石油膨胀套管的力学性能及膨胀后的残余应力
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 。
１ １ 二 维 力 学 模 型 ．
收 稿 日期 ：０ ９ ０ — ； 回 日期 ： ０ ９ ０ — ４ ２０ — ７ １ 改 ７ ２ ０ — ９ １
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 ２ Ｏ世纪 ９ ０ 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３ ７卷 第 ６期
２０ ０ ９年 １ 月 １
石
油
钻
探
技
术
Ｖｏ＿ ｌ ３７． ｏ Ｎ ．６ ＮＯＶ ２ ９ ．， ００
ＰＥ ＴＲ（ＩＥＵＭ ＤＲＩ Ｉ ； ＴＥＣＨＮ１ ） ＩＩ Ｎ（ ＱＵＥＳ
石油工程技术 井下作业 膨胀管关键技术
一、膨胀管关键技术
1）管材难题（化学成分、性能、热处理状态和尺寸公差）
膨胀前：
要求材料延伸率高，易于膨胀变形（软）
膨胀后：
机械性能达到或接近API
套管水平（硬）管材胀后非对称受压⏹膨胀前后力学性能⏹材料成分分析⏹膨胀压力≤35MPa ⏹胀后机械性能超过J55钢级
薄壁管材塑性形变
2）高性能膨胀锥
◆膨胀锥结构，外形的数值模拟优化
◆激光熔覆金属陶瓷处理，增强抗疲劳性能
◆表面硬度高，本体柔韧性强，抗挤压、耐高温
◆强度及耐磨性，长距离、间断可重复膨胀安全可靠
膨胀螺纹的有限元分析
厚壁膨胀螺纹薄壁膨胀螺纹
3）膨胀螺纹
膨胀螺纹是膨胀管的核心技术之一，是实现长段套损井修复的关键技术。
技术创新：
◆采用特殊连接螺纹，解决了抗拉强度问题。
◆设计了新型螺纹结构，解决了螺纹塑性变形后的密封问题。
◆研制了全新的密封组件，解决了膨胀过程中的耐高压问题。
◆采用特殊的锁定机构，解决了公螺纹胀后回缩问题。
4）膨胀管关键技术—密封与悬挂
设计、试验与优选膨胀管密封与悬挂机构，满足不同井况膨胀管补贴要求。
5）减磨技术
有效减少摩擦，降低施工压力。
同时控制残余应力，防止回缩。
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。
膨胀套管膨胀心头的结构设计
膨胀套管膨胀心头的结构设计摘要：膨胀技术包括膨胀管与膨胀芯头两个部分，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。
关键词：膨胀套管膨胀芯头结构设计一、膨胀芯头的结构膨胀芯头的结构多种多样，但是不管哪种芯头，为了将管子内壁与芯头的摩擦降至最低，其工作过程中的核心部分均为一种锥形结构，其结构大概如下图1所示：图1 膨胀芯头外形结构图1（a）图中为芯头锥角，I区为导向区，II区为膨胀区，III区为定径曲，（b）较为模拟芯头实体。
膨胀作业过程中，芯头膨胀区向管子内壁施压使其产生塑性变形，定径区则防止管壁发生回弹。
下式可以计算出膨胀区圆锥段的长度：l2=D3-d/2tanα其中D3即芯头定径区直径。
芯头锥角是膨胀芯头最主要的几何参数，膨胀的功耗与膨胀力的大小与锥角α选值的合理性有直接关系，膨胀后管内壁的表面质量也会受其影响。
在选择α时要注意以下几点：膨胀管在接触变形区的金属流动要尽可能的流畅；膨胀接触区润滑条件的建立要良好；膨胀管轴线与膨胀芯头的轴线要重合，以保证膨胀力方向与膨胀管轴线处于同一方向；膨胀力要尽量小[2]。
此外，由于膨胀芯头会受到很大的界面应力与摩擦，因此要求膨胀芯头的材料在硬度高、抗磨性好、强度高，且有良好的冲击韧性与延性。
目前主要采用金属芯头。
