膨胀套管的力学行为对抗挤强度的影响

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套管抗挤强度统计分析研究

Ｎｏ．２０ｖ０７
Ｖｌ．２Ｎｏ６０２．１
文章编号：６３０４２０）６０８ —４１７ —６Ｘ（０７０ —０９０
套管抗挤强度统计分析研究
Ｓａｉｔｎｌｓｓａｄｃｌｕａｉｎｏａｇｃｌｐｅｓｒｎｔｔｔｉａａｙｉｎａｃｌｔｆｃ￣ｎｏｌｓｔｅｇｈｓｃｏａ
究表明，套管抗挤强度主要由径厚比决定；套管计算屈服外压和失稳外压等其他参数及其交互作用对套管的抗挤强度也有显著影响；套管外径和壁厚数据的变异系数比外径不圆度和壁厚不均度对
套管抗挤强度的影响更显著．最后给出了套管抗挤强度统计计算公式，为生产厂和用户提供了预测套管抗挤强度的简单实用的计算方法．
一
【川
．
轴向约束条件下得到的，后面的讨论都是建立在理想圆套管、均匀外压和平面应变基础上的．工程实际和理论研究表明，想圆套管在均匀理
外压下有以下两种外压挤毁模式：一是稳定性不够，套管弹性失稳破坏．９７年ｗ．Ｃｉｄｎｔ出套１３Ｏ．ｌｅｉｓ提ｎ管失稳外压计算公式［３］
Ｐ
金技术的进步，套管几何精度、材料性能均有明显改善．这使得套管实际抗挤强度明显提高，有的远远超过ＡＩＰ计算强度【ＡＩ２，Ｐ的计算公式已不能准确预２Ｊ测套管实际抗挤强度．
本文分析了管材所近年来石油套管全尺寸挤毁
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２００７年１月１
第２２卷第６期
西安石油大学学报（自然科学版）ＪｕｎｌｆｉｎＳｉｕＵｉｒｔ（ａｕａＳｉｃＥｉｏ）ｏｒａｏＸｈｏｎｖｓｙＮｔｒｌｃｎｅｄｉａｙｅｉｅｔｎ

套管膨胀后抗挤毁性能的有限元模拟分析

术在我国得到较快发展，其在理论方面国内学者尤做了大量的研究，主要集中在套管膨胀过程的力但
着手分析了套管膨胀后的挤毁情况，为后续的有限元分析提供了套管膨胀后挤毁失效的力学判断标准。
１１二维力学模型．
收稿日期：０９０ — ；回日期：０９０ — ４２０ — ７１改７２０ — ９１
胀过程中残余应力的存在，以及残余应力和膨胀过
程的密切相关性导致膨胀后的抗挤毁性能更难用解析方法求得精确解。为此，笔者采用有限元法，分析了抗挤毁压力和膨胀后实体管中残余应力和Ｄ／ｔ（膨胀后实体管的直径和厚度比）间的关系，建之为立膨胀管膨胀后的挤毁压力方程提供了数据支持。
可膨胀套管技术最早由壳牌公司在２Ｏ世纪９０年代提出，要用于封堵复杂地层、管修复等领主套域，以达到用同一尺寸的套管代替现行多层套管的
目的，而保证同一井眼内多个复杂地层的钻进安从套管膨胀后的挤压分析目前还没有很成熟的理
第３７卷第６期
２００９年１月１
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术
Ｖｏ＿ｌ３７．ｏＮ．６ＮＯＶ２９．，００
ＰＥＴＲ（ＩＥＵＭＤＲＩＩ；ＴＥＣＨＮ１）ＩＩＮ（ＱＵＥＳ

膨胀管膨胀后抗挤强度计算方法及影响因素分析研究

膨胀管膨胀后抗挤强度计算方法及影响因素分析研究膨胀管在下井施工中同时受到各种力学载荷的影响，管材膨胀后会发生塑性变形，同时管材的径厚比也会发生变化，为了相对精准地计算膨胀管材受载荷作用后的抗挤强度，应该系统全面地分析各种因素对膨胀管材受力后抗挤强度的影响。

本论文首先根据弹塑性力學原理，建立膨胀管在均匀外挤载荷作用下的力学模型；然后推导出计算公式，再针对膨胀管的制造缺陷进行了修正，最后提出计算模型，为膨胀管工程作业抗挤强度的计算及原因分析提供工程指导。

标签：膨胀管；抗挤强度；计算方法；抗挤原因1 膨胀管膨胀后抗挤强度计算模型建立目前，世界石油工业中应用比较普遍的挤毁压力计算公式是API公式。

在API标准中的四个挤毁压力公式中，塑性挤毁公式和弹塑性挤毁公式是目前膨胀管设计时使用最频繁的，这两个公示都是通过试验，然后将数据经过数理回归统计，最后计算求出结果的，对于下井后的高抗挤强度的膨胀管和带有明显制造缺陷的API标准膨胀管是不适用的。

本文首先建立理想圆管弹塑性挤毁计算判据，然后考虑到膨胀管的轴向尺寸和膨胀后的变形情况，根据弹塑性力学理论，把膨胀管实际的问题转变成平面应变的问题来处理。

需要做如下假设：①膨胀管管材为各方向同性的弹性体；②载荷只考虑均匀外挤力，忽略其它的荷载。

设应力函数为：φ=A lnr +Br2 lnr + Cr2+D理想圆管的抗挤强度计算式为：实际的膨胀管力学受力分析不同于理想的圆管，所以，需要对理想圆管抗挤强度的计算式给予修正：取E=207000Mpa，μ=0.3，得到理想圆管的弹性失稳临界外压为：实际膨胀管的抗挤强度与理想圆管的临界外压之间大致有以下近似关系：D—膨胀管管材的外径，mmt—膨胀管管材的壁厚，mmPc—膨胀管管材的抗挤强度，MPaPE—理想圆管的弹性失稳临界外压，MPaP—理想圆管的弹塑性挤毁外压，MPa2 膨胀管膨胀后抗挤原因分析利用计算模型，通过有限元分析以及抗挤强度强度计算模型的分析可以发现膨胀后管子抗挤强度下降，主要原因有：2.1 膨胀过程中材料的包辛格效应（Bauschinger Effect）在管柱膨胀时，内挤压力使管子沿径向向外发生膨胀，膨胀以后的工作状态下，它将承受内压力、外压力和拉力。

套管钻井扭转残余应力对套管抗挤强度的影响

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第３５卷第５期
２００７年９月
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技
术
ＰＥＴＲＯＩＥＵＭＤＲＩＩＩＩＮＧＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ
●套管钻井专题
套管钻井扭转残余应力对套管抗挤强度的影响
套管钻井中，套管管柱除用作传递动力扭矩外，完钻后还将留在井底进行后续的完井作业［］１。在钻进过程中套管管柱的旋转动力来自井口所施加的扭矩。对应于不同大小的扭矩，管柱可能处于弹性、弹塑性或塑性三种扭转状态中的一种。当处于弹性
扭转对作为完井管柱的套管柱性能的破坏，加扭施矩时应防止套管柱发生塑性扭转。因此，者主要笔考虑了处于弹塑性扭转状态时残余应力对套管抗挤
强度的影响。
式中，为最大剪切屈服应力。此时扭矩Ｍ可通过截面上的剪应力对圆心求
基金项目：育部 “ 江学者和创新田队发展计划 ” 新团队教长创
项目（号：Ｒ０】）国家自然科学基金重大研究计划项目编１Ｔ４１及
“ 前构造深井轨迹的偏斜规律与控制理论研究 ”（号：山编９４００）０１０６资助
的确定方法，应不同的扭矩，管具有弹性、塑性和塑性三种不同的扭转状态；论了不同扭转状态下残余应对套弹讨力的分布情况，算了在弹塑性扭转和塑性扭转情况下的平均残余应力，导了考虑残余应力影响下的套管抗挤计推强度修正公式。算例分析结果显示，发生弹塑性扭转的情况下残余应力使套管抗挤强度下降了００３，保证在．３在管体不发生几何形状改变的条件下，忽略残余应力对套管抗挤强度的影响。可关键词：管钻井；管；矩；余应力；压强度套套扭残抗中图分类号：２２９ＴＥ２。２ＴＥ４．；９５．。文献标识码：Ａ文章编号：（卜０９（０７０－０ＯＯ１（８０２０）５０１ —４）］

