计算膨胀管膨胀力的新方程

膨胀管技术的关键在于膨胀管的选材、螺纹联接以及膨胀机构;膨胀力是设计、验算膨胀工具强度的重要依据。在考虑钢材的性能,井眼中的管柱空间形状、膨胀工艺、膨胀芯头的锥角以及膨胀芯头与套管内壁的润滑状况等因素对膨胀力影响的基础上,结合管柱塑性性能和塑性变形理论,采用主应力法得出了计算膨胀力的解析方程,并进行了实验模拟。实验数据和理论计算结果吻合较好,证明该膨胀力计算公式是可靠的,可以应用到工程中解决实际问题。     

膨胀管技术金属流动行为计算机模拟研究

膨胀套管技术是节约井眼直径的钻井新技术,现已投入实践,而在我国尚处于理论探索阶段。应用ADINA软件,建立了可膨胀管膨胀过程的力学模型.研究了在不同摩擦系数和不同膨胀幅度情况下,壁厚为8.94 mm的95/8″套管的膨胀过程,并且进行了详细的计算机模拟。通过分析、比较沿膨胀管径向不同位置处的单元节点组的位移量,得出了在不同的摩擦系数和不同的内径膨胀幅度时金属的流动规律,为膨胀芯头的结构设计和材料选择以及膨胀技术的实际应用提供了理论参考依据。     

膨胀管膨胀参数优化和膨胀模拟

为了使膨胀管的膨胀过程顺利进行,研究了膨胀锥锥角、膨胀锥与膨胀管之间的摩擦因数等参数对壁厚减薄量、轴向长度收缩量和膨胀力的影响,并优化了膨胀参数.在参数优化的基础上,利用ANSYS有限元分析软件对X52膨胀管的实际膨胀过程进行了模拟,结果表明:膨胀管膨胀后壁厚变薄,轴向长度收缩;轴向和环向的残余应力较大,其他方向的残余应力较小;膨胀力随着膨胀过程的进行呈现一定的变化规律.通过试验结果和模拟结果的比较,验证了模拟的合理性.     

长寿命膨胀锥及其发射器设计

膨胀锥的外形结构决定了膨胀过程中塑性变形力的大小,其中关键因素是膨胀锥锥角。通过对实体可膨胀管膨胀过程进行数值模拟研究,得出膨胀管与膨胀锥在不同的接触条件;膨胀管在不同的膨胀率及不同的壁厚条件下,膨胀变形力与膨胀锥锥角的关系。在选定了膨胀管材料和确定了膨胀率之后,可确定膨胀锥锥角最佳值。研制了新型PZG-bj型膨胀锥材质。在配合内润滑涂层的条件下,其使用寿命已经达到现场实验连续膨胀150 m无明显损伤;室内实验间断膨胀条件下累计行进450 m无明显损伤。研制出一种发射腔挤压成型的可钻发射器,具有加工工艺相对简单,成本低,可靠性高等优点,单根补贴效率可提高50%。     

可膨胀管膨胀过程三维有限元数值模拟

为合理设计膨胀工具及制订膨胀工艺,采用三维弹塑性接触问题有限单元法,建立了实体可膨胀管膨胀过程的三维非线性接触问题有限元分析模型.通过对所建模型的求解,对可膨胀管膨胀过程中膨胀变形力、套管膨胀后的残余应力及轴向位移、膨胀工具模角的关系进行了深入细致的研究,找出了膨胀管与膨胀工具在不同的接触条件、可膨胀管在不同的内径膨胀率及不同的壁厚条件下,各参数之间相互制约的变化规律.通过实验测得的膨胀变形力与用本模型求得的结果符合得很好,相对误差仅为0.65%,完全可以满足实际工程的要求.     

