油气井膨胀管技术机理的研究课件.ppt

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1、油气井膨胀管技术,林元华(028 83032735;13908085550)CNPC石油管力学重点实验室,9/24/2022,1,油气井膨胀管技术林元华9/24/20221,汇报提纲,引言管子膨胀过程中的金属流动行为研究管子膨胀的力学行为及膨胀管选材研究管子膨胀后的抗挤强度分析膨胀联接方案结论,9/24/2022,2,汇报提纲引言9/24/20222,可膨胀管材与建井技术革命,基本类型：可膨胀套管、可膨胀筛管等。基本用途：钻井、完井、修井等。技术革命：利用可膨胀筛管保持复杂层段井壁的稳定性；简化井身结构，减少套管层次；利用可膨胀套管建成单一尺寸井眼；可膨胀筛管完井；套损井修复。,套管磨损原因实

2、验分析,9/24/2022,3,可膨胀管材与建井技术革命基本类型：可膨胀套管、可膨胀筛管等。,Expandable liners providing monobore well construction capability,Expandable reservoir completion systemESSECLEIS,No packers or liner hangers (as we currently know them),Simplified wellheadSmaller BOP,Troublesome hole sections are cased without sacrific

3、ing hole size,Smaller top-hole sizes.Slim-hole drilling reduces waste & environmental impact,可膨胀筛管及其应用,30 50% WELL COST SAVINGS,9/24/2022,4,Expandable liners providing mo, 2000 Weatherford. All rights reserved.,Expandable Tubular Technology,ABLAlternativeBoreholeLiner,ECLExpandableCompletionLiner,EI

4、SExpandableIsolation Sleeve,ESSExpandableSand Screen,Weatherford Completion Systems,9/24/2022,5, 2000 Weatherford. All rights,Solid Expandable Tubular Technology,JPT, June 2019,可膨胀套管与技术革命,9/24/2022,6,Solid Expandable Tubular Techn,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,9/24/2022,7,引言：膨胀管技术简介图1 膨胀管示意图地层膨胀管

5、膨胀芯头9,引言： 膨胀管技术简介,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,9/24/2022,8,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用图 2钻井实体膨胀管,引言： 膨胀管技术简介,常规井身结构,9/24/2022,9,引言： 膨胀管技术简介常规井身结构9/24/20229,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用尾管悬挂器,9/24/2022,10,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用尾管悬挂器9/2,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用套管补贴,9/24/2022,11,引言： 膨胀管技术简介膨

6、胀管技术的应用套管补贴9/24,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用新型井身结构,9/24/2022,12,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用新型井身结构9/,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用侧钻井中的应用,9/24/2022,13,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用侧钻井中的应用9,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用复合管柱设计,9/24/2022,14,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用复合管柱设计9/,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用封堵高压层,9/24/2022,15,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用封堵高压层9/2,引言： 膨胀管技术简介,

7、膨胀管技术的应用裸眼固井,9/24/2022,16,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用裸眼固井9/24,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用尾管悬挂器,9/24/2022,17,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用尾管悬挂器9/2,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用套管补贴,9/24/2022,18,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用套管补贴9/24,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用13 3/8”,9/24/2022,19,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用13 3/8”9,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用5 connection”,9/24/2022,

8、20,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用5 conn,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用5 ”,9/24/2022,21,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用5 ”9/24,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用4 ”welded,9/24/2022,22,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用4 ”weld,引言： 膨胀管技术简介,膨胀管技术的应用3 ”coiled tubing,9/24/2022,23,引言： 膨胀管技术简介膨胀管技术的应用3 ”coil,膨胀管技术对于钻井技术发展的重大意义,引言： 膨胀管技术简介,9/24/2022,24,膨胀管技术对于钻井技术发展的重大

9、意义 引言： 膨胀管技术简介,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。极大地节约钻井成本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工程技术产生革命性的影响,引言： 膨胀管技术简介,9/24/2022,25,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,引言： 膨胀管中的关键技术,膨胀管的选材 膨胀后的管柱强度膨胀机构 可膨胀联接,膨胀管技术的成功应用依赖于多个关键技术环节的有机协作,9/24/2022,26,引言： 膨胀管中的关键技术 膨胀管的选材 膨胀管技术的成,引言： 国

