油气井膨胀管技术机理的研究课件.ppt

1、林元华林元华(028 83032735;13908085550)CNPC石油管力学重点实验室石油管力学重点实验室2022-10-6套管磨损原因实验分析套管磨损原因实验分析Expandable liners providing monobore well construction capabilityExpandable reservoir completion systemESSECLEISNo packers or liner hangers(as we currently know them)Simplified wellheadSmaller BOPTroublesome hole se

2、ctions are cased without sacrificing hole sizeSmaller top-hole sizes.Slim-hole drilling reduces waste&environmental impact30 50%WELL COST SAVINGS 2000 Weatherford.All rights reserved.ABLAlternativeBoreholeLinerECLExpandableCompletionLinerEISExpandableIsolation SleeveESSExpandableSand ScreenWeatherfo

3、rd Completion Systems引言：膨胀管技术简介引言：膨胀管技术简介图1 膨胀管示意图地层膨胀管膨胀芯头2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用图 2钻井实体膨胀管技术的工程应用1套管补贴；2地层封堵；3尾管悬挂器；4膨胀尾管；5废弃井段；6井壁加固1234562022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介常规井身结构常规井身结构2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用尾管悬挂器尾管悬挂器2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技

4、术的应用套管补贴套管补贴2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用新型井身结构新型井身结构2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用侧钻井中的应用侧钻井中的应用2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用复合管柱设计复合管柱设计2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用封堵高压层封堵高压层2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用裸眼固井裸眼固井2022-10

5、-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用尾管悬挂器尾管悬挂器2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用套管补贴套管补贴2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用13 3/8”2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用5 connection”2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用5”2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术

6、的应用4”welded2022-10-6引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介膨胀管技术的应用膨胀管技术的应用3”coiled tubing2022-10-6膨胀管技术对于钻井技术发展的重大意义膨胀管技术对于钻井技术发展的重大意义 引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介2019200020192019(mono-hole)2022-10-6膨胀管技术对于钻井技术发展的重大意义膨胀管技术对于钻井技术发展的重大意义 膨胀管技术的最大优点在于：开钻井眼膨胀管技术的最大优点在于：开钻井眼可用较小直径，完井可获较大直径，甚至开可用较小直径，完井可获较大直径，甚至开钻井眼与完井具有同样的直径。钻井眼与

7、完井具有同样的直径。n极大地节约钻井成本极大地节约钻井成本n使可以钻达的井深增大使可以钻达的井深增大国外专家预言：膨胀管技术将对钻井国外专家预言：膨胀管技术将对钻井工程技术产生革命性的影响工程技术产生革命性的影响引言：引言：膨胀管技术简介膨胀管技术简介2022-10-6引言：引言：膨胀管中的关键技术膨胀管中的关键技术 l膨胀管的选材膨胀管的选材 l膨胀后的管柱强度膨胀后的管柱强度l膨胀机构 l可膨胀联接 2022-10-6引言：引言：国内外研究与发展现状国内外研究与发展现状 国外国外l 有小规模应用；有小规模应用；l 高度垄断，商业保密性强，服务商只提供服务，不提供高度垄断，商业保密性强，服务

8、商只提供服务，不提供技术和产品。技术和产品。国内国内l 总体上处于认识阶段；总体上处于认识阶段；l 至今尚未见到现场应用；至今尚未见到现场应用；l 技术研究活动非常少，尚未见到有关研究文献发表。技术研究活动非常少，尚未见到有关研究文献发表。2022-10-6本文的研究目的与研究内容本文的研究目的与研究内容n管子膨胀时的金属流动行为研究管子膨胀时的金属流动行为研究n膨胀力计算及膨胀工具设计膨胀力计算及膨胀工具设计n管子膨胀的力学行为及选材研究管子膨胀的力学行为及选材研究n管子膨胀后的强度变化分析管子膨胀后的强度变化分析n膨胀联接方案膨胀联接方案研究目的：膨胀管的选材研究、膨胀后管子强度研究研究目

9、的：膨胀管的选材研究、膨胀后管子强度研究研究内容：研究内容：引言：引言：本文的研究内容与研究方法本文的研究内容与研究方法 2022-10-6引言：引言：本文的研究内容与研究方法本文的研究内容与研究方法 本文的研究方法本文的研究方法 管材膨胀属于金属塑性成形研究。金属塑性成形领域的研究发展现状与特点：金属塑性成形领域的研究发展现状与特点：目前金属塑性成形领域对于塑性成形工艺和目前金属塑性成形领域对于塑性成形工艺和工具设计还缺乏系统的、精确的理论分析手段，工具设计还缺乏系统的、精确的理论分析手段，而是主要依据工程师长期积累的经验。而是主要依据工程师长期积累的经验。2022-10-6引言：引言：本文