石油膨胀套管的力学性能及膨胀后的残余应力

第44卷第7期2010年7月西安交通大学学报JOU RNA L OF XI c AN JIAOT ONG UN IVERSIT YVol.44 l 7Jul.2010收稿日期:2009O 11O 30. 作者简介:唐明(1969-),男,博士,高级工程师. 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2006A A06A105).石油膨胀套管的力学性能及膨胀后的残余应力唐明1,王璐璐2,马建忠1,宁学涛1,马新沛2(1.胜利石油管理局钻井工艺研究院,257017,山东东营;2.西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,710049,西安)摘要:针对选用的X52石油膨胀套管,通过不同的热处理工艺进一步改善其膨胀性能,研究了膨胀加工前后材料性能的变化规律.对于经扩径膨胀率达20%的管材,使用应力释放法测量了膨胀前后内外壁及焊缝熔合区、热影响区的轴向和环向残余应力.结果表明:经扩径膨胀后,管外壁的轴向和环向残余应力均为残余压应力,焊缝熔合区和热影响区的残余应力由拉应力向压应力转化,其中轴向残余应力变化幅度较大;管内壁膨胀后轴向与环向的残余应力均为残余拉应力.另外,对于不同膨胀率下力学性能与残余应力之间的关系中呈现的异常现象也进行了分析.关键词:膨胀套管;力学性能;残余应力;热处理中图分类号:TG142 文献标志码:A 文章编号:0253O 987X(2010)07O 0090O 05Mechanical Properties of Expansion Casing andResidual Stress after ExpansionT ANG M ing 1,WANG Lulu 2,M A Jianzhong 1,NING Xuetao 1,M A Xinpei2(1.Drilling T ech nology Res earch Institute of S hengli Petr oleum Administration,Dongying,Sh andong 257017,C hina;2.S tate Key Laboratory for M echanical Behavior of M aterials,Xi c an Jiaotong U niver sity,Xi c an 710049,China)Abstract :The ex pansion pr operties of X52pipe w er e im pro ved by heat tr eatment process,and the per fo rmance difference before and after expansio n w as inv estig ated.For pipes w ith diam eter ex pansion up to 20%,the axial and circum ferential residual stresses on inside and outside w alls,w eld fusion zo ne and heat -affected zone w ere measured by the stress releasing m ethod.The re -sults show that both the axial and circumfer ential residual stresses on the outside w all of the pipe ar e com pressive after ex pansion,and in the w eld fusion zone and w eld heat affected zone the re -sidual str ess varies from tensile to co mpr essive,especially for the ax ial residual stress.On the in -side w all,residual tensile stress appears in both dir ectio ns after ex pansion.In addition,the ab -norm al relatio nship o f the mechanical pr operties and residual stress under different expansion is analyzed.Keywords :ex pansion casing ;m echanical pro perty;residual stress;heat treatment 膨胀套管技术是石油工业中发展迅速的一项可明显降低钻井完井成本的新技术.膨胀套管用于井身结构优化,可以减小井眼锥度,提高建井效率,降低成本;利用膨胀套管可以封堵复杂地层和进行套管补贴[1].国外近年来积累了多次成功使用膨胀套管技术的经验,取得了显著的经济效益,而我国对膨胀套管技术的研究还处于起步阶段,有许多技术问题有待解决,其中对膨胀套管材料的研究更是一个急迫的关键技术问题.为满足大变形的工程需要,膨胀套管材料应具备强度和塑性的良好配合,但是一般的石油管材难以达到这样的要求,成为制约膨胀套管技术工程应用的重要因素.膨胀套管的残余应力问题也受到人们的很大关注.膨胀套管在制造和扩径膨胀中都会产生残余应力.套管下入井眼后进行的膨胀是一个缓慢的冷塑性变形过程,会在套管内形成较大的残余应力,这对膨胀套管的使用性能及正常服役将产生很大影响,环向上的残余压应力会导致套管在膨胀后抗挤强度下降,从而降低套管的承载能力.对膨胀套管残余应力的研究已有一些报道,例如:张建兵等[2]采用切环法将扩径膨胀后的管材沿纵向切开,任其自由收缩,再测量其直径,之后按照相关公式计算试样中的平均环向残余应力,试验管材的扩径膨胀率为510% ~612%;练章华等[3]根据弹塑性力学有限元法,分析了膨胀套管内残余应力的分布;唐明等[4]将切环法与电测法相结合,测试分析了膨胀套管环向残余应力沿壁厚的分布.残余应力的分布及大小与变形量密切相关,然而对于高扩径膨胀量下的情况,至今尚未见报道.本文以膨胀套管材料为研究目标,选择A PI标准中的X52管材作为研究对象,进行了高达20%的实际扩径膨胀,探索了不同热处理工艺对改善管材膨胀性能的影响,并研究了膨胀前后管材的力学性能及残余应力的变化.1试验方法本试验所用管材为X52直缝焊管,包括未膨胀和膨胀率e(内径扩大率)分别为约10%和20%的管材,其化学成分质量分数为:C0112%,Si0128%, Mn1125%,P0102%,S0101%,V+T i0108%.管材的几何尺寸见表1.表1X52管材膨胀前后的尺寸膨胀率/%壁厚/mm外径/mm内径/mm81882201720219 91981402401422310201771732621524510在API标准中,对X52管材的力学性能要求为:屈服强度R y=359~531M Pa,抗拉强度R b=455 ~758M Pa,延伸率D\18%(拉伸试样面积S<60 mm2).在对膨胀套管力学性能的要求中,塑性可以说是最重要的性能指标,塑性越高安全性就越强,可使膨胀套管承受较大变形量而不破裂.为提高塑性,采用了几种不同的热处理工艺,包括可以使钢铁材料获得良好综合力学性能的调质处理,以及可以提高塑性的亚温淬火、高温回火及退火处理.根据X52钢的相变临界点(A c1、A c3点的温度分别为740和880e),所选取的具体工艺如下.(1)调质处理:900e淬火+650e回火.(2)亚温淬火+高温回火:790e淬火+650e 回火.(3)高温回火:650e回火.(4)退火:900e加热后炉冷至600e空冷.力学性能测试在Instron1195电子拉伸试验机上进行,拉伸速度为2mm/min.采用机械切割应力释放法,以电测方式对膨胀前后的X52管材进行内外壁及焊缝熔合区、热影响区的轴向和环向残余应力测试,测试仪器为SDY220S型程控静态电阻应变仪.2试验结果与分析211扩径膨胀前后的力学性能测试结果对未膨胀及不同膨胀率的管材试样进行了力学性能测试,结果见表2.表2X52管材扩径膨胀前后的力学性能e/%R y/M P a R b/M Pa D/%4565403011 919574647201620175806521517由表2可知,由于扩径膨胀是材料的冷变形过程,因此形变强化的作用导致扩径膨胀后材料的屈服强度和抗拉强度都得到了提高,而材料的延伸率则大幅降低.在膨胀率约为10%时,屈服强度提高了118MPa,延伸率由30%降至20%;当膨胀率增加至约20%时,延伸率仍有下降,不过下降幅度较小,而材料的强度仅略有提高.这是值得注意的现象,后面将对此进行讨论.212热处理后的力学性能测试结果及分析对经不同工艺热处理后的X52管材试样进行了力学性能测试,结果见表3.表3各种工艺热处理后的力学性能热处理工艺R y/M P a R b/M Pa D l0=50mm/%原始态4565403011调质处理4275133317亚温淬火+高温回火4355163514高温回火4265293219退火320465351391第7期唐明,等:石油膨胀套管的力学性能及膨胀后的残余应力由表3可知,经不同工艺热处理后,材料的塑性均有不同程度的提高,其中亚温淬火+高温回火对延伸率的改善效果最好,可使延伸率达到3514%.退火处理虽然也可使延伸率达到3513%,但是热处理周期长,生产成本高,实际生产中不宜采用.许多资料表明,亚温淬火能够降低材料的强度,提高材料的塑性和韧性[5O6].这是因为亚温淬火时,淬火温度处于A c1~A c3的两相区,奥氏体转变不完全,留有较多的塑性较好的未溶铁素体,而且由于亚温淬火加热温度低,晶粒细小,所以使材料具有较高的塑韧性.以上试验数据也表明,亚温淬火对于改善X52的塑性是有良好作用的,而且该工艺切实可行. 213残余应力测试结果及分析本文首次针对经实际扩径、膨胀率高达20%的膨胀套管,使用机械切割应力释放法测量了膨胀前后管材内外壁表面及焊缝熔合区、热影响区的轴向和环向残余应力.测量方法是将电阻应变片黏贴在膨胀套管的内、外壁表面,用钻头在围绕应变片约40mm@40mm的方块上连续钻孔,使被测点与管体完全分割开.由于释放应变处与被测残余应力处在同一位置上,且应力充分释放,因而该法比较直接,精度也比较高.通过电阻应变片测得套管的微应变数据,利用平面广义虎克定律将测得的微应变换算为应力,公式如下[7]R1=E1-L2(E1+L E2)(1)R2=E1-L2(E2+L E1)(2)式中:R1为轴向应力;R2为环向应力;E1为轴向应变; E2为环向应变;E为弹性模量,本文取为210GPa;L 为泊松比,本文取为013.