井眼直径对膨胀波纹管膨胀性能的影响*

朱冰冰，段庆全，李 虎，张会会

（中国石油大学 机械与储运工程学院，北京102249）

井眼直径对膨胀波纹管膨胀性能的影响*

朱冰冰，段庆全，李 虎，张会会

（中国石油大学 机械与储运工程学院，北京102249）

为了保障膨胀波纹管在石油钻井中的应用，针对Φ 215.9 mm波纹管现场试验过程中水力膨胀需求，采用有限元弹塑性分析的方法，建立波纹管膨胀模型，开展波纹管在直井中膨胀情况的仿真模拟。通过对所建模型的分析，对不同井眼直径可膨胀波纹管的波峰、波谷、长轴及不圆度随压力的变化关系进行研究，结果表明：随压力的增加，波纹管的不圆度逐渐减小，且井眼直径越大，不圆度越小；随井眼直径的增加，波峰、波谷、长轴的直径均增大。

波纹管；膨胀；井眼直径；有限元分析

1 概 述

在石油钻井过程中，井漏是影响钻井作业安全最严重的复杂状况之一。井漏不及时处理则会延长钻井周期，同时，井漏损失钻井液、损害油气层，会引起一系列复杂情况和事故，造成极大的经济损失[1]。可膨胀管技术的出现为解决上述问题提供了很好的思路和解决方法，该技术是在钻井或修井施工过程中，将管柱下入井内，以液力或机械力的方式使管材永久形变，增大套管直径，以实现节省井眼尺寸、封堵复杂地层的一种新型技术[2-3]。膨胀波纹管是通过对管材进行冷压处理，使管材发生塑性变形，管柱截面形状由波谷和波峰及过渡曲线组成[4-5]，与圆截面钢管相比，在等周长的条件下，其截面最大尺寸较小，如图1所示。利用这一特性，可顺利入井到达预定井段，在井下通过液压等方法将其膨胀，再在胀管器的作用下，使其完全膨胀成圆管，起到封隔或补贴目的层的作用。

本研究采用有限元分析方法，对直井中膨胀波纹管的膨胀过程进行数值模拟，分析井眼直径对膨胀过程中波纹管波峰、波谷及不圆度随压力的变化情况[6-8]，为膨胀波纹管在套管补贴、堵漏、封隔坍塌地层等现场应用提供理论依据。

图1 膨胀波纹管外形示意图

2 有限元模型的建立

以Φ215.9 mm，壁厚8 mm的膨胀波纹管为研究对象，模型如图2所示。

考虑波纹管的对称性，建立1/4模型，波纹管模型采用4节点的CPE4单元。波纹管材料为20#钢，材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率见表1。

图2 1/4波纹管模型

表1 试验用波纹管的力学性能

如忽略井壁弹性，井眼对波纹管的约束更大，膨胀管更加不容易膨胀。因此本研究建立了二维刚性井眼模型进行计算，将井壁视为刚性体，分析膨胀管的膨胀性能。直井段直径为230 mm、237 mm、239 mm、241 mm、243 mm和245 mm，单元为2节点刚体单元R2D2，取1/4模型如图3所示。模型中波纹管与直井为面面接触，边界条件是对称边界条件[9]，对波纹管施加的载荷为内压30 MPa。图2中A、B、C三点分别是波谷处内径，长轴处内径和波峰处内径。通过对所建模型的分析，对不同井眼直径的可膨胀波纹管的波峰、波谷、长轴及不圆度随压力的变化关系进行研究，得出井眼直径对膨胀波纹管膨胀性能的影响规律。

图3 1/4刚性井眼模型示意图

3 直井段中井眼直径对波纹管膨胀过程的影响

3.1 不圆度随压力的变化

模型施加内压30MPa，模拟波纹管在裸眼井中受内压膨胀的过程。井眼直径为230 mm、237 mm、239 mm、241 mm、243 mm和245 mm，波纹管壁厚为8 mm，进行模拟后得到直井中波纹管膨胀过程[10]。井眼直径对波纹管不圆度的影响如图4所示。从图4可以看出，随着内压的增加，波纹管膨胀，不圆度逐渐减小；内压在0～5 MPa时，井眼直径对波纹管的不圆度基本没有影响；当内压达到5～7.5 MPa时，井眼直径越小，不圆度就越大；当内压达到10～30 MPa时，井眼直径对不圆度有显著影响，井眼直径越大，不圆度越小。

图4 不同井眼直径对波纹管不圆度的影响

由于Φ215.9 mm膨胀波纹管未成型之前的尺寸为237 mm，因此，井眼直径小于237 mm时，波纹管膨胀不充分。在井眼直径为237 mm的直井段中，波纹管经过膨胀后刚好贴合到井壁上，但在0～5 MPa时，其不圆度曲线呈现S形（见图4），说明在井眼直径为237 mm的直井段中，波纹管膨胀相对较为困难。

3.2 波谷处的直径变化

不同井眼直径对波纹管波谷处直径的影响如图5所示。由图5可见，当内压达到2.5 MPa时，波纹管波谷处直径开始增大，并且随内压的增大而迅速不断增大。井眼直径为230 mm时，当内压达到5 MPa后波谷处的直径增长速度减小，膨胀到170 mm左右停止。井眼直径为237 mm、239 mm、241 mm、243 mm和245 mm时，在内压达到7.5 MPa左右，波谷处直径随内压增大的速度变缓，最后在220 mm左右停止。井眼直径越大，波谷直径膨胀越大，井眼直径为237～245mm时，井眼直径对波纹管膨胀过程的影响并不明显。