二、力学模型与膨胀模拟根据有限元理论，膨胀套管与膨胀芯头的力学模型如下图2所示：图2 膨胀芯头与膨胀管的力学模型由此图可以看出，膨胀芯头的结构呈现出对称性的特点，为便于定性定量的分析，设两种膨胀芯头的材料、约束条件、膨胀管与膨胀幅度均相同，且忽略管体壁厚不均度与管体的不圆度等因素，即假定膨胀套管为理想的同心圆管。
建立模型时采用参数化设计APDL，即结构参数可做任意更改，以保证获取更优化的计算结果。
结构参数的选择：按API标准244.5mm套管膨胀至298.5mm，套管钢级选择N80，壁厚在13.84mm，由于膨胀后管体的抗外挤强度会有所下降，为使其膨胀后套管抗外挤强度可以满足要求，所以选择厚壁管，摩擦系数0.1，膨胀芯头行程1000mm。
膨胀套管
2011.3.14
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一、膨胀套管简介 膨胀套管简介
年代末诞生于美 可膨胀套管技术于 20世纪 80年代末诞生于美国壳 世纪 年代末诞生于 牌石油公司,在这以后一段时间里发展非常迅速 在这以后一段时间里发展非常迅速, 牌石油公司 在这以后一段时间里发展非常迅速 90 年代末期达到商业化应用水平。目前,世界上多家石 年代末期达到商业化应用水平。目前 世界上多家石 油公司应用了此项技术。例如:威福德公司 威福德公司、 油公司应用了此项技术。例如 威福德公司、 壳牌和 公司、 哈里伯顿合资的 Enventure公司、 哈利伯顿公司、 公司 哈利伯顿公司、 贝克石油工具公司、 贝克石油工具公司、 斯伦贝谢公司以及 READ油井 油井 服务公司等。 服务公司等。
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2、可膨胀裸眼井衬管 A B L) 可膨胀裸眼井衬管( 可膨胀裸眼井衬管 在钻探更深的过压地层、 在钻探更深的过压地层、 枯竭地层或易塌易漏地层 现在的技术是采用不同直径的钻头， 时， 现在的技术是采用不同直径的钻头， 并以不直 径的套管层层封固完成。所以， 井越深， 径的套管层层封固完成。所以， 井越深， 套管层次越 井眼直径就越大； 如果直径一定， 多， 井眼直径就越大； 反之 ， 如果直径一定， 最的 井眼直径就越小， 这就有可能钻不到目的层或者即 井眼直径就越小， 使钻到目的层， 但井眼太小， 使钻到目的层， 但井眼太小， 满足不了开采及后续 修井、 增产等作业。 修井、 增产等作业。水泥固封可膨胀割缝衬管是一 一岩石膨胀技术， 种可使井眼直径不变的金属 一岩石膨胀技术， 可以 克服上述的一些问题 。
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四、可膨胀套管技术 3种常用系统 种常用系统
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 Ｃｒ１２Ｍ ｏＶ 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 ／Ｔ ２２８ — 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 ／Ｔ ２２８ — 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 Ａ ＰＩ Ｊ５５ 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 Ａ ＰＩ Ｊ５５ 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 。