10、内外研究与发展现状,国外有小规模应用；高度垄断，商业保密性强，服务商只提供服务，不提供技术和产品。国内总体上处于认识阶段；至今尚未见到现场应用；技术研究活动非常少，尚未见到有关研究文献发表。,9/24/2022,27,引言： 国内外研究与发展现状 国外9/24/202227,本文的研究目的与研究内容,管子膨胀时的金属流动行为研究膨胀力计算及膨胀工具设计管子膨胀的力学行为及选材研究管子膨胀后的强度变化分析膨胀联接方案,研究目的：膨胀管的选材研究、膨胀后管子强度研究研究内容：,引言：本文的研究内容与研究方法,9/24/2022,28,本文的研究目的与研究内容管子膨胀时的金属流动行为研究研究,引言：

11、本文的研究内容与研究方法,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：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，而是主要依据工程师长期积累的经验。,9/24/2022,29,引言：本文的研究内容与研究方法 本文的研究方法 9/24/2,引言：本文的研究内容与研究方法,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,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,数学解析方

12、法,实物试验研究,本部分结束,9/24/2022,30,引言：本文的研究内容与研究方法 本文的研究方法 重要的基本参,研究钢管在径向膨胀变形时的纵向金属流动规律验证本文将网格法试验研究方法引入石油管工程领域的可行性,（1）试验目的,（2）试验内容对钢管进行3次径向膨胀，每次膨胀幅度大约5，对管子膨胀金属流动应用网格法进行研究，网格法的具体方法见试验步骤部分。,管子膨胀时的金属流动行为研究：试验方案,9/24/2022,31,研究钢管在径向膨胀变形时的纵向金属流动规律（1）试验目的（2,试验材料：35CrMo钢管试验装置：,（3）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,9/2

13、4/2022,32,试验材料：（3）试验材料与试验装置管子膨胀时的金属流动行,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,9/24/2022,33,1 2 3 4,（4）试验步骤,本文引入网格法进行试验，试验步骤是:膨胀后管子材料的金相分析,管子膨胀时的金属流动行为研究：试验方案,9/24/2022,34,（4）试验步骤本文引入网格法进行试验，试验步骤是:管子膨胀时,管子外壁上的网格图示,9/24/2022,35,管子外壁

14、上的网格图示9/24/202235,第一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,9/24/2022,36,第一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,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,9/24/2022,37,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,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,分析及认识,9/24/2022,38,外壁上

15、的网格线的尺寸变化膨胀幅度第一号网格尺寸第二号网格尺寸,内外壁上横向线位置在轴向的相对位移（图示）,分析与认识：金属在管子纵向上存在流动不均匀性（图示）,管子膨胀时的金属流动行为研究：试验结果及分析,9/24/2022,39,内外壁上横向线位置在轴向的相对位移（图示）样品段第一号网格第,内外壁上横向线位置在轴向的相对位移分析,管子横断面上的摩擦作用力场强在径向上的分布不均；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：,管子膨胀时的金属流动行为研究：试验结果,9/24/2022,40,内外壁上横向线位置在轴向的相对位移分析管子横断面上的摩擦作用,不同膨胀幅度下的管子金相分析

16、照片结论：（1）管子内壁处的变形大于外壁（2）晶粒碎化原来的晶粒碎化成亚晶粒，6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,管子膨胀时的金属流动行为研究：金相分析,9/24/2022,41,不同膨胀幅度下的管子金相分析照片管子膨胀时的金属流动行为研究,（3）产生形变织构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。,管子膨胀时的金属流动行为研究：金

17、相分析,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可行的,9/24/2022,42,（3）产生形变织构管子膨胀时的金属流动行为研究：金相分析,膨胀管柱在井眼中的空间形状（图示）井眼中的管子膨胀工艺特点管子形式和几何形状接触摩擦与润滑膨胀芯头的形状管材强度特性膨胀程度,管子膨胀时的金属流动行为研究：影响管子膨胀时的金属流动的因素分析,9/24/2022,43,膨胀管柱在井眼中的空间形状（图示）管子膨胀时的金属流动行为研,金属流动行为的研究对于解决膨胀后管子机械性能、壁厚、内外径、长度变化以及膨胀工具设计等与实际应用有密切关系的一系列问题具有重要价值。目