10、的研究内容与研究方法本文的研究内容与研究方法 本文的研究方法本文的研究方法 鉴于金属塑性成形领域的研究现状与特点，结合鉴于金属塑性成形领域的研究现状与特点，结合本文试验条件，本文拟采用的研究思路与方法：本文试验条件，本文拟采用的研究思路与方法：重要的基本参数：膨胀力、壁厚等重要的基本参数：膨胀力、壁厚等膨胀后管子的抗挤强度膨胀后管子的抗挤强度很难用数学理论获得有效结果的问很难用数学理论获得有效结果的问题：金属流动规律、膨胀非均匀变题：金属流动规律、膨胀非均匀变形规律、膨胀后材料的性质等形规律、膨胀后材料的性质等数学解析方法数学解析方法实物试验研究实物试验研究本部分结束本部分结束2022-10-

11、6（1）试验目的）试验目的（2）试验内容）试验内容管子膨胀时的金属流动行为研究：试验方案管子膨胀时的金属流动行为研究：试验方案（3）试验材料与试验装置）试验材料与试验装置管子膨胀时的金属流动行为研究：试验方案管子膨胀时的金属流动行为研究：试验方案1 2 3 4 5 6 7 8本文管子膨胀试验装置示意图（借用油缸厂350T拉拔机）1、芯杆固定装置；2、芯杆；3、被膨胀的管子；4、放置管子的平台；5、芯头；6、夹持装置；7、小车；8、小车轨道。小车运动方向（4）试验步骤）试验步骤管子膨胀时的金属流动行为研究：试验方案管子膨胀时的金属流动行为研究：试验方案管子外壁上的网格图示管子外壁上的网格图示第一

12、次膨胀后截取的样品段第二次膨胀后截取的样品段第三次膨胀后截取的样品段第一号网格第二号网格第三号网格网格编号图示第一次膨胀后截取的管段第二次膨胀后截取的管段第三次膨胀后截取的管段第一号网格第二号网格第三号网格网格法试验研究管子膨胀时的金属流动网格法试验研究管子膨胀时的金属流动外壁上的网格线的尺寸变化外壁上的网格线的尺寸变化管子膨胀时的金属流动行为研究：试验结果及分析管子膨胀时的金属流动行为研究：试验结果及分析分析及认识分析及认识内外壁上横向线位置在轴向的相对位移内外壁上横向线位置在轴向的相对位移（图示图示）分析与认识：金属在管子纵向上存在流动不均匀性（分析与认识：金属在管子纵向上存在流动不均匀性

13、（图示图示）管子膨胀时的金属流动行为研究：试验结果及分析管子膨胀时的金属流动行为研究：试验结果及分析内外壁上横向线位置在轴向的相对位移分析内外壁上横向线位置在轴向的相对位移分析n 管子横断面上的摩擦作用力场强在径向上的管子横断面上的摩擦作用力场强在径向上的分布不均；分布不均；n 管子径向上摩擦生热的温度分布不均。管子径向上摩擦生热的温度分布不均。造成纵向金属流动不均匀的原因：造成纵向金属流动不均匀的原因：管子膨胀时的金属流动行为研究：试验结果管子膨胀时的金属流动行为研究：试验结果不同膨胀幅度下的管子金相分析不同膨胀幅度下的管子金相分析照片照片结论：结论：（1）管子内壁处的变形大于外壁）管子内壁

14、处的变形大于外壁（2）晶粒碎化）晶粒碎化原来的晶粒碎化成亚晶粒，原来的晶粒碎化成亚晶粒，6个样品的金相分个样品的金相分析发现试样均为铁素体和索氏体组织，随着膨胀幅析发现试样均为铁素体和索氏体组织，随着膨胀幅度的增大，晶粒越来越细，铁素体变形较大，已无度的增大，晶粒越来越细，铁素体变形较大，已无法准确评定出铁素体晶粒度，晶粒非常细小法准确评定出铁素体晶粒度，晶粒非常细小管子膨胀时的金属流动行为研究：金相分析管子膨胀时的金属流动行为研究：金相分析（3）产生形变织构）产生形变织构由于本文试验管子最终的膨胀量幅度高达由于本文试验管子最终的膨胀量幅度高达26.6，各个晶粒的滑移面和滑移方向都逐渐与形变方