用有限元方法分析石油套管矫直产生的残余应力
Ｔｈ ｉ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｄ ｌｆ ｒｔ ｅ ｓ ｒ ｉ ｈ ｅ ｉ ｇ ｏ ｉ ｃ ｓｎ ｓ ｉ ｅ ｔ ｂ ｉ ｈ ｄ ｅｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔｍｏ ｅ ｏ ｈ ｔａ ｇ ｔ ｎ ｎ ｆ ｌ ａ ｉ ｇ ｓ ｓ ａ ｌｓ ｅ ． ｏ
Ｋ ｅ ｏｒ ｙｗ ｄｓ： Ｏ ｉ ｃ ｉ ｌ ａｓｎｇ； Ｓｔａｉ ｔ ｒ ｇｈ ｅｎｉ ｇ； Ｒ ｅ ｉ ａｌｓ ｒ ｓ； Ｆｉ ｔ ｅｍ ｅ ｅ ｈｏ ｎ ｓ ｄｕ ｔｅｓ ｎｉｅ ｅｌ ｎｔｍ ｔ ｄ
ｔｏ ｓ ｂ ｔ ｅ ｈ ｔａ ｇ ｔ ｎ ｎ ｍｏ ｎ ｎ ｈ ｅ ｉ ｕ ｌｓｒ ｓ ｒ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ｉ ｒ ｅ ｏ ｍｅ ｔｔ ｅ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｓ ｉ ｎ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｅ ｓ ｒ ｉ ｈ ｅ ｉ ｇ ａ ｕ ｔａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｓ ｄ ａ ｔ ｅ ｓ ａ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ｅ ｈ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ
ｆ ｈ ｔａｉ ｔ ｅｓ ｎｄ ｔ ｏｕｎ ｅｓ ｆｏ ｌｃ ｉ ｇｓ Ｔｈｅ ｄｅ ｏ ｍａｔｏｎ ｌ ｗｓ ｄｕ ｉ ｇ ｔ ｉ ｔａ ｇｈ ｅｎｉ ｇ ａｒ ａｌ ｅ ｏｒｔ ｅ ｓ ｒ ｇｈ ｎ ｓａ ｈｅ ｒ ｄｎ ｓ ｏ ｉ ａｓ ｎ ． ｆｒ ｉ ａ ｒ ｎ ｈｅ ｒｓ ｒ ｉ ｔ ｎ ｅ ａｎ ｙｚ ｄ．
轧 制 和热处 理后 的石 油 套管 总会 存在 纵 向弯 曲 及 圆度 误差 等 ，这 些缺 陷一 般要 通过 矫直 工 艺予 以 消除 。为 此 ，作 为石油 套管 制造 最后 生 产环 节 的矫
直工 艺决 定 了石油 套管 的几 何形 状 ，同时也 影 响其 力学 性能 在 矫直 过 程 中 ，如果 适 当调 整轧 辊 的压 下 量 ，可 以将 石油 套 管 轴 线 的纵 向弯 曲逐 渐 矫 直 ， 消 除 圆度误 差 ， 足标 准所 规 定 的直 线 度 和 圆度 要 满
侧钻井膨胀套管完井技术及应用
西部 探矿 工程
２ ０ １ ３ 年第 １ １ 期
侧 钻 井膨胀套 管完 井技术及应 用
马 明雷 ， 彭希 志 ， 张文博 ， 王 丽红 ， 梁 晓雷
（ 中石化胜利油 田分公司东辛采油厂 ， 山东 东营 ２ ５ ７ ０ ０ ０ ）
摘 要： 侧 钻 井技 术具 有 节约投 资 、 中靶精 度 高和 剩余 油 富 集规模 要 求 小等优 势 ， 然 而制 约侧钻 井发
井技术有效地解决 了这一难题 ， 它提供 了改 变井身结构的技 术手段 ， 既能解决复杂地层钻进 以及井 眼 变径等 问题 ， Ｙ ， Ａｇ 大量 节 约钻 井成 本 ， 并能提 高 固井质 量 。针对 传 统 井身 结构存 在 的 问题 ， 采 用膨