18、前尚未看到国内外管子膨胀过程金属流动的研究资料发表。在研究方法上将金属塑性加工学中的网格法引入了石油管工程领域，该方法研究金属流动快速有效，并用金相分析结果对网格法试验结果进行了验证。,管子膨胀时的金属流动行为研究：分析与总结,9/24/2022,44,金属流动行为的研究对于解决膨胀后管子机械性能、壁厚、内外径、,膨胀管膨胀时存在严重的的纵向金属流动不均现象，由内壁向外壁金属流动越来越慢，且膨胀幅度越大，金属流动越不均匀 。对影响膨胀管膨胀时金属流动的因素进行了分析，分析结果对于指导实际管柱膨胀作业具有参考价值。管柱膨胀后将发生长度减小，给出了计算管柱膨胀收缩量的方法。,管子膨胀时的金属流动行

19、为研究：分析与总结,本部分结束,9/24/2022,45,膨胀管膨胀时存在严重的的纵向金属流动不均现象，由内壁向外壁金,管子膨胀的力学行为及选材研究,管子膨胀的力学试验膨胀力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管选材,9/24/2022,46,管子膨胀的力学行为及选材研究 管子膨胀的力学试验9/24/2,管子膨胀的力学试验：试验方案,（1）试验目的揭示管子在不同膨胀幅度下的变形规律：包括管子壁厚的变化、壁厚不均度的变化以及管子不圆度的变化等；分析不同膨胀幅度下管子材料的力学性能变化规律：包括

20、拉伸力学性能、残余应力分布以及冲击功变化等；寻找减小管子膨胀时芯头与管壁间摩擦力的途径；揭示膨胀后管子抗挤强度的变化规律及其影响因素。,9/24/2022,47,管子膨胀的力学试验：试验方案 （1）试验目的9/24/2,（2）试验内容对3根钢管进行4次径向膨胀，每次膨胀幅度大约5，并分别检测其在膨胀前及不同膨胀程度下的管子外径、壁厚、屈服强度、抗拉强度、残余应力、冲击功等，并进行探伤分析。对第四根管子进行摩擦试验。,管子膨胀的力学试验：试验方案,9/24/2022,48,（2）试验内容管子膨胀的力学试验：试验方案 9/24/202,（3）试验材料与试验装置 本文试验随机选用了3根成都钢管厂（我

21、国钢管生产大型骨干企业）的35CrMo钢管，管柱原始规格为13311mm。,管子膨胀的力学试验：试验方案,9/24/2022,49,（3）试验材料与试验装置管子膨胀的力学试验：试验方案 9/2,（4）试验步骤对于3根管子在试验方案中将要最后截取的管段上分别选定一个横截面，然后分别测定其外径、壁厚；对3根原始钢管分别截取一段样品；对3根管子分别进行5左右的膨胀，记录膨胀力，再次在原测定横截面上测定其膨胀后的外径、壁厚，再分别从每根管子上截取一段样品；重复上述第3步，每次膨胀量大约控制在5左右，进行4次膨胀，若第四次膨胀后，管子条件许可，则进行第五次膨胀，实际试验时有一根管子进行了5次膨胀。,管子

22、膨胀的力学试验：试验方案,9/24/2022,50,（4）试验步骤管子膨胀的力学试验：试验方案 9/24/202,（4）试验步骤对截取的样品作好标记，进行如下测试：纵横两向探伤；拉伸试验，测试屈服强度及抗拉强度；管体残余应力测试；对所有样品进行纵横两向冲击功测试。对第四根管子进行摩擦试验，步骤如下：对管子内壁不进行磷化处理，膨胀时不涂抹润滑脂，进行5膨胀，记录膨胀力；对管子进行磷化处理，但不涂抹润滑脂，进行5膨胀，记录膨胀力；对管子进行磷化处理，并涂膜润滑脂，进行5膨胀，记录膨胀力。,管子膨胀的力学试验：试验方案,9/24/2022,51,（4）试验步骤管子膨胀的力学试验：试验方案 9/24/

