[2-3]。膨脹波紋管是通過對管材進行冷壓處理，使管材發生塑性變形，管柱截面形狀由波谷和波峰及過渡曲線組成[4-5]，與圓截面鋼管相比，在等周長的條件下，其截面最大尺寸較小，如圖1所示。利用這一特性，可順利入井到達預定井段，在井下通過液壓等方法將其膨脹，再在脹管器的作用下，使其完全膨脹成圓管，起到封隔或補貼目的層的作用。

本研究采用有限元分析方法，對直井中膨脹波紋管的膨脹過程進行數值模擬，分析井眼直徑對膨脹過程中波紋管波峰、波谷及不圓度隨壓力的變化情況[6-8]，為膨脹波紋管在套管補貼、堵漏、封隔坍塌地層等現場應用提供理論依據。

圖1 膨脹波紋管外形示意圖

2 有限元模型的建立

以Φ215.9 mm，壁厚8 mm的膨脹波紋管為研究對象，模型如圖2所示。

考慮波紋管的對稱性，建立1/4模型，波紋管模型采用4節點的CPE4單元。波紋管材料為20#鋼，材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率見表1。

圖2 1/4波紋管模型

表1 試驗用波紋管的力學性能

如忽略井壁彈性，井眼對波紋管的約束更大，膨脹管更加不容易膨脹。因此本研究建立了二維剛性井眼模型進行計算，將井壁視為剛性體，分析膨脹管的膨脹性能。直井段直徑為230 mm、237 mm、239 mm、241 mm、243 mm和245 mm，單元為2節點剛體單元R2D2，取1/4模型如圖3所示。模型中波紋管與直井為面面接觸，邊界條件是對稱邊界條件[9]，對波紋管施加的載荷為內壓30 MPa。圖2中A、B、C三點分別是波谷處內徑，長軸處內徑和波峰處內徑。通過對所建模型的分析，對不同井眼直徑的可膨脹波紋管的波峰、波谷、長軸及不圓度隨壓力的變化關系進行研究，得出井眼直徑對膨脹波紋管膨脹性能的影響規律。

圖3 1/4剛性井眼模型示意圖

3 直井段中井眼直徑對波紋管膨脹過程的影響

3.1 不圓度隨壓力的變化

模型施加內壓30MPa，模擬波紋管在裸眼井中受內壓膨脹的過程。井眼直徑為230 mm、237 mm、239 mm、241 mm、243 mm和245 mm，波紋管壁厚為8 mm，進行模擬后得到直井中波紋管膨脹過程[10]。井眼直徑對波紋管不圓度的影響如圖4所示。從圖4可以看出，隨著內壓的增加，波紋管膨脹，不圓度逐漸減小；內壓在0～5 MPa時，井眼直徑對波紋管的不圓度基本沒有影響；當內壓達到5～7.5 MPa時，井眼直徑越小，不圓度就越大；當內壓達到10～30 MPa時，井眼直徑對不圓度有顯著影響，井眼直徑越大，不圓度越小。

圖4 不同井眼直徑對波紋管不圓度的影響

由于Φ215.9 mm膨脹波紋管未成型之前的尺寸為237 mm，因此，井眼直徑小于237 mm時，波紋管膨脹不充分。在井眼直徑為237 mm的直井段中，波紋管經過膨脹后剛好貼合到井壁上，但在0～5 MPa時，其不圓度曲線呈現S形（見圖4），說明在井眼直徑為237 mm的直井段中，波紋管膨脹相對較為困難。

3.2 波谷處的直徑變化

不同井眼直徑對波紋管波谷處直徑的影響如圖5所示。由圖5可見，當內壓達到2.5 MPa時，波紋管波谷處直徑開始增大，并且隨內壓的增大而迅速不斷增大。井眼直徑為230 mm時，當內壓達到5 MPa后波谷處的直徑增長速度減小，膨脹到170 mm左右停止。井眼直徑為237 mm、239 mm、241 mm、243 mm和245 mm時，在內壓達到7.5 MPa左右，波谷處直徑隨內壓增大的速度變緩，最后在220 mm左右停止。井眼直徑越大，波谷直徑膨脹越大，井眼直徑為237～245mm時，井眼直徑對波紋管膨脹過程的影響并不明顯。

圖5 不同井眼直徑對波紋管波谷處直徑的影響

3.3 長軸處的直徑變化

井眼直徑對波紋管長軸處的直徑影響如圖6所示。從圖6可以看出，波紋管長軸直徑也是從內壓為2.5 MPa左右開始明顯增加，并在5 MPa時達到直徑最大值，內壓為5～30 MPa階段，長軸處的直徑變化幅度很小；井眼直徑為230 mm時，在內壓達到5 MPa以后長軸直徑增長速度逐漸減小，最后為0，說明膨脹波紋管長軸直徑在5 MPa后幾乎不膨脹。

圖6 不同井眼直徑對波紋管長軸處直徑的影響

3.4 波峰處的直徑變化

不同井眼直徑對波紋管波峰處直徑的影響如圖7所示。從圖7可以看出，井眼直徑為237～245 mm時，內壓達到5 MPa以后，波峰處直徑有個平緩降低的過程。井眼直徑對波紋管波峰的膨脹過程有明顯影響，相同壓力下，井眼直徑越大，波紋管波峰處的直徑越大。

圖7 不同井眼直徑對波紋管波峰處直徑的影響

圖8 不同井眼直徑對波紋管膨脹性能的影響

圖8為不同井眼直徑對波紋管膨脹性能的影響。從圖8可以看出，井眼直徑為230 mm時，膨脹波紋管并沒有膨脹完全，對其充壓5 MPa左右，當波紋管膨脹到波峰位置時，即使再對波紋管充壓，也不會膨脹；當井眼直徑為241～245 mm時，膨脹波紋管的波谷處、長軸處、波峰處的內徑隨壓力變化曲線幾乎重合，波紋管不僅膨脹完全而且與井筒分離；井眼直徑為237～240 mm時，不僅可以膨脹完全而且緊緊貼合在井筒內壁。

4 試驗結果對比

將波紋管長軸外徑的模擬結果與試驗結果做對比，如圖9所示，誤差統計結果見表2。由圖9和表2可以看出，模擬結果與試驗結果基本一致，膨脹誤差為0.62%～1.94%，說明計算結果可靠。

圖9 波紋管長軸處外徑的模擬值與試驗值對比

表2 波紋管長軸處外徑的誤差情況對比

5 結 論

（1）井眼直徑為230～237 mm時，井眼直徑對波紋管的膨脹性能影響較大，井眼直徑越大，波紋管越容易膨脹；在井眼直徑為237～245 mm時，井眼直徑影響較小。

（2）在波紋管膨脹的過程中，不圓度隨壓力的增加而不斷減小，且井眼直徑越大，不圓度越小。

（3）在同一材料、同一井眼直徑的情形下，井眼直徑對波紋管波谷、長軸、波峰處的直徑有影響，井眼直徑越大，波谷、長軸、波峰處的直徑越小。

（4）規格為Φ 215.9 mm的膨脹波紋管適用的井眼直徑為237～241 mm，通過與試驗的對比，證明結果可靠。

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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

中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院研究項目“大尺寸膨脹波紋管力學特性分析”（項目編號10010099-15FW1907-0012）。

朱冰冰（1991—），女，碩士研究生，主要研究方向為油氣生產裝備失效分析與完整性管理。

2017-06-26

編輯：李 超