15、向趋于各个晶粒的滑移面和滑移方向都逐渐与形变方向趋于一致，从而使原来取向互不相同的各个晶粒在空间位一致，从而使原来取向互不相同的各个晶粒在空间位向上呈现出了一定程度的一致性而发生了择优取向，向上呈现出了一定程度的一致性而发生了择优取向，产生了丝织构。产生了丝织构。管子膨胀时的金属流动行为研究：金相分析管子膨胀时的金属流动行为研究：金相分析金相分析结果证实了网格法分析结果的正确性，金相分析结果证实了网格法分析结果的正确性，说明本文将网格法研究方法引入石油管工程领域是说明本文将网格法研究方法引入石油管工程领域是可行的可行的管子膨胀时的金属流动行为研究：影响管子膨胀管子膨胀时的金属流动行为研究：影响

16、管子膨胀时的金属流动的因素分析时的金属流动的因素分析管子膨胀时的金属流动行为研究：分析与总结管子膨胀时的金属流动行为研究：分析与总结管子膨胀时的金属流动行为研究：分析与总结管子膨胀时的金属流动行为研究：分析与总结本部分结束本部分结束管子膨胀的力学行为及选材研究管子膨胀的力学行为及选材研究 管子膨胀的力学试验管子膨胀的力学试验膨胀力的理论计算研究膨胀力的理论计算研究膨胀后管子壁厚的理论计算研究膨胀后管子壁厚的理论计算研究管子膨胀过程中的不均匀变形研究管子膨胀过程中的不均匀变形研究管子膨胀后材料力学性能的测试分析管子膨胀后材料力学性能的测试分析膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析膨胀过程中芯头与管壁间

17、的摩擦分析膨胀管选材膨胀管选材2022-10-6管子膨胀时一些力学相关问题的分析管子膨胀时一些力学相关问题的分析 膨胀力膨胀力 由三部分构成由三部分构成:PP321PPPP式中式中 基本变形需要的力；基本变形需要的力；克服摩擦需要的力；克服摩擦需要的力；消耗不均匀变形的力。消耗不均匀变形的力。因此，凡是与上述三方面有关的各种因素都影响因此，凡是与上述三方面有关的各种因素都影响膨胀力的大小，这些因素中主要的有以下一些：膨胀力的大小，这些因素中主要的有以下一些：1P2P3P（1 1）膨胀管柱钢材的性质）膨胀管柱钢材的性质（2 2）管子变形程度）管子变形程度（3 3）膨胀芯头的锥角）膨胀芯头的锥角（

18、4 4）膨胀速度）膨胀速度（5 5）摩擦与润滑）摩擦与润滑（6 6）井眼中的管柱空间形状）井眼中的管柱空间形状（7 7）膨胀工艺）膨胀工艺（8 8）井眼中的温度）井眼中的温度PP本文用主应力法推导了膨胀力的计算公式本文用主应力法推导了膨胀力的计算公式假设：假设：在一定范围内应力分布是均匀的在一定范围内应力分布是均匀的沿壁厚的应力变化可以忽略不计沿壁厚的应力变化可以忽略不计忽略管柱的弹性变形忽略管柱的弹性变形材料为理想刚塑性体（材料为理想刚塑性体（图图1414）PBtRtRFsL1113.22上式中：上式中：膨胀力的计算公式：膨胀力的计算公式：膨胀工作液压强计算公式：膨胀工作液压强计算公式：22

19、tRFP1cos)1(112122ctgfRRflRctgfRctgfBctgfP公式验证：公式验证：（a）(b)本文试验中同一根管子膨胀前后的壁厚变化对比本文试验中同一根管子膨胀前后的壁厚变化对比(a)膨胀前膨胀前(b)进行幅度为进行幅度为20.9的膨胀后的膨胀后NSDSDaZZaZaaBDDSDSSBredredBS1001101011011111ln11123ln2ln参数输入：、计算计算以代替式（3.8）右侧的，计算出以代入式（3.8），计算出是结束计算，输出结果否05.0111SSS1SredZred管子膨胀后壁厚计算程序框图 0S1S公式验证公式验证膨胀力及膨胀后的管子壁厚是膨胀管