23、202,（5）试验意义这里研究的管子膨胀过程中的膨胀力大小、管子几何外形变化规律以及膨胀后管子材料性质的变化规律，对膨胀后管子的机械性能有直接影响，是考察膨胀后管子性能的重要依据，对于井下实际膨胀有重要意义。国内尚未看到此类研究资料发表，国外只有一次性膨胀20后的拉伸力学性能试验研究资料发表，未见不均匀变形规律文献。本文首次进行了多个不同膨胀幅度下的管子多项力学性能及几何外形变化规律研究。,管子膨胀的力学试验：试验方案,9/24/2022,52,（5）试验意义管子膨胀的力学试验：试验方案 9/24/202,管子膨胀力的理论计算：管子膨胀时的应力应变特点,进入管子材料的塑性变形区域（图10）。是

24、金属塑性冷加工过程（图11）。受力情况（图12）。应力应变状态（图13）。,管子膨胀时一些力学相关问题的分析,9/24/2022,53,管子膨胀力的理论计算：管子膨胀时的应力应变特点 进入管子材料,膨胀力 由三部分构成:,式中 基本变形需要的力； 克服摩擦需要的力； 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膨胀力的大小，这些因素中主要的有以下一些：,管子膨胀力的理论计算：膨胀力的影响因素,9/24/2022,54,膨胀力 由三部分构成:式中 基本,（1）膨胀管柱钢材的性质（2）管子变形程度（3）膨胀芯头的锥角（4）膨胀速度（5）摩擦与润滑（6）井眼中的管柱空间形状（7）

25、膨胀工艺（8）井眼中的温度,管子膨胀力的理论计算：膨胀力的影响因素,9/24/2022,55,（1）膨胀管柱钢材的性质管子膨胀力的理论计算：膨胀力的影响因,本文用主应力法推导了膨胀力的计算公式假设： 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忽略管柱的弹性变形材料为理想刚塑性体（图14）,管子膨胀力的理论计算：膨胀力的理论计算公式,9/24/2022,56,本文用主应力法推导了膨胀力的计算公式管子膨胀力的理论计算,上式中：,膨胀力的计算公式：,膨胀工作液压强计算公式：,管子膨胀力的理论计算：膨胀力的理论计算公式,9/24/2022,57,上式中：膨胀力的计算公式：膨胀工作液压强计

26、算公式：管子,公式验证：,管子膨胀力的理论计算：膨胀力的理论计算公式,9/24/2022,58,公式验证： 管子膨胀力的理论计算：膨胀力的理论,膨胀后管子平均壁厚的理论计算,（a） (b),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(b)进行幅度为20.9的膨胀后,9/24/2022,59,膨胀后管子平均壁厚的理论计算 （a）,管子膨胀后的壁厚计算公式：,膨胀后管子壁厚的理论计算,9/24/2022,60,管子膨胀后的壁厚计算公式：膨胀后管子壁厚的理论计算 9/24,参数输入：、,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

27、,管子膨胀后壁厚计算程序框图,膨胀后管子壁厚的理论计算,9/24/2022,61,参数输入：、计算计算以代替式（3.8）右侧的，计算,公式验证,膨胀后管子壁厚的理论计算,9/24/2022,62,公式验证膨胀幅度该次膨胀前管子外径该次膨胀前管子壁厚该次膨胀,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。,膨胀力及壁厚计算小结,9/24/2022,63,膨胀力及膨胀后的管子壁厚是膨胀管技术的主要

28、参数，目前尚未,（1）数据测量说明测量点位置如图15（2）数据测量及相关参数计算结果3根钢管的初始壁厚测量结果及参数计算结果见表1膨胀后的测量数据见表2不同膨胀幅度下的壁厚参数计算结果见表3,管子膨胀过程中的不均匀变形研究：壁厚不均度变化分析,9/24/2022,64,（1）数据测量说明管子膨胀过程中的不均匀变形研究：壁厚不均度,a、原始管子的壁厚不均，见图16。 b、管子膨胀后的壁厚不均，见图17 ，图18。膨胀过程中各管子截面壁厚的横向分布特征如图19、图20和图21所示。,壁厚不均度变化：,管子膨胀过程中的不均匀变形研究：壁厚不均度变化分析,9/24/2022,65,a、原始管子的壁厚不