膨胀式尾管悬挂器在长段套损井补贴中的应用

华北、辽河、长庆等油田的某些长段套损井甚至全井套管腐蚀井,修复套损技术难度较大,成本较高。开发了膨胀管悬挂小套管二次完井技术,利用膨胀管悬挂器悬挂长段小套管+管外自膨胀封隔器完井;在常规5(1/2)″套管井眼中新增一层套管结构。研制了胀锥锁紧装置,避免了未完成固井即完成悬挂的问题。通过室内试验对膨胀式尾管悬挂器膨胀性能、密封性能、悬挂性能、膨胀管+遇水膨胀橡胶膨胀后密封性能以及配套工具进行检验,结果满足现场试验要求。该技术目前已在华北、长庆等油田应用多口井,应用效果良好。     

裸眼井中膨胀管外壁胶筒的井眼适应性分析

为了更加合理地对裸眼井膨胀管外壁定型胶筒井眼尺寸进行选择,建立了膨胀管、胶筒、井眼和膨胀锥三维有限元模型并对其膨胀过程进行非线性有限元分析。通过对直径为194 mm的膨胀管在不同井眼下的膨胀过程进行分析后发现:随着井眼直径的减小,胶筒的压缩率、接触压力以及所需膨胀力逐渐增大,井眼直径为218 mm时胶筒前端和末端橡胶体积变化显著,造成该处的密封性能下降。因此,采用的定型胶筒应避免在直径小于218 mm的井眼中使用。在胶筒稳定膨胀阶段,226 mm和230 mm的井眼胶筒所需膨胀力相差不大,波动幅值平稳。同一井眼中,最先膨胀的胶筒压缩率、接触压力及所需膨胀力都高于后膨胀的两个胶筒,但是随井眼直径的增大,三个胶筒的压缩率、接触压力以及所需膨胀力不再受膨胀的先后顺序影响。此外,随着井眼直径的增大,胀后胶筒处的膨胀管残余应力逐渐减小。同时膨胀管内外壁残余应力的波动逐渐减弱,大小趋于相等。可见研究结果为裸眼井中膨胀管外壁胶筒的选型以及膨胀管的井眼适应性提供了理论基础。     

膨胀芯头的结构设计

本文针对膨胀芯头的结构设计进行讨论。首先分析了膨胀芯头的结构组成，然后根据有限元理论进行力学模型的建模并进行膨胀模拟，最后对模拟结果进行详细分析。     

膨胀管技术及膨胀工具的改进与计算

膨胀管技术主要应用于优化井身结构、预防井壁掉块及坍塌、封堵高压层或低压漏失层、修补井中损坏的套管等,被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。但目前在国内油田现场试验中存在膨胀过程中膨胀工具易卡、膨胀后膨胀工具不易取出等问题,为此,本文对膨胀工具进行了改进,并进行了膨胀工具的优化设计计算,改进后的膨胀工具有望成为套损井修复的核心技术。     

水介质对圆柱壳体爆炸驱动膨胀过程的影响

为了研究水介质中圆柱壳体在炸药爆轰驱动下的膨胀特性,采用超高速狭缝扫描和阴影成相技术获得Φ25 mm标准圆筒在水介质中的膨胀历程;并结合圆筒在空气介质中的膨胀特性进行了对比分析。结果表明,在水介质中壳体的膨胀速率在初期突升至0.8 mm/μs,然后在55μs内逐渐下降至0.25 mm/μs;且由于水阻力与爆轰产物的膨胀力相当,则壳体的环向应力相对于其他方向的应力较大,导致电镜扫描照片中壳体的条纹方向较为单一。壳体的裂纹主要沿轴向扩展,所形成的破片近似为长条状;而在空气介质中壳体的膨胀速率在初期能够迅速上升到1.1 mm/μs,然后在20μs内逐渐上升至1.4 mm/μs;且由于空气对壳体的阻力相对较小,则壳体的径向应力与环向应力均较大,导致电镜扫描照片中壳体的径向条纹及环向条纹均比较明显,所形成的破片为小块状。     

膨胀管配合公差带设计方法研究

膨胀管技术主要应用于套损井的修复,具有悬挂力大,补贴强度高,密封能力强,抗内压、外压大,通径大等特点。为了改善膨胀管管体的抗挤压性能、提高套管补贴效果,通过试验分析了膨胀管膨胀力的主要影响因素,得到膨胀锥角度与膨胀率、膨胀压力的关系、润滑介质与膨胀压力的关系。在此基础上提出了膨胀配合公差带的膨胀管设计方法,并通过试验对设计的膨胀管的悬挂力和封压进行了测试,测试结果满足目前的套管补贴要求。     