胀套管 完井技术改进 、 完善 以及优化井身结构 ， 合理开发油气藏 ， 对 于老区的稳产、 增产及剩余 油气 资 源的再 开发 具 有极 其重 要 的意 义 。
关键词 ： 膨 胀套 管 ； 完井 ； 小 井眼 ； 侧 钻 井
中图 分类 号 ： Ｔ Ｅ ２ ５ ７ 文献标 识 码 ： Ｂ 文章编 号 ： １ ０ ０ ４ — ５ ７ １ ６ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ — ０ ０ ７ ４ — ０ ５
膨胀管技术就是将管柱 （ 包括实体套管和割缝管 ） 下 到井 底 ， 以机械 或 液压 方 法 由上 到 下或 由下往 上 ， 通
展 的 因素也 多种 多样 。 目前 大 多数 油 水 井采 用 ５ — １ ／ ２ ” 套管 ， 而侧 钻 井段 所 采 用的 多为 ３ —１ ／ ２ 套 管 ，
井 眼直 径 受到 限 制 ， 这 既影 响 了井眼 泄 油 面积 ， 也 给后 期 的措 施 作 业 带来 了很 多 困难 。膨胀 套 管 完
石油套管热处理残余应力的有限元分析
过程 中，当达到材 料 的固 、液 相线温 度时 ，温度下 降的速度变慢 ，这 是 由于 此过程 中释放 的相变潜 热导致 ，使温度 变化 曲线出现 了一个 缓 慢变化 的平 台。 （） ２ 热传导 率对 残余 应力有 一定 的影 响 。通过计 算得 出 ，热传 导 率越大 ，套 管淬火后 的残余应 力越小 。
火温 度在６ Ｏ ６ ℃时效果最好 。
主要 因素 就是材 料 的热传 导率 。采用 Ｂ ＩＯ 套 管 与Ｎ８级套 管作 比 ＴＯＨ ０
较。
由计算结果 可知 ，材料 的热传 导系数越 小 ，淬火冷却 时产生 的残 余应力也 越大 。这是 因为 ，随着热传 导系数 的增 加 ，套管 的导热性 也 就越好 。导热率越 小 ，在淬火 冷却 时 ，套 管表面 和心部 的温差越 大 ， 最终导致淬火 的残余应力 的增 大。
ｌｒｅｓ ｅ Ｓ ２ ｔｅ ｄｅｂｏ ｋ ［ ．１ ｔＣｏ ｇｅｓｏ ｔｒａｉｎ ｌ ａｇ －ｉ ｄＡＩ ＩＰ ０ｓｅｌ ｉ ｌｃ ｓＡ］ ４ｈ ｎ ｒｓ ｆ ｎｅ ｔ ａ ｚ Ｉ ｎ ｏ Ｆ ｄ ｒｔ ｎ ｆｒＨｅ ｔ ｒａｍｅ ｔ ｎ ｕｆｃ ｎ ｉｅｒｎ ［ ］ Ｓ ａ ｇ ａｊ ｅ ｅａｉ ｏ ａ ｅ ｔ ｎ ｄＳ ｒａ ｅＥ ｇｎ ｅｉｇＣ ． ｈ ｈ ｈ ， ｏ Ｔ ａ
１参数的确定 ．
在石油套 管热处理 的有限元模 拟过程 中 ，需要 用到密 度 、弹性模
量 、泊松 比、塑 性应 力一应 变关 系、线膨 胀系数 等力学物 理参数 以及 热传 导系数 、比热容 、相变 潜热等 热物理 参数 。相 关 的热物理参 数如
手册 即可 获得。
湘ｒ ｃ
■ ｃ
石油套管 主要 用于钻井 过程 中和完井后 对井壁 的支撑 ，以保证钻
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。
膨胀管膨胀压力及承压能力分析
形 区
上行 以及 自重 的双 向挤 压 ，下部油 管容 易发 生螺旋 屈 曲。但 是 如果管 柱上 提过早 ，密 封装 置 尚未膨胀 完全 ，没有 与套 管 发 生 贴合 ，会 出现 膨 胀 管 上窜 ，
， 一 ／
／ ＜ －
形区＼ －， ， ， ／
过程 分为 以下 ２个 阶段 。
胀 管技 术具 有 以下 优 点 ：① 结构 简单 ，成 本低 廉 ， 易 于操 作 ，成 功率 高 ；② 膨 胀后 ，管 材 经过 冷作 硬
化 ，力 学性 能进 一 步提 高 ；③能 够保 持 或扩 大管 柱