图5 不同井眼直径对波纹管波谷处直径的影响

3.3 长轴处的直径变化

井眼直径对波纹管长轴处的直径影响如图6所示。从图6可以看出，波纹管长轴直径也是从内压为2.5 MPa左右开始明显增加，并在5 MPa时达到直径最大值，内压为5～30 MPa阶段，长轴处的直径变化幅度很小；井眼直径为230 mm时，在内压达到5 MPa以后长轴直径增长速度逐渐减小，最后为0，说明膨胀波纹管长轴直径在5 MPa后几乎不膨胀。

图6 不同井眼直径对波纹管长轴处直径的影响

3.4 波峰处的直径变化

不同井眼直径对波纹管波峰处直径的影响如图7所示。从图7可以看出，井眼直径为237～245 mm时，内压达到5 MPa以后，波峰处直径有个平缓降低的过程。井眼直径对波纹管波峰的膨胀过程有明显影响，相同压力下，井眼直径越大，波纹管波峰处的直径越大。

图7 不同井眼直径对波纹管波峰处直径的影响

图8 不同井眼直径对波纹管膨胀性能的影响

图8为不同井眼直径对波纹管膨胀性能的影响。从图8可以看出，井眼直径为230 mm时，膨胀波纹管并没有膨胀完全，对其充压5 MPa左右，当波纹管膨胀到波峰位置时，即使再对波纹管充压，也不会膨胀；当井眼直径为241～245 mm时，膨胀波纹管的波谷处、长轴处、波峰处的内径随压力变化曲线几乎重合，波纹管不仅膨胀完全而且与井筒分离；井眼直径为237～240 mm时，不仅可以膨胀完全而且紧紧贴合在井筒内壁。

4 试验结果对比

将波纹管长轴外径的模拟结果与试验结果做对比，如图9所示，误差统计结果见表2。由图9和表2可以看出，模拟结果与试验结果基本一致，膨胀误差为0.62%～1.94%，说明计算结果可靠。

图9 波纹管长轴处外径的模拟值与试验值对比

表2 波纹管长轴处外径的误差情况对比

5 结 论

（1）井眼直径为230～237 mm时，井眼直径对波纹管的膨胀性能影响较大，井眼直径越大，波纹管越容易膨胀；在井眼直径为237～245 mm时，井眼直径影响较小。

（2）在波纹管膨胀的过程中，不圆度随压力的增加而不断减小，且井眼直径越大，不圆度越小。

（3）在同一材料、同一井眼直径的情形下，井眼直径对波纹管波谷、长轴、波峰处的直径有影响，井眼直径越大，波谷、长轴、波峰处的直径越小。

（4）规格为Φ 215.9 mm的膨胀波纹管适用的井眼直径为237～241 mm，通过与试验的对比，证明结果可靠。

[1]李霄,豆峰,裴勇毅,等.可膨胀管技术及其管材性能[J].石油矿场机械,2005,34（4）:61-63.

[2]杨顺辉.钻井用可膨胀波纹管技术研究[D].山东：中国石油大学,2008.

[3]陈培亮,井恩江,王玉多,等.膨胀管封隔复杂地层钻完井技术在侧钻井的应用[J].石油机械,2015,43（12）:25-28.

[4]张文华,刘国辉,胡国清.可膨胀管技术及其应用[J].石油钻采工艺,2001,23（1）:28-31.

[5]徐丙贵,贾涛,黄翠英,等.膨胀管技术在钻井过程中的研究与应用[J].石油机械,2013,41（4）:11-15.

[6]朱海波,余增硕,唐成磊,等.膨胀管膨胀参数优化和膨胀模拟[J].西安交通大学学报,2012,46（1）:103-107.

[7]付胜利,高德利.可膨胀管膨胀过程三维有限元数值模拟[J].西安石油大学学报（自然科学版）,2006（1）:54-57，91.

[8]陶兴华,马开华,吴波,等.膨胀波纹管技术现场试验综述及存在问题分析[J].石油钻探技术,2007,35（4）:63-66.

[9]郭慧娟,王辉,耿莉,等.可膨胀波纹管有限元分析与现场应用[J].石油机械,2008,36（9）:99-101.

[10]胡彦峰,涂玉林,肖京男,等.提高膨胀波纹管挤毁强度的方法探讨[J].石油矿场机械,2015,44（2）:10-13.

Influence of Hole Size on Expansion Performance of Expansion Bellows

ZHU Bingbing,DUAN Qingquan,LI Hu,ZHANG Huihui
（College of Mechanical and Transportation Engineering,China University of Petroleum-Beijing,Beijing 102249，China）

In order to ensure the application of expansion bellows in petroleum drilling,aiming at hydraulic expansion demand of Φ 215.9 mm bellows in field tests,bellows simulation in vertical well was established by elastoplastic finite element analysis.By modeling analysis,changes with pressure of wave crest,wave trough,macroaxis and out-of-roundness in different hole size were researched.The results showed that the out-of-roundness decreased with the increase of pressure and hole size,and diameters of wave crest,wave trough and macroaxis increased with the increase of hole size.

bellows;expansion;hole size;finite element analysis

TE928

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.007

中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院研究项目“大尺寸膨胀波纹管力学特性分析”（项目编号10010099-15FW1907-0012）。

朱冰冰（1991—），女，硕士研究生，主要研究方向为油气生产装备失效分析与完整性管理。

2017-06-26

编辑：李 超