实体膨胀管理论膨胀载荷的确定

实体膨胀管理论膨胀载荷的确定

于桂杰;王瑞和;唐明

【摘要】实体膨胀管膨胀载荷是膨胀管钻井技术的关键参数.膨胀载荷分析方法是确定膨胀载荷和设计、优化膨胀工具的理论基础.针对实体膨胀管结构特点和塑性大变形膨胀过程,建立了实体膨胀管力学模型,提出了实体膨胀管膨胀载荷确定方法,给出了膨胀载荷计算公式,指出了膨胀载荷和膨胀管结构、材料性质、膨胀工具结构及其接触面上的摩擦因数之间的关系.通过和有限元数值计算结果、实际工程案例比较,相对误差为3.4%～5.8%,结果表明膨胀载荷分析方法合理、正确,对实体膨胀管钻井技术具有实际、有效的工程指导意义.

【期刊名称】《石油钻采工艺》

【年(卷),期】2010(032)002

【总页数】5页(P1-5)

【关键词】实体膨胀管;塑性变形;主应力;塑性成型理论;膨胀载荷;有限元法

【作者】于桂杰;王瑞和;唐明

【作者单位】中国石油大学,山东东营,257061;中国石油大学,山东东营,257061;胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营,257017

【正文语种】中文

【中图分类】TE21

Abstract:Expandable theoretical load is the key parameter of drilling technique for Solid Expandable Tubular（SET）. Analyzing method of

expandable theoretical load for SET is the theoretical basis for determining the expansion load, designing and optimizing the expansion tool. Combined the structure for SET with expandable process in large plastic deformation, the mechanical model for SET is established. The expandable theoretical load for SET is analyzed. Given the formula of calculating the expansion load for SET is found. It is pointed out that the relationship of expansion load with structure for SET, material properties, structure of expansion tool, and friction coeffcient on their contacting surfaces. Through comparison with Finite Element Method（FEM）calculation results and actual engineering case, it proved that the theoretical calculation is simple, the result is accurate, and the relative error is between 3.4% and 5.8%. The result given by the expandable theoretical method for SET is reasonable. The analyzing method is of actual and effective engineering signifcance for drilling technology for SET.

Key words:SET; plastic deformation; principal stress; plastic molding theory; expansion load; FEM

可膨胀管钻井技术是国外正在发展、国内正悄然兴起的可明显降低钻井、完井成本的一项新技术［1-7］。膨胀管钻井技术的一个关键参数是膨胀载荷，因此，建立实体膨胀管理论膨胀载荷分析方法，确定理论膨胀载荷，以期在施工前预知膨胀过程中需要的动力，是该研究的主要目的。

Expansion technology

膨胀管的膨胀过程是在井下条件下完成的。将膨胀管和膨胀工具一起下入井下相应位置，在井下条件下，通过机械或液压方式给膨胀工具施加载荷，使膨胀工具从管柱中穿过，膨胀管产生环向塑性变形，达到扩大膨胀管内外径的目的。膨胀工具穿

过膨胀管使之发生变形，超过膨胀管材料的弹性强度极限而进入塑性区或强化区，但是低于其断裂强度极限。膨胀过程见图1。由此可见，膨胀过程是膨胀管材料在载荷作用下的塑性大变形过程，因此，在膨胀管钻井技术中膨胀载荷是一个关键参数。膨胀载荷不仅是选择膨胀设备的主要技术参数，而且膨胀机理还是设计和优化膨胀工具的理论基础。

Mechanic model and basic assumptions of expandable process for SET

膨胀管膨胀过程是在膨胀工具上作用轴向载荷，膨胀工具在载荷作用下轴向移动，使膨胀管产生环向变形，当膨胀管上的等效应力达到材料的屈服指标时，变形就是永久变形，根据这一过程，建立图2膨胀过程力学分析模型。膨胀工具由3部分

组成：扩管体——膨胀管膨胀后，扩管体进行局部圆度修正，膨胀管不再出现大

变形；膨胀锥——由于是圆锥结构，膨胀工具的轴向移动转变为膨胀管的环向塑

性大变形，膨胀管半径由小尺寸变为大尺寸，实现膨胀管膨胀；扶正体——保证

膨胀工具居膨胀管基管内圆面中心，确保膨胀管变形均匀。

很明显，膨胀管膨胀过程是塑性大变形过程，而且变形速度很慢，因此，认为膨胀管是一个静力平衡体。由于膨胀工具的对称性，在理论分析时可以认为变形是均匀的，而且变形过程中壁厚变化很小，因此，对膨胀管进行应力分析时，除了材料常规的连续性、均匀性、各向同性、稳态变形的假设外［8］，还做如下假设。（1）膨胀管基管材料为弹塑性线性强化材料。

（2）膨胀过程中的任何一个瞬间，膨胀管都是一个力的平衡体。

（3）忽略体力的存在，假设变形不改变套管的壁厚。

（4）不考虑径向应力对变形的影响。

（5）膨胀锥和膨胀管内壁的接触是完全、环向均匀接触，摩擦因数是常数。Theoretical load determination and its stress state analysis

当膨胀载荷作用在膨胀工具上时，膨胀区的套管锥面对膨胀锥体产生一个正压力，