内径 ，有利 于后 续作 业 和管 理 ；④膨 胀后 ，膨胀 管
．－—
—
３ － ４－ — —
石 油
机
械
２１ ０ ０年
第３ ８卷
第１ ０期
升高 ，并逐 渐达 到 峰 值 。此 时 如不 及 时 上 提 管柱 ，
大钩悬 重将 会突然 降低 ，密 封装 置膨胀 后与 套管 内
壁间摩擦 力增 大 ，影 响坐封效 果 。 由于受到 膨胀锥
形 区逐 渐 扩大 ，壁厚减 小 ，轴 向总长 度缩 短 ，膨胀
摘 要 针 对 膨胀 管作 业过 程 中 出现膨 胀压 力 过 大 ， 油管 上 提 不及 时 导致 的 油管 弯 曲变形 甚 至 发射 腔破 裂等 问题 ，详 细分析 了膨胀 管膨 胀 时的压 力 变 化 过 程 ，并 从 理论 和试 验 的角 度 ，对 膨 胀 压力 以及 膨胀 管 能够 承 受 的极 限压力进 行 计 算和 比较 。 结果 表 明 ，膨胀 压 力 的峰 值 出现 在 膨 胀 锥
经过 膨胀 管 的 密封装 置处 ；密封 装置 在膨 胀过 程 中经 过 单 向膨 胀 和 双 向挤压 ２个 阶段 ，此 时应 该
关于石油套管定径轧制过程中残余应力的分析
径效果 ， 提高石油套管 的机械性能 。
关键词 石 油套 管
轧制 定径
残 余应 力 承 载 能力 分析
１ 前 言
石 油套 管制 造 主要 生产 环节 的定 径工 艺 决定 了 石油套 管 的直径 和椭 圆度 精度 ， 这是 因为 轧制和 热处 理加工 后的石油 套管直径 被压缩 壁厚发 生变化 ， 油 石 套管就会存在着几何 尺寸和形 状误 差 。而管体 的直径
的应力状态较复杂 ， 拉压 应力交错分布 。在 不 同的温
／ ． ． 一一……… ．． ．一 ．一 一
ｌ ． 一一 。 ‘ ， 一 ， 一。 一
参
０ ０【 ． Ⅳｚ ０ ００ ． ４ ０ Ｕ哺 ， ０唰 ． Ｕ Ｉ Ｕ ＵＩ ． Ｚ
度 条件下 ， 无论温 度高低 ， 随着定径量 的增大 ， 石油套
的滚动 而前移 ， 因此 ， 油套 管除 受 到定径 辊 的滚 压 石
ｔ ｗ ｗ ｉ ｍ瑚 ｊｊ ． ｔ ｙ＠ ｃ ｊ ｗ ｈ
ｔ ｊ ｔｊ ｊ ＠ｊ． ｙ ｙｃｏｍ
∥
＇ 夯与应用 研
维普资讯
『 ＦＡ ＴＹ １ １ＴＴ Ｒ ＩＩ ＮＩ ¨ ７
态、 应力场 、 应变场及 受力状况 。套 管与定 径辊之 间的 相 互作 用非 常复 杂 ， 不仅 牵 涉到金 属 弹 、 塑性 变形 过 程 中复杂 的物 理 因素 ， 而且还有 金属 的轴 向和周 向及 径 向流动 。一般认 为石油套管 的定径轧制 过程是一个 空心 圆柱体受 滚压的过程 。假设石 油套 管具有初始直 径 为 Ｄ ，定径时在 非均匀分布挤 压力 Ｆ的作用 下 ， 。 套
膨胀套管的弹塑性理论分析
摘
要 ：分析认 为，膨胀套管在膨胀过程 中先进入 弹性 阶段 ，然后进入弹塑性阶段 ，最后进入 塑性流动 阶段 。采
用弹塑性分析方法，对膨胀套管膨胀过程 中套管 内壁 的受力与 变形进行 了研 究，模拟 了其成形的过程 ，并建 立了解析 解 ，为膨胀套管膨胀操 作过程 中确定关键操 作参 数提 供 了理 论 支持 。根 据推 导 出的 力 学模 型，计 算 出 了外径 １ ７ ９ ０ ．
（ ９ １）
力 Ｏ 及 轴 向应力 。 ＂ ０
收 稿 日期 ：２ ０ —卜２ ；改 回 日期 ：２ ０ ３３ ０ ５１ ２ ０ ６０ １
基 金 项 目 ：ＣＮＰ ０ ５年 石 油科 技 中 青 年 创 新 基 金 资 助 项 目 Ｃ２０
“ 油 膨 胀 管 用 材 料 厦 螺 纹联 接 机 理研 究 ” （ 号 ：０ Ｅ ０ ４ 资助 石 编 ５ ７４ ）