29、均，见图16。壁厚不均度变化：管子膨,以膨胀幅度为横轴，以3根管子壁厚最大点和壁厚最小点壁厚为纵轴作出曲线图见图22 。对3根管子在不同膨胀幅度下的壁厚沿周向展开绘制成曲线图，见图23 。认识：较大的初始壁厚不均成了造成膨胀后管子壁厚不均度高的直接潜在因素。管子变形主要发生在管子的薄弱部位，薄壁部分成为管子膨胀的危险部位。,管子膨胀过程中的不均匀变形研究：壁厚不均度变化分析,9/24/2022,66,以膨胀幅度为横轴，以3根管子壁厚最大点和壁厚最小点壁厚为,试验所测得的3根管子在不同膨胀幅度下的的相关外径值以及不圆度值见表4，图24。认识：管子的初始不圆度随着膨胀量的增加在增加，这说明要对膨胀

30、管的初始不圆度加以限制。,管子膨胀过程中的不均匀变形研究：管子不圆度变化分析,9/24/2022,67,试验所测得的3根管子在不同膨胀幅度下的的相关外径值以及不,对不同膨胀幅度下的6个试验样品分别用CTS-22型超声波探伤仪进行了探伤，以同规格“”型槽C10作当量，探头角度30。探伤结果见表5。,管子膨胀过程中的不均匀变形研究：探伤分析,9/24/2022,68,对不同膨胀幅度下的6个试验样品分别用CTS-22型超声波,管子截面形状变化指数:管子截面形状变化指数反映了管子膨胀变形的变形均匀程度。 3根管子在膨胀前及不同膨胀幅度下的外径与壁厚值以及计算得到的截面形状变化指数值见表6，图25。,管

31、子膨胀过程中的不均匀变形研究：截面形状变化指数变化分析,9/24/2022,69,管子截面形状变化指数:管子膨胀过程中的不均匀变形研究：截,（1）管子膨胀产生不均匀变形的原因及克服方法浅析金属流动的不均匀性 初始管子几何形状的不均匀（2）管子不均匀变形的危害产生附加应力 产生残余应力 膨胀后管子组织性能不均匀 使管子胀裂 降低管子抗挤强度,管子膨胀过程中的不均匀变形研究：综合分析,9/24/2022,70,（1）管子膨胀产生不均匀变形的原因及克服方法浅析管子膨胀过程,通过实物试验发现膨胀管的几何缺陷在膨胀后会在原来的基础上增加，并且膨胀作业会导致新的不均匀变形出现，这种几何缺陷的加大和不均匀变

32、形的发展会对膨胀后管子的机械性能产生严重的不良影响。这一发现对于膨胀管的管材选用、相关标准的制定及膨胀工艺设计具有重要参考价值。,管子膨胀过程中的不均匀变形研究：小结,9/24/2022,71,通过实物试验发现膨胀管的几何缺陷在膨胀后会在原来的基础上,膨胀后管子材料力学性能分析：拉伸性能,对不同膨胀幅度下试样的拉伸力学性能进行了测试。试验标准为ASTM A370/GB/T228，试验设备为美国MTS材料试验机。测试所得的屈服强度及抗拉强度数据见表7，图26。计算得到的6根样品的屈强比数据见表8，图27。,9/24/2022,72,膨胀后管子材料力学性能分析：拉伸性能对不同膨胀幅度下试样,（1）

33、残余应力测试结果及分析用切环法对6个不同膨胀幅度下的样品的平均环向残余应力进行了测试，切开前后管子几何形状变化测量数据和残余应力计算值见表9。（2）残余应力的消除减小膨胀过程中的不均匀变形 对膨胀前的管子进行退火处理,膨胀后管子材料力学性能分析：残余应力,9/24/2022,73,（1）残余应力测试结果及分析膨胀后管子材料力学性能分析,对第三根管子膨胀前以及不同膨胀幅度下的冲击功进行了测试，试验标准为ASTM E23，测试数据见表10，图29。,膨胀后管子材料力学性能分析：冲击功,9/24/2022,74,对第三根管子膨胀前以及不同膨胀幅度下的冲击功进行了测试，,通过试验研究得到的膨胀管膨胀后