测试采用的应力释放法等效于反向加载,故所得数据反向(乘以-1)之后即为膨胀套管轴向和环向的残余应力.由图1可知,对于远离焊缝的基体部位来说,膨胀后套管外壁的轴向及环向残余应力均为残余压应力,而内壁的轴向及环向残余应力均为残余拉应力.从图1a、图1b可以看到,对于焊缝熔合区和热影响区来说,当套管进行约10%的膨胀后,外壁的残余拉应力迅速向残余压应力方向转变,并且变化幅度相当大,尤其是轴向应力,变化幅度高达200~ 300M Pa,而环向应力的变化幅度相对较小.当膨胀率继续增大至约20%时,残余应力的变化幅度都急(a)外壁焊缝熔合区和热影响区的轴向残余应力(b)外壁焊缝熔合区和热影响区的环向残余应力(c)内外壁基体上的轴向残余应力(d)内外壁基体上的环向残余应力图1膨胀前后残余应力的变化趋势剧减小,其中焊缝热影响区的环向应力基本无变化.由图1c、图1d可知,套管膨胀前内外壁的基体92西安交通大学学报第44卷表面均为残余拉应力,根据应力平衡原理可以判定,内外壁之间必有残余压应力区域存在.由图1c可知,当套管进行约10%的膨胀后,外壁基体上的表面轴向残余应力由较小的残余拉应力转变为很大的残余压应力,变化幅度高达370M Pa,而内壁基体上的轴向残余应力则向拉应力方向增大,转变为较大的残余拉应力.当膨胀率继续增大至20%时,内壁基体上的轴向残余应力继续向拉应力方向增大,而外壁基体上的轴向残余应力变化很小.由图1d可知,当套管的膨胀率为10%时,外壁基体上的环向残余应力向反方向转变,由残余拉应力转变为残余压应力,变化幅度约为160M Pa,而内壁基体上的环向残余应力则向拉应力方向急剧增大,高达300M Pa以上.当膨胀率继续增大至20%时,内壁基体上的环向残余应力反而急剧减小,降低为153M Pa,而外壁基体上的环向残余应力基本无变化.以上数据及分析展现了一个奇异现象,即当膨胀率高达20%时,残余应力的变化幅度明显减小,其数值基本不变化甚至更小(如内壁基体上的环向残余应力),只有内壁基体上的轴向残余应力变化是例外.与表2相对比可以发现,当膨胀率为10%时,材料的强度大幅提高,塑性明显下降,而当膨胀率增大到20%时,强度基本没有进一步提高,塑性下降的幅度也明显减小.这种情况与残余应力的变化有相似之处,但与一般冷变形强化的规律不符.一般来说,冷变形量越大,则形变强化的效果越好,使强度提高,塑性下降,这是一个普遍规律.但是,本试验所出现的现象却并非如此,这很值得探讨,而且随膨胀率的增加,强度的变化规律与残余应力的变化规律相吻合,说明这两者之间是相关联的,与材料在冷变形过程中微观结构的演变必然有内在联系.文献[8]认为,冷变形金属内部存在大量的点缺陷)))空位和间隙原子,储存了较高的弹性畸变能,具有通过发生回复与再结晶降低能量的倾向.回复现象很复杂,影响因素很多.在低温时,回复主要与点缺陷的运动有关,因为点缺陷运动所需的热激活能较低,因而在室温或0e以下就可以进行.单个的点缺陷运动到界面处(小角度界面或大角度界面)会消失,单个的空位也可以结合成空位对.随着这种回复现象的发生,强化效果减弱.文献[9]的研究发现,金属在外部压力作用下产生变形时,原晶粒内部被很多变形带和切变带分割成许多白亮的小块,经分析认为,这是由于切变带与变形带位错密集处发生回复过程产生了无畸变区所致.变形时外部施加的能量易在位错缠结切变带和形变带处产生应力集中,从而使碳原子从柯氏气团中释放、激活而发生应力时效,加之滑移面间P-N 力和杂质引起的附加应力、割阶林位错等造成的摩擦热以及释放出的储存能,使位错缠结处局部温度升高,导致发生回复现象,而经历大变形量的试样所测得的形成稳定再结晶晶核的激活能为70kJ/ m ol,小于A-Fe的晶界扩散激活能133kJ/mo l.这些结论说明,变形试样在未加热保温时已存在回复现象.以上观点可以在一定程度上解释本文中的反常现象.在一定的冷变形范围内,金属随变形量增加在其晶体内部会产生大量缺陷,包括点缺陷(空位和间隙原子)、线缺陷(位错)和面缺陷(亚晶界),畸变能逐渐增加,因而产生形变强化,变形量越大,缺陷密度越高,强化效果也越好,而变形量越大,储存的能量就越高,发生回复再结晶的驱动力也越大.一般采用加热到一定温度、使冷变形金属在有限时间内充分进行回复与再结晶的方法,以达到消除冷变形产生的缺陷和残余应力、降低强度、恢复塑性的目的.如果在较高温度下进行热机械变形,则在变形的同时就会发生动态回复与再结晶,导致金属软化,因而热变形不能产生形变强化的效果[10O11].本文所用的金属材料在膨胀率处于10%~ 20%之间时,似乎出现了抵消进一步产生形变强化的因素,根据文献[8O9]的观点,有可能在膨胀过程中发生了回复,即类似于热机械变形的过程.如上所述,文献[9]认为回复在室温甚至0e以下就可以进行.一般冷变形速度很快,回复现象不明显,表现为以形变强化效果为主,而本文所用材料在膨胀变形时速度极慢,比一般变形速度慢几个数量级,数十小时才能完成扩径膨胀过程,这就为回复的充分进行提供了有力条件.显然,变形量越大,回复的驱动力就越大,转变过程也就越快,回复就有可能进行得较充分.表3的强度数据及图1的残余应力数据都支持了这一推论,即正是由于回复的作用,使得膨胀率由10%增大至20%时强度提高不明显,残余应力的变化也大大减小,甚至呈现反常.为研究是否发生了回复现象,在透射电镜下对试样的微观形貌特征进行了观察.图2为膨胀前后不同状态试样的高倍放大照片.由图2a可见,扩径前的试样中铁素体为多边93第7期唐明,等:石油膨胀套管的力学性能及膨胀后的残余应力形,内部存在较低密度的位错亚结构.当经冷变形扩径使膨胀率达到919%后,铁素体内出现了位错胞,这是典型的冷变形的微观结构特征,见图2b.如果发生回复,会出现变形后产生的位错胞转变为亚晶的过程.在这个过程中,不规则的位错重新分布,刃型位错垂直排列成墙(这种分布可显著地降低位错的弹性畸变能),晶粒在内部被这种位错墙分割成许多小的晶体,即亚晶.电镜下观察到的亚晶和变形后产生的位错胞在形貌上是不同的.位错胞的边界由于位错的紊乱缠结,界面宽而模糊且不规整,如图2b所示.亚晶界的界面很窄,平直而明锐,与晶内有较大的反差,同时亚晶的几何形状多半是规则的.从塑性和韧性看,当形成亚晶后,材料性能有很大的改善,形变强化的效果减弱,强度下降.从图2b可以看到,有些位错胞之间的边界已经细化,有转化为亚晶界的迹象.图2c所示为膨胀率达到2017%时材料的微观形貌,可见亚晶界与位错胞共存的现象更清晰.这些照片可以在一定程度上证实,在这样的冷变形条件下伴随着回复现象的共生.这是十分重要的探索,因为如果关于回复的结论成立,就可以减轻对于/膨胀率越大残余应力也越大0的担心.更有意义的是,若能找到产生此异常现象的原因,就可以充分加以利用,在确定扩径膨胀的工艺参数时,利用此现象尽量减小残余应力,使残余应力的有害影响得以减轻,提高膨胀套管使用的安全性.所以,这一研究具有重要的工程和理论意义,有必要在今后进一步深入.(a)扩径前(b)膨胀率为919%(c)膨胀率为2017%图2扩径前后试样的透射电镜照片3结论(1)当X52管材的扩径膨胀率为10%时,材料的强度大幅提高,塑性明显下降,而当膨胀率增大到20%时,强度提高的幅度很小,塑性下降的幅度也明显减小.(2)亚温淬火+高温回火的热处理工艺可在一定程度上改善套管的力学性能,使延伸率增大至35%.(3)经膨胀扩管后,残余应力的分布特点为:外壁基体的轴向和环向残余应力均为残余压应力,而内壁基体的轴向和环向残余应力均为残余拉应力;外壁焊缝熔合区与热影响区的轴向及环向残余应力均由膨胀前的残余拉应力向残余压应力方向变化,其中轴向残余应力变化幅度较大.(4)残余应力测试数据展现出一种异常现象,即除内壁基体的轴向残余应力以外,当膨胀率高达20%时,残余应力变化的幅度明显减小,甚至与膨胀率为10%时的残余应力基本相同.初步分析认为,这有可能是由于特定变形条件下发生了回复所致.对此现象进行研究具有重要的工程和理论意义,有待进一步深入.参考文献:[1]杨传勇.国外可膨胀套管技术的发展及应用[J].石油机械,2006,34(10):74O77.YA N G Chuanyo ng.D ev elo pment and applicat ion o f ex pandable tubing techno log y of ov erseas[J].China Petro leum M achiner y,2006,34(10):74O77.[2]张建兵,韩建增,陈建初,等.膨胀套管中的残余应力问题[J].石油钻采工艺,2005,27(2):18O20.ZH AN G Jianbing,HA N Jianzeng,CH EN Jianchu,eta l.Q uest ion o f r esidual str ess in ex pansio n casing[J].O il Drilling and Pr oductio n T echno log y,2005,27(2):18O20.[3]练章华,乐彬,张建兵,等.带有橡胶筒的膨胀套管内残余应力分析[J].钻采工艺,2007,30(5):108O110.(下转第113页)94西安交通大学学报第44卷F luids,1999,26(4):371O380.[6]张洋,王元,王大伟.DT-PT V离散相伪矢量的概率择优式剔除算法[J].西安交通大学学报,2009,43(5):119O123.ZH A NG Y ang,W A NG Yuan,W A NG Daw ei.Elim-inatio n o f discr et e phase o ut lier s in DT-PT V by prefer-ential pr obability[J].Jo urnal of Xi c an Jiaotong U n-iver sity,2009,43(5):119O123.[7]邱玉珺,邹学勇,张春来.沙粒跃移轨迹参数的统计研究[J].中国沙漠,2005,25(4):577O580.Q IU Y ujun,ZO U Xueyong,ZH A NG Chunlai.Stat is-tic study on trajecto ry parameters o f saltating sandg ra ins[J].Journal of Deser t Research,2005,25(4):577O580.[8]郭烈锦.两相与多相流动力学[M].西安:西安交通大学出版社,2002:351O352.[9]SA FF M A N P G..T he lift on a small spher e in a slo wshear flo w[J].F luid M ech,1965,6(22):385O400. 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膨胀套管