该接箍表面涂有一层耐蚀减磨的铬镍等金属粉末不仅提高了抽油杆接箍的耐磨性而且使接箍面的摩擦阻力降低了1535耐磨性是普通接箍的10倍以上既能保护抽油杆接箍又能保护油管内壁达到了保护抽油杆和油管的双重目的
维普资讯
第３ ４卷 第 ３期
２０ ０ ６年 ５月
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管 井下模 拟 试 验 ，膨 胀 后 的 管材 性 能 符 合 Ａ Ｉ 准 Ｐ 标
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图 １ 膨 胀 套 管 截 面 力 学模 型
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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。
膨胀管修套技术-讲稿
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1）杏北油田4～6行列丙南块X4－1－330井 2003年11月14日作业，采用Φ114X8膨胀管修复，膨胀管深度 964～972m，胀管压力40～42Mpa，4分钟左右完成胀管。 2）杏北油田4～6行列乙北块X6－1－127井 2003年11月8日作业，采用Φ114X8膨胀管修复，膨胀管深度 741～749m，胀管压力38～41Mpa，4分钟左右完成胀管。 经检测修复后，通径Φ110～112、试压15Mpa密封正常，两口 井已恢复正常。 并已在地面进行10根（近100米）丝扣连接的膨胀管补贴试验， 获得成功，为长井段应用创造了条件。
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1、段铣扩径技术：
1） 主要是用可变径的磨铣工具磨铣掉套损井段的套管，为加固修复 主要是用可变径的磨铣工具磨铣掉套损井段的套管， 套损井段提供条件。 套损井段提供条件。 对于错断口没有夹持落物的井，可以连续铣通套损井段。对于落 鱼与错断口平齐的井，为了减少段铣时间，提高施工效率，在段铣处 理错断口下部套管及落物一定长度后，下钻具下击落物，如果落物已 下移，则用探针铣锥等磨铣组合钻具，分步铣通套损井段。如果落物 仍夹持在套损井段，则继续向下段铣，直至铣通套损井段。
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三、大庆油田段铣扩径与膨胀管补套技术
目前，油田对套管错断井的大修主要有两种技术手段： 错断深度在900m以内的一部分井采用“取换套技术”修复。 其余大部分井采取“小通径套损井扩径技术”进行修复。存 在的主要问题是：错断口通径越小，施工难度越大、周期越 长、费用越高，而且错断口通径小于40mm的井尚无成熟的 修复工艺。 为此，开展了段铣扩径与膨胀管加固技术攻关。其目的 是为了进一步提高小通径套损井的修井技术，提高施工效率 和成功率，降低修井费用。同时探索一种适应于套损通径小 于40mm井的修复手段。
石油技术 钻修井 膨胀管技术一纸阐
膨胀管技术一纸阐一、膨胀管原理膨胀管是一种由特殊材料制成具有良好塑性的金属钢管，下入井内通过机械或液压的方法，使其在径向膨胀10-30%，以满足套管补贴、裸眼井段的封隔等不同工艺要求，膨胀后屈服强度和抗拉强度得到提高，达到或接近N80套管水平。
二、膨胀管技术膨胀管技术主要分三类：套管井膨胀管技术，裸眼井膨胀管技术，膨胀式尾管悬挂器技术。