20、技术的主膨胀力及膨胀后的管子壁厚是膨胀管技术的主要参数，目前尚未看到有人发表针对膨胀管技术的要参数，目前尚未看到有人发表针对膨胀管技术的膨胀力及壁厚计算理论公式，本文引用塑性力学及膨胀力及壁厚计算理论公式，本文引用塑性力学及金属冷加工理论，建立的膨胀力及膨胀后管子壁厚金属冷加工理论，建立的膨胀力及膨胀后管子壁厚的理论计算公式的计算值和试验实测值接近，说明的理论计算公式的计算值和试验实测值接近，说明本文提出的公式具有一定的应用价值。本文提出的公式具有一定的应用价值。管子膨胀过程中的不均匀变形研究：管子膨胀过程中的不均匀变形研究：壁厚不均度壁厚不均度变化分析变化分析 壁厚不均度变化：壁厚不均度变化

21、：管子膨胀过程中的不均匀变形研究：管子膨胀过程中的不均匀变形研究：壁厚不均度壁厚不均度变化分析变化分析 管子膨胀过程中的不均匀变形研究：管子膨胀过程中的不均匀变形研究：壁厚不均度壁厚不均度变化分析变化分析 管子膨胀过程中的不均匀变形研究：管子膨胀过程中的不均匀变形研究：管子不圆度管子不圆度变化分析变化分析 管子膨胀过程中的不均匀变形研究：探伤分析管子膨胀过程中的不均匀变形研究：探伤分析10101100ttDDtDtDQ管子膨胀过程中的不均匀变形研究：截面形状变管子膨胀过程中的不均匀变形研究：截面形状变化指数化指数变化分析变化分析 管子膨胀过程中的不均匀变形研究：综合管子膨胀过程中的不均匀变形研

22、究：综合分析分析管子膨胀过程中的不均匀变形研究：小结管子膨胀过程中的不均匀变形研究：小结膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析P综合前文的分析，对膨胀管的选材给出如下建议：综合前文的分析，对膨胀管的选材给出如下建议：（1 1）以直缝焊）以直缝焊管作为膨胀管（管作为膨胀管（表表1111）直缝焊管与无缝管相比，具有以下优点：直缝焊管与无缝管相比，具有以下优点：p尺寸精度高尺寸精度高p延展性好延展性好p抗挤毁性能高抗挤毁性能高p冲击韧性好冲击韧性好

23、冶金技术进步，焊缝性能已与基体材料性能一致冶金技术进步，焊缝性能已与基体材料性能一致国外也注意到了直缝焊管作为膨胀管的好处，但国外也注意到了直缝焊管作为膨胀管的好处，但未见到相应的机理论证。未见到相应的机理论证。P（2 2）严格限制管子的初始壁厚不均度及不圆度）严格限制管子的初始壁厚不均度及不圆度（3 3）使用低形变强化指数的钢材）使用低形变强化指数的钢材（4 4）使用低屈强比（）使用低屈强比（）的钢材）的钢材bs/本部分结束本部分结束膨胀后管子抗挤强度研究膨胀后管子抗挤强度研究n 研究膨胀后管子抗挤强度的意义研究膨胀后管子抗挤强度的意义n 膨胀后管子抗挤强度的理论计算膨胀后管子抗挤强度的理论

24、计算n 膨胀后管子抗挤强度下降的原因分析膨胀后管子抗挤强度下降的原因分析n 防止膨胀后管子抗挤强度降低的方法分防止膨胀后管子抗挤强度降低的方法分析析2022-10-6stscst31PgPPPPPPEEEc221式中各符号的表达式式中各符号的表达式 s1s2s0P0P膨胀前抗挤强度膨胀前抗挤强度膨胀后抗挤强度膨胀后抗挤强度1P01PP 本部分结束本部分结束常规螺纹联接的可膨胀性分析常规螺纹联接的可膨胀性分析常规螺纹联接无法用于膨胀管柱常规螺纹联接无法用于膨胀管柱（1 1）传统螺纹联接的密封形式不适合于膨胀作业）传统螺纹联接的密封形式不适合于膨胀作业 （2 2）传统联接的壁厚允许公差大，易于在薄

25、弱部位）传统联接的壁厚允许公差大，易于在薄弱部位产生应力集中产生应力集中（3 3）传统联接螺纹部分的壁厚大于管体部分，膨胀）传统联接螺纹部分的壁厚大于管体部分，膨胀作业无法顺利进行作业无法顺利进行（4 4）传统螺纹联接在膨胀时公接头会向管子内弯曲）传统螺纹联接在膨胀时公接头会向管子内弯曲2022-10-6可膨胀联接结构方案可膨胀联接结构方案膨胀联接的技术要求膨胀联接的技术要求（1 1）在膨胀过程中和膨胀后应该不丧失结构完整性）在膨胀过程中和膨胀后应该不丧失结构完整性和密封完整性和密封完整性（2 2）联接部分应该和管体部分具有相同的壁厚和内）联接部分应该和管体部分具有相同的壁厚和内径径（3 3）