泵压12.4MPa。 • 试压：尾管头试压6.9MPa10分种，起钻时关防喷器试
压14MPa30分钟。 • 复杂：注水泥时下胶塞在大小头处卡住，并失去密封，
用第2胶塞压下，但在内管低端承压膜压不破，不能建立循环，后采用补救措施完成。
4 射孔段局部封隔
• 奥地利，V25井，7”油层套管，射开了上部水层，其下油层未射
•总体经济效益：
该井预计节省40万美元，由于新技术投入，实际只节省8.5万美元，预计硬件系统改善后节省29万美元，施工技术成熟后将时间节省算在内，预计可实现原设计的节省40万美元。
•间接经济效益：
多层套管封隔复杂地层，以便安全和有效的对付泥浆密度窗口窄的复杂问题。开眼直径小，可用较小直径防喷器、钻机和隔水导管。
唯一存在和还需继续研究的问题是螺纹密封完整性和抗挤强度。由于金属材料的包兴格（Bauschinger ）效应，抗挤强度会比膨胀前有所降低。这可通过选用具有较高抗挤强度的套管来解决。
清管
下入液压涨管密封试压钻下堵头
修补套管 Shell-Ha.膨胀方案（拟参考）
环型活塞悬挂密封单元
大小头注水泥胶塞
（2）南得克萨斯深水海洋钻井，Shell Rail Tijerina1 号井
• 水深：2286m • 类型：可膨胀尾管 • 尺寸：13 3/8”16”尾套技套 • 长度：180m，深195m至15.2m，封泥线下浅流砂层，
浅水层。 • 总施工时间48小时。
• 经济效益：在上述13 3/8”16”膨胀技套后，将原隔水导管
– 13 3/8”16”
– 11 3/4”13 3/8” – 9 5/8”常规套管
– 7 5/8”9 5/8” – 7” 平端无接箍套管。