背板对氧化铝陶瓷薄板断裂锥形态的影响

采用弹道侵彻试验与有限元数值模拟相结合的方法,研究了背板条件对氧化铝薄板陶瓷/金属复合装甲在抗12.7 mm穿燃弹过程中形成的陶瓷锥角大小与形态的影响,并分析了陶瓷锥形成的过程与机理.结果表明:背板厚度对于陶瓷锥大小的影响尤为明显,当背板厚度增大时,主裂纹汇聚的交点越靠近弹靶接触面,此时拉剪裂纹的扩展起到了主要作用,当背板厚度与陶瓷厚度之比小于1时,厚度比每增大1/6,陶瓷锥锥角大小增加5%;当界面间波阻抗差值减小即背板材料波阻抗升高时,从界面反射的应力波减弱,从而减小了对陶瓷的损伤,陶瓷断裂锥锥角大小也随之减小.      

体积压裂套管剪切变形载荷分析及强度设计

页岩气开发过程中井筒穿越天然裂缝/断层,体积压裂时天然裂缝/断层容易被激活,导致套管剪切变形,套管内径缩小,井下工具无法下入。目前对套管剪切变形条件下的受力分析较少,现有研究主要采用套管Mises应力屈服准则判断套管失效,该准则对于套管大剪切变形问题已不适用。为探究天然裂缝/断层滑移导致的套管剪切变形问题,建立套管-水泥环-地层组合体有限元模型,对位移载荷作用下的套管力学行为进行研究。分析了各因素对套管受力及缩径量的影响,并提出套管缩径量与应力相结合的套管外载设计方法。研究结果表明:套管剪应力及Mises应力随地层滑移量增大而增大,在10 mm滑移量作用下,套管Mises应力已超过屈服强度,建议采用剪切载荷进行强度校核;套管缩径量主要集中在距离滑移面1 m范围内,套管局部区域出现膨胀现象;考虑套管变形量的载荷设计可以有效防止体积压裂过程中套管变形导致压裂工具无法下入的问题。     

小井眼套管整圆工具有限元力学计算

玛湖地区是重要的非常规油气聚集区块。在开发过程中发现,压力窜逸引起套管变形损坏,常规套管修复工具无法满足修复要求。因此,设计小井眼套管整圆工具。为评价小井眼套管整圆工具的修复效果,建立套管整圆评价函数,并采用有限元方法建立?127 mm套管变形模型,模拟玛湖地区因压力窜逸引起的套管变形过程,在此基础上建立膨胀锥-变形套管力学模型,模拟小井眼套管整圆工具对变形套管的无损修复过程。在模拟中,变形套管管内面积从8 354.54 mm²修复至8 500.71 mm²,管内面积平均增加约146.17 mm²,套管平均整圆效率约为53.83%。结果表明,小井眼套管整圆工具具有显著的修复效果。本技术可为井筒完整性长生命周期提供技术借鉴。     

钻孔灌注桩桩头静态破碎原理与裂纹发展机理

静态破碎技术近年来在混凝土构筑物的拆除中得到了广泛应用,将该技术应用于钻孔灌注桩桩头的破除是一种新的破除方案,可以避免粉尘和噪音污染。为了分析桩头静态破碎过程中的应力分布和裂纹发展规律,利用RFPA^2D软件建立了桩头裂纹发展数值计算模型,得到了一些重要结论。研究结果表明：静态破碎是一个持续发展过程,当膨胀压达到混凝土抗拉强度,裂纹开始产生,随着膨胀压的增大,在尖端应力的作用下,裂纹得以继续发展;当膨胀孔直径为40mm时,在灌注破碎剂大约7h后膨胀压达到20MPa,混凝土开始产生裂纹;膨胀孔裂纹大致呈两条或三条形式发展,一条伸向最小抵抗线方向,其余指向相邻膨胀孔;直径为600mm和800mm的桩头在应力场分布和裂纹发展模式上差异不大。