（一）套管井膨胀管技术1、常规膨胀管补贴主要应用在套管变形、漏失、错段、薄弱套管加固以及封堵射孔层。
目前在国内每年规模施工150-200段，适用于API139.7mm、177.8mm、244.5mm套管及其他非标套管补贴。
139.7mm套管补贴后通径104mm-108mm；177.8mm套管补贴后通径139mm-143mm；244.5mm套管补贴后通径195mm-200mm。
常规井膨胀管补贴悬挂力≥40吨，密封压力≥15MPa，工作温度120℃（可订制更高级别膨胀管）。
2、耐高温膨胀管补贴金属+耐高温弹性体组合密封悬挂，使膨胀管的材料组合耐高温密封和悬挂功能各自独立又相互补充，实现超高温密封悬挂双保险。
膨胀管金属密封耐高温热采井最大工作温度达350℃以上，可承受多轮次注蒸汽吞吐对膨胀管密封性的要求。
3、耐高压膨胀管补贴满足高压注水井补贴密封需求：高压注水油田对膨胀管补贴后的密封压力要求高，需达到35MPa-45MPa，满足高压注水密封要求。
满足压裂井补贴密封需求：很多油田要求膨胀管补贴后的密封压力达到70MPa（超高压），对新钻井套管漏失、老井封层实施膨胀管补贴，满足后续压裂对套管密封性要求。
4、水平井膨胀管补贴修井、井筒再造重复压裂最新开发的耐高压膨胀管+可溶或可磨铣膨胀（跨接）管组合补贴技术，满足国内油田各类水平井修井补贴、井筒再造膨胀管封层重复压裂需求。
膨胀管补贴后压裂抗内压可达70-90MPa。
根据需要可订制可溶或可磨铣(暂堵)用膨胀管，补贴压裂后可全面恢复水平井原有套管通径。
石油工程技术 膨胀管套管补贴技术
膨胀管套管补贴技术l 常规膨胀管补贴技术l 大通径膨胀管补贴技术l 免钻底堵膨胀管补贴技术l 耐高温密封膨胀管补贴技术l 水平井及大斜度井膨胀管补贴技术l 耐高压密封膨胀管补贴技术l 膨胀管长段补贴技术l 出砂井膨胀管补贴技术l 补贴后可速取式膨胀管补贴技术l 气井膨胀管补贴技术膨胀管套管补贴修井技术系列：膨胀管套管补贴技术系列膨胀管是一种由特殊材料制成、具有良好塑性的金属钢管，下入井内通过机械或液压的方法使其在直径方向膨胀10~30%左右，直接补贴和密封受损套管; 同时，在冷做冷作硬化效应下，管材强度和刚性得到提高，在补贴套管的同时加固受损套管。
应用范围：n广泛用于套管变形、漏失、错断、腐蚀井补贴、薄弱套管加固、封堵射孔层进行堵水或调层n适用于5-1/2”、7”、9-5/8”等API常用套管及非标套管补贴n5-1/2″常用套管补贴后内通径φ105mm-φ108mm；7″常用套管补贴后内径φ136mm-φ143mm；9-5/8″常用套管补贴后内径φ195mm-φ200mmn悬挂力≥450KN，密封压力≥15MPa -25MPa（根据需要，最高可达35MPa）n最高工作温度120℃（对于高温热采井可达350℃以上）常规膨胀管补贴技术与常规膨胀管技术相比，大通径膨胀管技术，由于其胀后通径更大，允许常规注水压裂等措施工具从补贴后的膨胀管内下入，拓宽了膨胀管补贴技术在油水井调层封堵（堵炮眼）、出水层堵水、恢复套损井分层注水工艺等领域的应用。
技术特点：★ 通径大，补贴后套管内径只减少10mm-11mm，一般情况下不影响常规井下工具的使用和增产、增注措施的实施。
★ 工艺简单，一趟管柱就完成整个工艺过程，没有磨底堵工序，作业时间短、效率高。
★ 地面施工压力低，安全可靠。
送入工具总成RIH液压动力系统Hhydraulic system大通径膨胀管Large drift SET大通径膨胀锥Expansion cone锚定系统anchor最新开发成功超薄壁大通径膨胀管：①补贴后套管内径只减少6mm-8mm。
膨胀管概述及技术研究.