J55套管的膨胀性能研究

表１试验用Ｊ５５套管的原始参数平均值表ｍｍ
编号
内径
外径
长度
１
碬１００．９２
碬１１５．０２
２００．１２
２
碬１００．８６
碬１１５．１４
２００．９６
１．２膨胀试验方法本试验选用模具钢Ｃｒ１２ＭｏＶ作为膨胀锥的材料，自主设计并加工膨胀锥用于Ｊ５５套管的膨胀。试验采用自上而下的膨胀方式，通过ＹＱ４１单臂液压机完成Ｊ５５套管的膨胀，如图１所示，液压机的底座固定，压头向下施加与膨胀套管轴向一致的载荷，膨胀锥在导向区段的引导下缓慢进入套管，套管在巨大的接
２．４拉伸力学性能及断口形貌研究２．４．１拉伸力学性能研究按照国标ＧＢ／Ｔ２２８ — ２００２，从膨胀前后的Ｊ５５套管中各自截取３个拉伸试样。根据金属材料室温拉伸标准ＧＢ／Ｔ２２８ — ２００２，试样的原始标距根据Ｌｏ＝
传统油气井钻井过程中，下入到井眼中的套管层次会随着井深而增加，所以在深井或超深井的钻井过程中可能出现因井眼直径的不断缩小而导致最终无法钻达目的层的情况［１］。面对这种状况，膨胀管技术针应运而生，其原理是利用膨胀套管的金属冷塑性变形特性，对膨胀套管进行径向膨胀来扩大井眼尺寸，这种技术类似金属塑性冷加工中的管材拉拨原理［２］。膨胀管在膨胀锥的挤压作用下进入塑性区域，发生塑性永久变形，从而使膨胀套管内、外径扩大。膨胀管技术广泛应用于钻井、完井、采油、修井作业中［３‐４］，解决了不少工程难题，被誉为是２１世纪石油钻采行业的核心技术之一。实体膨胀管的力学性能和材料本身及膨胀工艺等有密切联系，研究套管膨胀过程中力学和变形规律对于指导实体膨胀管的施工设计和套管选材有重要意义。本试验对ＡＰＩＪ５５套管进行径向膨胀，分析膨胀前后Ｊ５５套管在长度、壁厚、硬度、拉伸力学性能等方面的变化及原因，并研究了Ｊ５５套管在膨胀后的不均匀变形。通过以上工作，旨在揭示ＡＰＩＪ５５套管的膨胀特性，为其膨胀工艺的制定与工程应用提供数据支持与理论指导。

套管抗挤毁强度主要影响因素试验研究

２２ｌቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 第Ｏ１证
４１卷第６期第３８页
石油矿场机械
０ＩＬＦＩＥＬＤＥＱＵＩＭＥＮＴＰ
２１４（）３～４０２，１６：８２
ｏ
ｏ
文章编号：０１３８（０２０ — ０８０１０ — ４２２１）６０３ — ５
套管抗挤毁强度主要影响因素试验研究
娄琦张广路张丹韩新利杨鹏张钰，，，，，
（．国石油集团石油管工程技术研究院，安７０６；．疆油田分公司物资供应总公司，鲁木齐８０６）１中西１０５２新乌３０８
ＬＯＵＺＡＮＧａｇｌＺＱｉ，ＨＧｕｎ —ｕ，ＨＡＮＧｎ，ＡＮｎｌ，ＤａＨＸｉ－ｉＹＡＮＧｎＺＡＮＧＹｕＰｅｇ，Ｈ。
（．１ＣＮＰＣＴｕｂｌｏｄｓＲｅｅｃＩｔｔｔＸｉａｎ７００ｕａｒＧｏｓａｒｈｎｓｉｕｅ， ’ １６５，ｉａ：（ｎ
中图分类号：９１２７ＴＥ３．０文献标识码：Ａ
ＥｘｒｍｅｔｌＳｕｙｏｎｌｅｃｃｏｓｏｓｎｌａｅＲｅｉｔｎｅＳｒｎｔｐｅｉｎａｔｄｎＩｆｕｎｅＦａｔｒｆＣａｉｇＣｏｌｐｓｓｓａｃｔｅｇｈ
２ＭａｅｉｌＳｐｙＣｍｐｎＸｉｊａｇＯｉｅｄＣｍｐｎＵｒｍｑ３０８Ｃｉａ．ｔｒａｕｐｌｏａｙ，ｎｉｎｌｌｏａｙ，ｕｉ８０６，ｈｎ）ｆｉ

载荷性质对套管抗挤强度的影响

１（５Ｓｉ２。ｓｆｏ＝Ｓｚｎ２２ｓ。）１Ｓｏ０Ｔ（± ＋ｃｓ
（）２
式中，０为套管环向载荷，Ｔ（）由方程可看出，ａ一ｄ时，管受到均匀挤压载荷，０一０ａ≠ ｄ套Ｔ（），
时，套管受到非均匀挤压载荷。
维普资讯
４０
内蒙古石油化工
２０年第７０７期
载荷性质对套管抗挤强度的影响
李茂华徐守余牛卫东，，
（．国石油大学地球资源与信息学院，１中山东东营２７６，．５０１２胜利油田渤海钻井二公司，５２０２７０）
ｄ＝（１ｄ）（１ｄ）ｏ２０ｄ＋２＋ａ一２ｃｓ０（）１
图１套管在均匀载荷受力分布
Ｓ一均匀载荷ｌ
套管在均匀载荷下可看作平面应变轴对称模型。套管模型内外两侧旋加载荷，对套管内压力和水泥环外壁地层应力由胜利油田套管损坏井在地层深
１１有限元分析模型．
强度到２。目前ＡＰ套管的计算是对均匀载荷而３Ｉ言的，非均匀载荷套管抗挤强度问题很少涉及［。对５］笔者利用有限元法根据套管的实际受力建立平面力学模型，分析非均匀载荷对套管的影响，以期得出全
３ＭＰ，０ａ对套管模型施加均匀载荷。２为均匀载荷图

套管膨胀后挤毁强度的有限元分析

套管膨胀后挤毁强度的有限元分析西安石油大学机械工程学院　张建兵　崔志强膨胀套管在膨胀芯头的作用下膨胀，其径向尺寸以及厚度都会发生变化，并且膨胀后的残余应力以及制造缺陷在膨胀后的加剧都会对膨胀后套管的挤毁强度产生影响。

本文，笔者以L–80套管和P–110套管为例，对这两种套管在不同的膨胀率条件下，径向尺寸以及厚度的变化对套管挤毁强度的影响进行有限元分析，以探求膨胀率与套管挤毁强度的关系。

一、模型建立根据套管的结构形式及工作状况，在不影响问题实质的前提下，建立合理的套管有限元计算模型。

由于套管加固模型为轴对称，而轴对称平面中的两个位移分量可以确定物体的应变和应力状态，故可将问题简化成平面模型。

在建模时，采用了如下假设。

1.套管材料为各向同性的均匀弹性体。

2.套管无限长，并忽略残余应力的影响。

3.套管假设为理想套管，忽略几何因素，如套管膨胀率等的影响。

二、模型的网格划分石油套管下井、固井后，套管、水泥环和岩石紧密结合在一起，取管体径向横截面作为分析对象，采用平面三角形边形3节点单元划分。

在计算时，为消除整体刚度矩阵的奇异性，对套管的长轴和短轴处切线方向的自由度进行约束，使套管的长轴和短轴处只有径向位移而无切向位移。

三、材料参数套管膨胀后材料的屈服强度会稍微增加，L–80在膨胀率达到20%时，其抵抗外压强度大约下降30%。

套管膨胀后环向压缩残余应力对套管挤毁强度的影响要大于材料包辛格效应的影响。

由于目前对套管膨胀后材料屈服强度的变化情况没有确切的计算公式，所以在此假设膨胀率与屈服强度的变化率成线性关系，并以此为条件计算不同膨胀率下材料的屈服强度。

模型的材料特性见表1。

四、几何参数套管的几何参数是进行有限元分析的基础，套管几何参数的具体取值见表2。

五、套管有限元分析过程在进行有限元计算时，套管模型包括理想圆形套管及膨胀后套管两种情况，假设套管膨胀后仍为理想圆形套管，并忽略套管变形后产生的残余应力；不考虑套管的实际工作条件而假设套管的所加载为均匀载荷。