26、接头的壁厚不均度和不圆度应该尽量小）接头的壁厚不均度和不圆度应该尽量小（4 4）下套管时母接头端向下，公接头端向上）下套管时母接头端向下，公接头端向上 2022-10-6膨胀联接结构方案膨胀联接结构方案膨胀联接结构方案膨胀联接结构方案该联接特点：该联接特点：是一种直连的平齐型的螺纹联接；是一种直连的平齐型的螺纹联接；具有双密封结构。具有双密封结构。图图3131至图至图3535是这种联接的结构及工作示意图。是这种联接的结构及工作示意图。本部分结束本部分结束2022-10-6结论结论 1.引入金属冷加工及塑性力学相邻学科的理论，引入金属冷加工及塑性力学相邻学科的理论，对油气井膨胀管的选材及膨胀后的

27、管子强度对油气井膨胀管的选材及膨胀后的管子强度变化等一系列问题进行了学科交叉研究，研变化等一系列问题进行了学科交叉研究，研究得到的膨胀力、膨胀后管子壁厚值及膨胀究得到的膨胀力、膨胀后管子壁厚值及膨胀后管子抗挤强度等膨胀管技术中的重要参数后管子抗挤强度等膨胀管技术中的重要参数的计算公式，对于膨胀管技术应用具有重要的计算公式，对于膨胀管技术应用具有重要意义；意义；2022-10-694结论结论 2.针对油气井膨胀管技术，进行了较系统的实针对油气井膨胀管技术，进行了较系统的实物试验研究，研究得到了膨胀管金属流动、物试验研究，研究得到了膨胀管金属流动、变形及膨胀后管子材料性质变化的一系列重变形及膨胀后

28、管子材料性质变化的一系列重要结论，这些结论对膨胀管技术应用研究具要结论，这些结论对膨胀管技术应用研究具有重要参考价值；有重要参考价值；3.首次将网格法这一金属塑性加工学中的重要首次将网格法这一金属塑性加工学中的重要试验研究方法引入石油管工程领域，对管子试验研究方法引入石油管工程领域，对管子径向膨胀时的金属流动规律进行了研究，研径向膨胀时的金属流动规律进行了研究，研究结果得到了金相分析结果的证实，说明本究结果得到了金相分析结果的证实，说明本文将网格法引入石油管工程领域是可行的；文将网格法引入石油管工程领域是可行的；2022-10-695结论结论 4.管子膨胀时在纵向上存在金属流动不均现象，管子膨

29、胀时在纵向上存在金属流动不均现象，这种金属流动不均主要是由于膨胀芯头和管这种金属流动不均主要是由于膨胀芯头和管壁间的摩擦力场强以及摩擦生热温度在管子壁间的摩擦力场强以及摩擦生热温度在管子横截面上的不均匀分布引起的，纵向金属流横截面上的不均匀分布引起的，纵向金属流动不均对膨胀后管子性能有不利影响；动不均对膨胀后管子性能有不利影响；5.管子的壁厚不均度和不圆度随着管子膨胀幅管子的壁厚不均度和不圆度随着管子膨胀幅度的增大而增大，且变形主要在管子的薄壁度的增大而增大，且变形主要在管子的薄壁部分发生，从而使该部位成为管子膨胀的薄部分发生，从而使该部位成为管子膨胀的薄弱部位，这种管子几何缺陷在膨胀后的增强

30、弱部位，这种管子几何缺陷在膨胀后的增强对管子机械性能有显著不利影响；对管子机械性能有显著不利影响；2022-10-696结论结论 6.针对管子膨胀时的变形特点及膨胀后材料力针对管子膨胀时的变形特点及膨胀后材料力学性能变化特点，对比了直缝焊管和无缝管学性能变化特点，对比了直缝焊管和无缝管的优缺点，提出了直缝焊管相比无缝管具有的优缺点，提出了直缝焊管相比无缝管具有作为膨胀管的诸多优势的观点，建议以直缝作为膨胀管的诸多优势的观点，建议以直缝焊管作为膨胀管管材。焊管作为膨胀管管材。7.分析指出传统的套管螺纹联接无法用于膨胀分析指出传统的套管螺纹联接无法用于膨胀管柱，提出了一种可膨胀联接的结构方案。管柱，提出了一种可膨胀联接的结构方案。2022-10-6972022-10-6