膨胀管概述及技术研究张继红1ZhangJihong 刘明君2LiuMingjun摘要：膨胀管技术诞生于20世纪80年代，主要用来优化井深结构、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。
本文主要介绍了可膨胀管的分类及优缺点，以及可膨胀管的相关技术研究。
关键词：膨胀管；膨胀椎；套管；膨胀管技术于20世纪80年代晚期诞生于壳牌石油公司[1]，在这之后的一段时间里，发展非常迅速。
90年代末期达到了商业化应用水平，目前在国外有多家石油技术服务公司可以提供膨胀管的技术服务，其中最有名的是壳牌和哈里伯顿合资的Enventure公司[2～3]。
国内多家公司和科研机构也在从事膨胀管技术的研究，但多是理论及实验室的研究。
膨胀管是一种由低碳钢经特殊加工而制成的套管，由于含碳量低，膨胀管比普通套管柔性好，可朔性强。
可膨胀管技术就是将待膨胀的套管下到井内，以机械或液压为动力，通过冷挤扩张的方法，由上到下或由下到上，通过压力或拉力使膨胀工具通过待膨胀的套管内孔，使其内径或外径由于朔性变形膨胀至设计的尺寸，从而完成待定工程目的的一种技术。
膨胀管技术具有以下优点：○1可有效地解决复杂地层的井壁稳定问题；○2减小井眼锥度、增加套管下深，以尽可能大尺寸井眼完井；○3可以减少上部井眼的尺寸和套管层数；○4修复套损井；○5使完井具有更大的灵活性；○6能改善尾管悬挂器的密封效果；○7可大大降低钻井成本；○8可取代砾石充填,降低完井成本。
因此，膨胀管技术被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。
1 膨胀管的分类及优缺点1.1 可膨胀管的分类可膨胀管根据其结构的不同，可分为纵向波纹管、实体膨胀管（SET）和割缝膨胀管（EST）三种。
其中，纵向波纹管技术是事先将套管压扁成腰状（如图1a），下入井中后再用专用工具将压扁部位胀开。
割缝膨胀管有一系列串联的,互相交错的轴向割缝,割缝的布置使管柱易于膨胀。
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第４卷 ４
第 ７期
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通 大 学 学
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Ｖｏ． ４ Ｎ ７ＸＩＡＮ Ｊ ＡＯＴＯＮＧ Ｉ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
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石 油膨 胀 套 管 的 力 学性 能 及膨 胀后 的残 余 应 力
唐 明 ，王璐璐 ，马建 忠 ，宁学 涛 ，马新 沛
（．胜利 石油管理 局钻井 Ｔ艺研究 院 ， ５０７ １ ２７１，山东 东营 ； 西 安交通 大学金 属材料 强度 国家重点 实验室 ， １ ４ ． ２ ７０ ９ 西安 ） ０
摘要 ：针 对选 用的 Ｘ５ ２石 油膨 胀套 管 ， 过 不 同的 热 处理 工 艺进 一 步 改善 其 膨 胀性 能 ， 究 了膨 通 研 胀加 工前后 材料性 能 的 变化规 律． 于 经扩 径膨 胀 率 达 ２ 的 管材 ， 用应 力释 放 法 测 量 了膨 胀 对 ０／ ９ ６ 使
（ ．Ｄｒｌｉｇ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｉ ｓ ｉｕ ｅ ｏｆＳ ｅ ｇ ｉ ｔ ｏ ｅ ｍ ｍｉ ｉ ｔ ａ ｉ ｎ．Ｄｏ ｇ ｉ ｇ．Ｓｈ ｎ ｏ ｇ ２ ７ １ ｉ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ｓ ａ ｃ ｎ ｔｔ ｔ ｈ ｎ ｌ Ｐｅ ｒ ｌｕ Ａｄ ｎ ｓ ｒ ｔｏ ｌ ｎ ｙｎ ａ ｄ ｎ ５ ０１ ７．Ｃｈ ｎ ｉａ
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． 果表 明 ： 结 经扩径膨 胀后 ， 外壁 的轴 管
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 ； 内壁膨胀 后 轴 向与环 向的残 余 应 力均 为 残余 拉 应 力． 管 另外 ， 于 对 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 ； 学性 能 ； 力 残余 应 力 ； 热处理 中图分 类号 ：Ｔ ４ 文献 标志 码 ：Ａ Ｇ１ ２ 文章编 号 ： ２ ３９ ７ ２ １ ） ７０ ９ —５ ０ ５ —８ Ｘ（ ０ ０ ０ —０ ００
２ ．Ｓｔｔ ｙ Ｌａ ｏｒｔ ｒ ｏ ｅ ｈ ｎｃ ｌＢｅ ａ ｉｒｏ ａｅ ｉｌ ，Ｘｉ ｎ Ｊａ ｔｎ ａ ｅＫｅ ｂ ａｏ ｙ ｆｒＭ ｃ ａ ｉａ ｈ ｖｏ ｆＭ ｔｒａｓ ｉｏｏ ｇ Ｕｎｉｅ ｓｔ ａ ｖ ｒｉｙ，Ｘｉａ ０ ４ ｎ ７１ ０ ９，Ｃｈｉａ ｎ）
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