波纹管膨胀节对管道的力学影响浅析

波纹管膨胀节对管道的力学影响浅析作者：屈丹来源：《中国化工贸易·下旬刊》2019年第06期摘要：由于现代化工装置温度越来越高，压力越来越大，管道外径越来越大，导致应力计算条件越来越苛刻，而金属膨胀节可以用很小的长度吸收很大的位移，不同形式膨胀节可以吸收不同方向位移，因此被越来越多的应用到化工装置中。

本文简单介绍了膨胀节的分类，以及膨胀节在化工设计中的应用，使设计人员认识到膨胀节在设计过程中的重要性，使安装人员了解膨胀节在现场安装应该注意的事项。

关键词：膨胀节;材质;工艺;使用寿命1 前言波纹管膨胀节（或者叫波形补偿器，挠性原件）是由一个或者多个波纹管以及相应的附件组成的挠性原件，用来补偿管道的热位移，并减少对相邻设备的损坏（尤其是管口受力有要求的设备），以保证化工装置的安全性。

2 波纹管材料选择任何一种不锈钢或者合金钢抗腐蚀性能都是有条件的，没有任何一种不锈钢或者合金钢会在任何条件下均耐腐蚀。

因此，在设计过程中波纹管的材料选用不仅要考虑波纹管使用条件（波纹管管道的温度、压力、介质特性等），材料自身的耐腐蚀性能，同时还应该考虑波纹管成型、焊接固有的特点以及材料的性能和材料的价格，最重要设计人员应注意波纹管在运行过程中应能保证管道系统安全稳定的运行。

2.1根据波纹管材料分类波纹管种类很多，分类方式也很多，以下介绍两种最常见的分类形式，其中按照使用材料可分为，金属膨胀节和非金属膨胀节两种。

那么这两种膨胀节区别是什么呢。

两者应用领域不同：金属膨胀节主要应用于冶金行业，化工行业等，非金属膨胀节特别适用于化工装置中的热风管道以及烟尘管道领域。

两者补偿功能不同：在相同外形条件下，非金属膨胀节的补偿能力要比是金属膨胀节补偿能力大很多。

但是非金属膨胀节的使用压力很低，因此使用条件比较苛刻。

2.2 金属波纹管的材料选择从目前运行的装置中波纹管膨胀节所发生的失效情况来看，波纹管膨胀节在使用过程中发生材料腐蚀的破坏越来越多，由此可以得出结论，金属波纹管的材料选择对膨胀节的安全起着至关重要的作用。

膨胀套管膨胀力的理论计算

钻采机械膨胀套管膨胀力的理论计算龚龙祥1 ,付建红1 ,林元华1 ,甘升平2 ,李智平3(1 油气藏地质及开发工程国家重点实验室〃西南石油大学 2 四川石油管理局川西钻探公司龚龙祥等 1 膨胀套管膨胀力的理论计算 1 钻采工艺 ,2006 ,29 (4) :76 - 77 ,90摘要 : 根据弹塑性的理论 ,推导了膨胀套管在弹性变形区和塑性变形区的周向应力和径向应力计算模型 , 确定了膨胀套管膨胀时在膨胀芯头与套管之间所需的最小接触载荷。

对膨胀芯头的受力进行了分析 ,考虑了膨胀芯头几何参数和金属间摩擦系数等影响因素 ,建立了作用在膨胀芯头上膨胀套管所需膨胀力的计算方法 ,对相关参数对膨胀芯头拉力的影响进行了讨论 ,并用实验数据对理论计算结果进行了验证 ,结果表明 ,采用本文推导的计算模型所得到的芯头膨胀拉力的计算精度满足工程应用的需要。

关键词 : 膨胀套管 ; 膨胀力 ; 膨胀芯头 ; 临界荷载中图分类号 : T E 8261202文献标识码 : A文章编号 : 1006 - 768 X ( 2006) 04 - 0076 - 02套管膨胀普遍是利用金属冷塑性变形特点 ,对管材进行内部挤压而成。

钻井实体管柱膨胀技术主要由膨胀管和膨胀芯头组成1 。

膨胀套管在膨胀芯头的挤压作用下 ,进入塑性区域 ,发生塑性永久变形 ,从而使膨胀套管内、外径扩大 ,达到实现节省井眼直径的目的。

本文应用弹塑性理论 ,仅考虑单级膨胀芯头 ,根据管体的径向膨胀率 ,对膨胀套管膨胀过程中膨胀力进行了理论分析 ,并给出了计算结果。

段 ,最后达到塑性流动阶段 ,管体进入塑性变形。

在未膨胀前 ,即 r = r 1 时 ,最先开始屈服 ,此时膨胀芯头与管壁的接触压力为最大弹性载荷2: r 2 σs 1p e = 2 ( 1 - r 2 )(1)2 式中 : r 1 —管体内径 ; r 2 —管体外径 ; a —弹塑性交界面半径 ; p —内压 ;σr —径向应力 ;σθ —切向应力 ; σs —管材的屈服强度。

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析一、引言在石油钻探和生产过程中，套管是一种非常重要的设备，用于支撑井壁、防止井壁坍塌、控制井眼及地层流体等。

在井下作业过程中，套管膨胀不均匀可能会造成严重的危害。

本文将进行套管膨胀不均匀变形实验，并分析其对井下作业造成的危害。

二、套管膨胀不均匀变形实验套管膨胀是指在井下作业过程中，套管受到压力时出现的变形现象。

为了研究套管膨胀不均匀变形的影响，我们进行了一系列的实验。

实验一：利用模拟装置制作了不同尺寸和不同材质的套管，分别在高温、高压环境下进行了膨胀实验。

结果显示，不同尺寸和不同材质的套管在膨胀过程中出现了不同程度的不均匀变形，部分套管甚至出现了裂纹。

实验二：在实际井下作业环境模拟条件下，模拟了套管膨胀不均匀变形对井下作业的影响。

结果显示，在套管膨胀不均匀的情况下，井下作业的安全性和效率受到了严重影响。

1. 安全隐患：套管膨胀不均匀会导致套管的变形和裂纹，造成井下作业设备的损坏，甚至引发事故。

套管的裂纹可能导致井下压力失控，造成井喷事故。

2. 作业效率降低：套管膨胀不均匀会导致井下作业设备受阻和卡瓦，严重影响井下作业的进行。

套管的变形可能导致井下作业设备无法正常通过，从而导致作业效率的降低。

3. 经济损失：由于套管膨胀不均匀可能导致作业设备的损坏和事故的发生，从而造成经济损失。

由于套管的裂纹导致井下压力失控，可能导致油气泄漏和环境污染，进而带来巨大的经济损失。

1. 选择合适的套管材质和尺寸：根据井下作业的实际情况选择适应的套管材质和尺寸，以减少膨胀不均匀的可能性。

2. 定期进行检测和维护：定期对套管进行检测，发现问题及时进行维护和更换，以避免因膨胀不均匀而造成的损坏和事故。

3. 加强管理和监督：加强对井下作业的管理和监督，提高工作人员的安全意识和操作技能，预防膨胀不均匀带来的危害。

五、结论套管膨胀不均匀是井下作业中常见的问题，但它可能导致严重的安全隐患、作业效率降低和经济损失。

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析1. 引言1.1 研究背景套管在油气开采中扮演着重要的作用，它被用于固定和封堵井眼，同时也起到了保护井壁和环境的作用。