34、材料力学性能的变化规律对研究膨胀后的管子机械性能具有重要参考作用，也是膨胀管选材的重要依据。,膨胀后管子材料力学性能分析：小结,9/24/2022,75,通过试验研究得到的膨胀管膨胀后材料力学性能的变化规律对研,（1）摩擦试验结果及分析不同润滑条件下管子膨胀力对比,膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析,9/24/2022,76,（1）摩擦试验结果及分析膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析膨胀,（2）芯头与管壁间摩擦力分析1）芯头与管壁间的摩擦特点高压力作用下的摩擦 真实接触表面积大 2）芯头与管壁间的摩擦对管柱膨胀的危害 接触摩擦引起金属不均匀流动 接触摩擦改变了管柱变形部位的应力状态 接触摩擦降低了

35、膨胀工具寿命 发生芯头与管壁之间的粘和现象,膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析,9/24/2022,77,（2）芯头与管壁间摩擦力分析膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析,（2）芯头与管壁间摩擦力分析3）减少膨胀过程中摩擦力的途径 正确选择膨胀芯头材料 改变管材的内表面性质 对接触表面采取润滑措施 4）芯头与管壁间的润滑措施 5）建立接触面间的流体润滑方式 （图示）,膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析,9/24/2022,78,（2）芯头与管壁间摩擦力分析膨胀过程中芯头与管壁间的摩擦分析,膨胀管选材,综合前文的分析，对膨胀管的选材给出如下建议：（1）以直缝焊管作为膨胀管（表11 ）直缝焊管与无缝管相比

36、，具有以下优点：尺寸精度高延展性好抗挤毁性能高冲击韧性好冶金技术进步，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，但未见到相应的机理论证。,9/24/2022,79,膨胀管选材综合前文的分析，对膨胀管的选材给出如下建议：9,膨胀管选材,（2）严格限制管子的初始壁厚不均度及不圆度（3）使用低形变强化指数的钢材（4）使用低屈强比（ ）的钢材,本部分结束,9/24/2022,80,膨胀管选材（2）严格限制管子的初始壁厚不均度及不圆度本部分结,膨胀后管子抗挤强度研究,研究膨胀后管子抗挤强度的意义膨胀后管子抗挤强度的理论计算膨胀后管子抗挤强度下降的原因分析防止膨胀后管子抗挤强度降

37、低的方法分析,9/24/2022,81,膨胀后管子抗挤强度研究9/24/202281,研究膨胀后管子抗挤强度变化的意义,套管膨胀后机械性能必须适合井下工况要求，如：具有足够的抗拉强度、抗内压强度、抗外挤强度及疲劳强度；需要研究一种标定方法，且以API公认的强度进行对比。,9/24/2022,82,研究膨胀后管子抗挤强度变化的意义套管膨胀后机械性能必须适合井,膨胀后管子的抗挤强度的理论计算,（1）不能用API公式来计算膨胀后的管子抗挤强度API公式是针对工业产品的计算公式，不包含不圆度、壁厚不均度及残余应力等对管子抗挤强度的影响，但管子膨胀后原几何缺陷要进一步扩大，因此这里用本文修正的Jianz

38、eng and Taihe公式计算膨胀后管子的抗挤强度， 该公式包括了壁厚不均度、不圆度以及残余应力等对抗挤强度的影响，且经过了大量的实物试验验证。,9/24/2022,83,膨胀后管子的抗挤强度的理论计算（1）不能用API公式来计算膨,（2）管子膨胀后抗挤强度的计算方法 本文在Jianzeng and Taihe公式的推导基础上建立膨胀后的套管抗挤强度计算公式。 Jianzeng and Taihe公式中采用的是米塞斯屈服条件本文采用莫尔准则（Mohr criterion）,膨胀后管子的抗挤强度的理论计算,9/24/2022,84,（2）管子膨胀后抗挤强度的计算方法 膨胀后管子的抗挤强度的理

