地质勘探用膨胀波纹管截面设计与选择

2015-01-01张化民于好善

钻探工程 2015年8期

张化民，于好善，宋刚

(中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊065000)

0 引言

膨胀波纹管技术(Expandable Profile Liner，EPL)主要用于钻井过程中在不减小井眼尺寸的情况下封堵各种复杂地层、补贴损坏套管、延长技术套管长度等。采用这种技术能大大降低钻井过程中的各种风险。由于能够实现单一尺寸井眼钻井和连续封隔复杂地层等作用(图1)，膨胀波纹管技术被认为是21世纪钻井工程的重大技术革命之一［1］。近年来，石油钻井行业内不断有大口径的膨胀波纹管产品在现场应用成功。

我所针对地质钻探行业需求展开了膨胀管相关技术的系列研究，开发出了3种小口径膨胀波纹管产品，现已进入推广应用阶段。

图1 波纹管实现等径钻进方案

膨胀波纹管技术首先是将金属圆管制成截面异形管(见图2)，波纹管下入孔内后，在水力和胀管器作用下，膨胀恢复到要求的尺寸。膨胀波纹管护壁技术主要用于封隔复杂孔段，处理恶性漏失或塌孔等事故，可保证复杂地区深孔钻探的顺利进行。为了能保证波纹管顺利通过钻孔，下入到护壁孔段，同时膨胀护壁后不损失孔径，下孔前波纹管最大外径尺寸应小于钻孔直径，膨胀完成后的波纹管管段内径尺寸应大于钻孔直径;为了满足制作和应用的可行性，波纹管断面形状要易于成形和膨胀，波纹管膨胀后管段应有尽可能小的椭圆度，最小的残余应力;为达到封堵地层维持孔壁稳定的目的，膨胀后的管体应具有尽可能大的抗外挤强度、抗内压强度等性能。这就势必要对波纹管材料、截面、成形方法和膨胀过程进行分析，研究满足目的性、经济性和实用性要求的膨胀波纹管设计方法、成形工艺和施工工艺。

本文在总结我所膨胀波纹管研究工作的基础上，主要论述地质勘探用小口径膨胀波纹管截面设计理论和基于ANSYS14．0数值模拟的截面形状优选。

图2 各种波纹管截面形状

1 可膨胀波纹管截面设计理论

1．1 截面设计参数

1．1．1 最小弯曲半径

在初步设计波纹管截面时，要根据波纹管材料特性，借助板料弯曲时最小弯曲半径的确定方法［2］，以允许伸长率为条件计算并确定波纹管截面的最小相对弯曲半径rmin。

相对弯曲半径是指板材折弯时弯曲半径与板厚地比值，反映了板料的弯曲变形程度。相对弯曲半径越小，弯曲变形程度越大。在保证外层不发生破裂时，所能达到的内圆角半径与厚度的比值，称为最小相对弯曲半径。表示弯曲时的成形极限。

式中:rmin——最小弯曲半径;t——壁厚;δmax——材料的延伸率。

以延伸率为25%的钢材为例计算，设计波纹管的最小弯曲半径为不得小于壁厚的2倍。

1．1．2 管材径厚比

管材的径厚比是指管材的外径与壁厚的比值，由管材的抗内压与抗外挤强度确定［1］。

抗内压强度采用薄壁圆筒内压破坏计算得出:

式中:p0——圆管的抗内压强度，MPa;D——管材外径，mm;σb——管材抗拉极限强度，MPa。

采用抗拉强度为400 MPa的钢材质波纹管，以抗内压≮20 MPa为目标，设计的波纹管径厚比40。

圆管抗外挤强度按圆柱薄壳弹性失稳时的临界载荷考虑，计算式如下:

式中:q0——圆管的抗外挤强度，MPa;E——管材弹性模量，MPa;μ——管材泊松比。

以普通钢材参数 μ=0．3，E=2．1 GPa 为例，当设计要求抗外挤强度≮20 MPa时，设计波纹管径厚比≯26．57。

1．1．3 成形后最大外径和膨胀后最小内径

本文所设计的波纹管主要用于地质钻探中的护壁，其成形最大外径要小于钻孔直径，膨胀完成后的内径要不小于钻孔直径。根据文献［3］，选取3种尺寸进行研究:127 mm变108 mm、108 mm变89 mm和89 mm变73 mm(参见表1)。

表1 三种规格膨胀波纹管的应用尺寸要求 mm

1．2 截面设计计算

可膨胀波纹管截面形式可以分为8字形和四、六、八、十瓣梅花形，波峰、波谷为相切的圆弧连接而成，形状参数为波峰半径、弧度和波谷半径、弧度。

参见图3，笔者研究分析发现，可膨胀波纹管形状参数之间存在以下关系:

图3 多瓣梅花形截面尺寸计算示意图

式中:α1——1/2 波峰圆弧角度;α2——波谷圆弧角度;r1——波峰圆弧半径;r2——波谷圆弧半径;D1——波纹管成形后最大外径;D2——波纹管成形前圆管外径;n——波纹管花瓣数。

在一种规格波纹管截面设计时，加工前圆管外径和波纹管成形最大外径为已知，该方程组为四元一次三项方程组，3个方程，4个未知数，理论上存在无数组解。考虑最小弯曲半径，峰谷外圈半径值不应小于壁厚的2倍，除去无意义解。考虑加工制作的方便性，峰谷半径值取整数，可以初步选定数组尺寸组合，在绘图软件中成图，完成膨胀波纹管截面设计。以89mm变73mm规格为例，部分可膨胀波纹管计算尺寸如表2所示，设计图如图4所示。

表2 部分89 mm变73 mm规格膨胀波纹管设计截面尺寸

花形 r1/mm r2/mm α1/(°) α2/(°)十瓣(n=10) 7 3 83．73 131．45 6 4 88．48 140．95八瓣(n=8) 8 4 87．85 130．70 7 5 92．68 140．36六瓣(n=6) 9 5 109．16 158．31 8 7 101．81 143．61四瓣(n =4 10 9 125．48 160．96

图4 部分89 mm 变73 mm 规格膨胀波纹管设计图

2 基于ANSYS数值模拟分析的膨胀波纹管截面选择

膨胀波纹管有多种截面形式，每种截面形式又有多种尺寸组合，每种规格可以设计出十多个截面图纸，何种截面设计图是最佳方案需要进一步研究。如果采用物理实验的研究方法，不同截面尺寸需要不同的成形模具和加工设备，需要大量的试验设备和检测工具，成本高效率低，费时费力。数值模拟分析方法以其直观、高效、低成本的特点，更适用于此项研究。

本文通过ANSYS软件对不同花形、不同尺寸和不同壁厚的截面形式进行了比较，总结出了可膨胀波纹管截面优选的一般规律。

所用软件为 ANSYS14．0，所选单元为PLANE183，材料参数为:弹性模量210 GPa，泊松比0．3，屈服强度 270 MPa，切线模量 5 GPa。将 CAD图纸导入ANSYS中建立模型，进行网格划分，施加固定约束和内压，打开大变形进行求解，运算完成后进行后处理，统计分析变形之后的最大内径和最小内径［4］。分析过程参见图5。