在井下作业过程中，套管可能会发生膨胀不均匀变形的现象，这可能会导致井下作业中的一系列问题和危害。

对套管膨胀不均匀变形进行实验研究以及分析其对井下作业造成的危害具有重要意义。

套管膨胀不均匀变形可能导致套管变形、扭曲和裂缝等问题，进而影响到井下作业的安全性和生产效率。

了解套管膨胀不均匀变形的机理和特点，可以帮助我们更好地预防和解决这些问题，从而保障井下作业的顺利进行。

开展关于套管膨胀不均匀变形实验及对井下作业造成的危害分析，有助于增进对套管行为的了解，提高井下作业的安全性和效率。

1.2 研究目的本实验的研究目的主要包括以下几个方面：1. 探究套管膨胀不均匀变形的机理和规律，深入了解套管在井下作业中出现不均匀变形的原因和过程。

2. 分析套管膨胀不均匀对井下作业的危害，为井下作业人员的安全提供科学依据和预防措施。

3. 研究套管膨胀不均匀的影响因素，为进一步的研究和应对措施提供理论支持和实践指导。

4. 通过本实验的设计和结果分析，为解决套管膨胀不均匀变形问题提供有效的方案和技术支持，为提高井下作业效率和安全性做出贡献。

1.3 研究意义套管在油田井下作业中扮演着至关重要的角色，承担着支撑井壁、保护油管和防止井壁塌陷等重要功能。

套管在实际使用过程中会受到各种因素的影响，其中一种常见的问题就是套管膨胀不均匀引起的变形。

这种变形不仅会影响套管的稳定性和密封性，还会给井下作业带来一系列的安全隐患。

对套管膨胀不均匀变形的实验研究具有极其重要的意义。

通过开展相关实验研究，可以深入了解套管膨胀不均匀的变形规律和机理，为实际作业中的问题提供科学依据和技术支持。

对套管膨胀不均匀变形造成的危害进行深入分析，可以帮助油田企业更好地制定预防措施和应对策略，保障井下作业的顺利进行，降低事故风险和生产成本，提高油田的生产效率和经济效益。

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析1. 引言1.1 背景介绍套管膨胀不均匀变形是指套管在受到内部或外部压力作用时, 由于受力不均匀或材料性能不均匀等原因，导致套管在膨胀过程中发生变形。

这种变形一旦发生，会严重影响套管的完整性和稳定性，引发诸多安全隐患。

在井下作业中，套管承担着重要的支撑和封隔作用，一旦套管膨胀不均匀变形可能导致井下设备损坏、流体泄漏、井眼崩塌等严重事故。

研究套管膨胀不均匀变形及其对井下作业造成的危害，对提高井下作业安全性和效率具有重要意义。

本实验旨在通过模拟套管膨胀不均匀变形过程，分析其引起的危害并提出有效的防范措施，为井下作业安全保障提供参考。

1.2 研究目的研究目的是为了深入探究套管膨胀不均匀变形对井下作业的危害，并为制定相应的防范措施提供科学依据。

通过实验数据的收集和分析，我们可以全面了解套管膨胀不均匀变形的机理及其对井下作业的影响程度，从而及时发现问题并加以解决。

通过研究，我们还可以揭示套管膨胀不均匀变形的规律性，为今后的工程设计和作业提供参考。

通过分析套管膨胀不均匀变形对井下作业的实际危害，我们可以制定更为科学有效的防范措施，以保障井下作业人员的安全，维护油气勘探开发的顺利进行。

本文旨在通过开展套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析，为相关领域的研究工作提供参考，并促进油气行业的可持续发展。

2. 正文2.1 实验设计实验设计是整个实验研究的核心部分，其合理性和科学性直接影响到实验的结果和结论的可靠性。

在本次套管膨胀不均匀变形实验中，我们首先确定了两种不同类型的套管材料作为实验材料，分别为钢套管和塑料套管。

钢套管具有良好的机械性能和耐高温性能，是油气井中常用的套管材料，而塑料套管则主要用于一些特殊环境下的井下作业。

我们选择这两种不同的材料进行实验，旨在比较它们在膨胀过程中的变形情况以及对井下作业的影响。

实验设计包括确定实验参数、搭建实验装置、设计实验方案等内容。

膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理分析

膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理分析摘要：在地质钻探的过程中，膨胀套管护壁技术逐渐发展成主要的方法。

基于此，文章将膨胀套管护壁技术作为主要研究内容，阐述其具体的研究现状与工作原理，希望有所帮助。

关键词：膨胀套管护壁技术；研究现状；工作原理膨胀套管护壁技术是现阶段的全新技术，一般在石油开采领域中应用。

此技术的应用时间并不长，且仅仅被应用于石油勘探和开采中。

伴随膨胀套管护壁技术的深入研究与开发，在实际应用方面，不仅能够推进深部地质矿产勘探工作的有效进行，同时也能够为科学钻探提供有价值的参考依据，进一步优化国内石油钻井水平与城市管网的修复水平。

由此可见，深入研究并分析膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理具有一定的现实意义。

一、膨胀套管护壁技术研究现状阐释膨胀套管护壁技术属于新型技术，但是在其实际发展的过程中，国内外研究的成果与进度有所差异。

为此，以下将通过国外研究与国内研究两个方面对膨胀套管护壁技术的研究现状展开讨论。

（一）国外研究国外膨胀套管护壁技术的研究始终处于初级开发阶段，而所开发的膨胀套管也只有有缝和无缝两种类型，在采油与定向钻井当中得到了有效地应用。

而所开发的膨胀工具主要包括实心锥反拉膨胀工具与旋转拟和膨胀工具两种类型[1]。

在实际钻进的过程中，若遇到了不稳定的孔段、漏失地层、容易坍塌的地层与高压异常的地层，采用套管护壁，就能够保证套管的下入，随后将小一级别的钻头下入，但孔深的结构相对复杂，所以会直接增加钻进的成本支出。

通过对膨胀套管的使用即可对以上问题加以解决，特别是应急套管并不需要将井眼的尺寸减小，仅仅将问题井段隔离即可，无需选择对整个孔段隔离，有效地降低井筒管壁的层数，使得孔眼的尺寸达到最大，有效地节省钻井的成本。

（二）国内研究在我国，对于膨胀套管的研究也并不多，但是研究的重点始终为膨胀套管应用于油管修复与采油领域。

另外，针对非开挖旧管替换技术而言，即便与膨胀套管有相似之处，但仍存在明显的差异。

38-套管抗挤毁强度主要影响因素试验研究

按照如图１所示的位置对挤毁试样进行几何尺寸测量，布置５个横截面，每个横截面设置８个点，。用游标卡尺分别测量Ｅ－每个点间隔４５ ° Ｆ、Ｇ－Ｈ、用超声波测厚仪测量每个Ｍ－Ｎ、Ｏ－Ｐ方向的直径，））点处的实际壁厚。分别按照式（计算套管的１２～（外径椭圆度和壁厚不均匀度。
石油矿场机械ＯＩＬＦＩＥＬＤＥＵＩＰＭＥＮＴＱ
（）：２０１２，４１６３８～４２

（）文章编号：００１４８２２０１２０６０３８５１３００－－－
等：套管抗挤毁强度主要影响因素试验研究１卷第６期娄琦，第４
·３９·
（、外径椭圆度和壁厚不均匀度）屈服强度和残余应力等是影响套管抗挤毁性能的主要因素；对于确定钢级和规格的套管，椭圆度、壁厚不均匀度、屈服强目前尚存在不同的度等对抗挤毁强度的影响程度，
］５１－：／、套管的钢级、几何缺陷究表明［径厚比（Ｄｔ）
１０２０１１２２ ① 收稿日期：－－，娄琦（女，山东齐河人，工程师，硕士，毕业于中国石油大学（华东）材料学专业，现从事油井管试验研１９８１作者简介：－）：究工作，Ｅ－ｍａｉｌｕｃｌ６３．ｃｏｍ。＠１ｐｑ
１１１１１２，，，ＺＺＨＡＮＹＡＮＧＺＬｌｌＯＵＱｉＨＡＮＧＧｕａｎｕＨＡＮＧＤａｎＸｉｎｉＰｅｎＨＡＮＧＹｕ－－，ｇｇ，