39、,（2）管子膨胀后抗挤强度的计算方法,式中各符号的表达式,膨胀后管子的抗挤强度的理论计算,对本文试验的管子不同膨胀幅度下的抗挤强度按照本文公式进行了计算，计算数据及计算结果见表12。,9/24/2022,85,（2）管子膨胀后抗挤强度的计算方法式中各符号的表达式膨胀,膨胀后管子抗挤强度下降的原因分析,(1) 管柱膨胀过程中材料的包辛格效应,9/24/2022,86,膨胀后管子抗挤强度下降的原因分析(1) 管柱膨胀过程中材料的,(2)原管子的几何缺陷在管子膨胀后进一步增大壁厚不均度不圆度纵向出现弯曲(3)大塑性变形在管体内产生的残余应力 (4)膨胀后管子的径厚比增大,膨胀后管子抗挤强度下降的原因

40、分析,9/24/2022,87,(2)原管子的几何缺陷在管子膨胀后进一步增大膨胀后管子抗挤强,防止膨胀后管子抗挤强度降低的方法分析,要使膨胀后的套管具有符合规定的抗挤强度，解决的办法：预先下入抗挤强度比较高的套管设法减弱管子在膨胀后抗外挤强度降低的程度,9/24/2022,88,防止膨胀后管子抗挤强度降低的方法分析要使膨胀后的套管具有,（1）减弱管柱膨胀中的包辛格效应对管子抗挤强度影响的途径 克服冶金效应对包辛格效应的影响塑性变形量对包辛格效应的影响钢的强度对包辛格效应的影响（2）严格限制管子的初始壁厚不均度以及不圆度（3）减弱大塑性变形引起的套管中的残余应力使套管抗挤强度降低的影响,防止膨胀

41、后管子抗挤强度降低的方法分析,9/24/2022,89,（1）减弱管柱膨胀中的包辛格效应对管子抗挤强度影响的途径 防,抗挤强度是套管的重要性能指标，目前尚未看到膨胀后管子抗挤强度的计算公式发表，也未看到膨胀后套管抗挤强度大小的实测数据，本文提出的膨胀后管子抗挤强度计算公式的计算值和经验值接近，对今后进一步深入研究膨胀后套管抗挤强度的标定方法具有一定的参考价值。膨胀后套管抗挤强度降低是膨胀管技术面临的主要难题之一，本文对膨胀管膨胀后抗挤强度的降低原因进行的分析及克服抗挤强度降低的方法分析对于膨胀管技术应用具有一定价值。,膨胀后管子抗挤强度研究：小节,本部分结束,9/24/2022,90,抗挤强度

42、是套管的重要性能指标，目前尚未看到膨胀后管子抗挤,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（1）传统螺纹联接的密封形式不适合于膨胀作业 （2）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（3）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（4）传统螺纹联接在膨胀时公接头会向管子内弯曲,9/24/2022,91,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9/2,可膨胀联接结构方案,膨胀联接的技术要求（1）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（2）联接部分应该和管体部分具有相同的壁厚和内径（3）接头的壁厚不均度和不圆度应该尽量小（4）下

43、套管时母接头端向下，公接头端向上,9/24/2022,92,可膨胀联接结构方案膨胀联接的技术要求9/24/202292,膨胀联接结构方案,膨胀联接结构方案该联接特点：是一种直连的平齐型的螺纹联接；具有双密封结构。图31至图35是这种联接的结构及工作示意图。,本部分结束,9/24/2022,93,膨胀联接结构方案膨胀联接结构方案本部分结束9/24/2022,结论,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管子强度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意义；

44、,9/24/2022,94,结论 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,结论,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、变形及膨胀后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有重要参考价值；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，说明本文将网格法引入石油管工程领域是可行的；,9/24/2022,95,结论 针对油气井膨胀管技术，进行了较系统的实物试验研究，研,结论,管子膨胀时在纵向上存在金属流动不均现象，这种金属流动不

45、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；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对管子机械性能有显著不利影响；,9/24/2022,96,结论 管子膨胀时在纵向上存在金属流动不均现象，这种金属流动,结论,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，建议以直缝焊管作为膨胀管管材。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。,9/24/2022,97,结论 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,谢谢大家！,9/24/2022,98,谢谢大家！9/24/202298,