膨胀管的弹塑性理论分析

膨胀管的弹塑性理论分析摘要：膨胀套管技术虽然在国内研究的时间不算太长，但已逐渐被世界不同的地区接受，显示出良好的应用前景。

本文主要分析了膨胀管在实际工程应用的过程中相对于其他设施的技术优势、作用原理，从而开展相应的力学模型建立，计算出膨胀管在内压作用过程中材料性质的变化，确定弹性与塑性的交界点及破坏极限条件，为以后的工程提供一定指导性。

关键词：膨胀管，作用机理，力学模型，弹塑性分界半径第一章背景介绍膨胀管技术是20世纪末国外研制成功的一项石油工程新技术，投入商业化应用虽然仅有13a的时间，但已逐渐被世界不同的地区接受，显示出良好的应用前景。

膨胀管主要用于封堵复杂地层、套管修复等领域，以达到用同一尺寸的套管代替现行的多层套管的目的，从而保证同一井眼内多个复杂地层的钻进安全，提高钻井作业效率，降低钻井成本。

膨胀管目前已经在国外进行了一些成功的应用，国内处于试验研究阶段，还需要进行大量的研究工作。

1999年3月，Halliburton公司进行了膨胀管井下模拟试验，膨胀后的管材性能符合API标准规范IJ一80、K一55和J一55。

2002年，中国石油勘探开发研究院对3种材料的管材进行了膨胀试验川。

套管膨胀技术的力学行为研究中，需要解决的问题包括：膨胀管下人井内长度的膨胀管轴向收缩率、膨胀管在膨胀后环空体积的膨胀管径向收缩量、膨胀管在膨胀后是否能满足井身设计所需的抗外挤强度、膨胀管在膨胀后的残余应力、膨胀管在膨胀后的螺纹间的连接和密封、膨胀套管膨胀后回弹量以及与上层套管间的连接与密封。

第二章膨胀管的技术优势可膨胀实体套管技术真正实现从井口到目的层的单一井径油井建井( 见图1 )，既能大幅度降低钻井成本，又具有良好的环保效果。

另外，在侧钻井中穿过铣磨窗口安装膨胀管也具有潜在效益：降低重钻的成本；使套管柱的内径损失最小；目的层的井眼较大。

可膨胀套管具有以下技术优势:①用于多种类型的油井建井，能满足大位移井、侧钻井、水平井、多分支井对井眼和套管尺寸的要求;②用于深井、超深井和深水井的完井，降低表层套管和隔水管的尺寸，实现单一井径油井的建井，减小了常规套管的锥度效应；③用于老井侧钻时，可降低重钻成本，使套管的内径损失最小；④可以把改换钻柱的次数控制到最低程度，使作业者能以较大的井眼尺寸钻入更深的地层；⑤节省钻井时间和完井费用；⑥能封隔膨胀性页岩层和漏失层，防止井眼缩径。

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析【摘要】套管膨胀不均匀变形是井下作业中常见的问题，可能导致井下设备损坏、安全事故等严重后果。

本文通过设计套管膨胀不均匀变形实验，分析了其对井下作业的影响和危害，并提出了相应的安全措施建议。

实验结果表明不均匀套管膨胀变形会导致井下作业设备产生振动、扭曲等问题，增加了作业的风险性。

加强对套管膨胀不均匀变形的实验研究对井下作业的安全性至关重要。

未来应该进一步深入研究该问题，完善安全措施，保障井下作业人员和设备的安全。

本研究旨在提高对套管膨胀不均匀变形问题的认识，减少井下作业中的安全风险，为行业提供重要参考依据。

【关键词】套管膨胀、不均匀变形、实验、井下作业、危害、安全措施、实验结果、讨论、重要性、研究展望1. 引言1.1 背景介绍套管在油气井中扮演着至关重要的角色，它是保证井筒完整性和生产顺利的关键组件。

在油气钻井和生产过程中，套管容易受到膨胀不均匀变形的影响，导致其性能下降甚至失效，给井下作业带来严重的安全隐患。

套管膨胀不均匀变形可能会引起多种问题，如产生应力集中、导致裂纹产生和扩展等。

这些问题不仅会影响套管的承载能力和密封性能，还会对井下作业安全造成严重影响。

研究套管膨胀不均匀变形的机理和影响是至关重要的。

了解套管膨胀不均匀变形对井下作业的影响，有助于制定相应的安全措施和预防措施，保障油气井的安全生产。

通过进行套管膨胀不均匀变形实验及对其危害进行分析，可以为今后的工程实践提供重要参考，提高井下作业的安全性和可靠性。

1.2 研究意义套管膨胀不均匀变形是油田井下作业中的常见问题，会给井下作业带来严重的安全隐患和影响。

研究套管膨胀不均匀变形的实验意义在于深入探究造成套管变形的原因和机制，从而为井下作业提供更有效的安全措施和预防措施。

通过对套管膨胀不均匀变形的实验研究，可以为油田井下作业提供更科学、更可靠的技术支持，提升井下作业的安全性和生产效率。

通过对套管膨胀不均匀变形实验的深入探讨，还可以为新材料的研发和应用提供重要参考，进一步提高井下作业的技术水平和安全标准。

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析

套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析套管膨胀不均匀变形是指在井下作业过程中，套管在受到高温、高压等外部作用力的影响下，发生膨胀并导致形状不规则的变形现象。

这种现象可能会给井下作业带来严重的危害，因此进行实验分析并及时采取相应的措施是非常必要的。

一、套管膨胀不均匀变形实验1. 实验目的通过模拟井下高温、高压环境对套管的影响，观察套管膨胀不均匀变形的情况，并分析其可能带来的危害。

2. 实验步骤(1)准备实验装置：准备一台高温、高压环境模拟装置，将套管样品放入其中。

(2)施加作用力：在装置中施加高温、高压作用力，模拟井下环境对套管的影响。

(3)观察变形情况：监测套管在作用力下的变形情况，记录变形的形态和程度。

3. 实验结果通过实验观察和数据分析，发现套管在高温、高压环境下膨胀不均匀，出现了形状不规则的变形现象。

这种变形可能会导致套管的内部应力集中，从而降低了套管的承载能力和使用寿命。

二、套管膨胀不均匀变形对井下作业的危害分析1. 危害一：影响井下作业安全套管膨胀不均匀变形可能导致套管的脆性断裂，从而给井下作业带来安全隐患。

一旦套管发生断裂，可能会导致井内环境的泄漏，造成人员伤亡和环境污染。

2. 危害二：影响井下作业效率套管膨胀不均匀变形会导致井下设备的故障和损坏，进而影响井下作业的效率。

因为套管在井下作业中承担着重要的支撑、封隔和输送功能，一旦套管发生问题，会导致井下作业的停工和延误。

3. 危害三：造成经济损失套管膨胀不均匀变形会导致井下设备和管道的损坏，修复和更换成本较高。

由于井下作业的停工和延误，也会带来生产损失和经济损失。

三、对策与建议1. 加强材料研发针对套管的膨胀不均匀变形现象，需要加强材料研发，研究开发具有抗高温、抗高压性能的高强度套管材料，以提高套管的抗变形能力。

2. 完善工艺技术在套管的生产和安装过程中，需要严格控制材料的质量和加强工艺技术的管理，确保套管的质量和可靠性。