膨胀套管膨胀心头的结构设计
膨胀套管膨胀心头的结构设计
摘要：膨胀技术包括膨胀管与膨胀芯头两个部分，本文针对膨胀芯头的结构设计进行讨论。
首先分析了膨胀芯头的结构组成；然后根据有限元理论进行力学模型的建模并进行膨胀模拟；最后对模拟结果进行详细分析。
关键词：膨胀套管膨胀芯头结构设计
一、膨胀芯头的结构
膨胀芯头的结构多种多样，但是不管哪种芯头，为了将管子内壁与芯头的摩擦降至最低，其工作过程中的核心部分均为一种锥形结构，其结构大概如下图1所示：
图1 膨胀芯头外形结构
图1（a）图中为芯头锥角，I区为导向区，II区为膨胀区，III区为定径曲，（b）较为模拟芯头实体。
膨胀作业过程中，芯头膨胀区向管子内壁施压使其产生塑性变形，定径区则防止管壁发生回弹。
下式可以计算出膨胀区圆锥段的长度：
l
2=D
3
-d/2tanα
其中D
3
即芯头定径区直径。
芯头锥角是膨胀芯头最主要的几何参数，膨胀的功耗与膨胀力的大小与锥角α选值的合理性有直接关系，膨胀后管内壁的表面质量也会受其影响。
在选择α时要注意以下几点：膨胀管在接触变形区的金属流动要尽可能的流畅；膨胀接触区润滑条件的建立要良好；膨胀管轴线与膨胀芯头的轴线要重合，以保证膨胀力方向与膨胀管轴线处于同一方向；膨胀力要尽量小[2]。
此外，由于膨胀芯头会受到很大的界面应力与摩擦，因此要求膨胀芯头的材料在硬度高、抗磨性好、强度高，且有良好的冲击韧性与延性。
目前主要采用金属芯头。
二、力学模型与膨胀模拟
根据有限元理论，膨胀套管与膨胀芯头的力学模型如下图2所示：
图2 膨胀芯头与膨胀管的力学模型
由此图可以看出，膨胀芯头的结构呈现出对称性的特点，为便于定性定量的分析，设两种膨胀芯头的材料、约束条件、膨胀管与膨胀幅度均相同，且忽略管体壁厚不均度与管体的不圆度等因素，即假定膨胀套管为理想的同心圆管。
建立模型时采用参数化设计APDL，即结构参数可做任意更改，以保证获取更优化的计算结果。
结构参数的选择：按API标准244.5mm套管膨胀至298.5mm，套管钢级选择N80，壁厚在13.84mm，由于膨胀后管体的抗外挤强度会有所下降，为使其膨胀后套管抗外挤强度可以满足要求，所以选择厚壁管，摩擦系数0.1，膨胀芯头行程1000mm。
该模型为材料非线性中大应变接触问题的范畴，膨胀芯头材料的屈服强度要远远大于膨胀套管的屈服强度，所以将其设为刚体，对应的膨胀套管则设为柔体。
二者采用面面接触的方式进行接触[3]。
利用有限元分析软件ANSYS系统进行自动建模，基于特定的约束条件进行弹塑性接触的有限元分析，进行复杂载荷工况下的位移与应力计算，并绘制出不同工况状态时的结构变形图以及分布曲线图。
三、模拟结果分析
在整个模拟过程中，膨胀芯头的行程为1000mm，在膨胀管内壁接触面上，沿轴间隔10mm则取一个节点，选择对应的等效应力、接触应力以及轴向收缩量。
单级膨胀芯头与多级膨胀芯头的计算结果如下图3-图5所示：
图3 膨胀内等效应力
图4 膨胀管接触应力
图5 膨胀后膨胀管的轴向收缩量
第一，膨胀后套管内的等效应力：由图3可以看出，单级膨胀芯头的最大等效应力为688.9 MPa，多级膨胀芯头则为688.5 MPa，二者几乎相等。
这是因为同种材料拥有相同的应力-应变曲线，二者均进入材料的塑性应变区，所以最大等效应力相同。
第二，膨胀后套管残余应力：由上图4可以看出，相对而言，单级膨胀芯头膨胀后残余应力为275 MPa，稳定性较好；而多级膨胀芯头膨胀后的残余应力在420 MPa左右，有较大的变化波动，所以前者的抗外挤强度要高于后者145 MPa。
套管膨胀后其抗拉与抗内压强度不会发生变化，而抗外挤强度则会下降30%~40%，所以相对来说单级膨胀芯头结构套管的抗外挤能力较强。
第三，膨胀套管与膨胀芯头的接触应力：由上图5可以看出，膨胀过程中，多级膨胀芯头会出现两处膨胀接触面，相应的就会有两处高接触应力区，最大值为528.8 MPa和503.3 MPa，与单级膨胀芯头膨胀幅度相比，多级膨胀芯头每级的膨胀幅度均比较小，所以其最大接触应力也会低于单级膨胀芯头，不过二者之和却远远大于单级膨胀时的最大接触应力。
由此可见，基于同等条件，多级膨胀芯头比单级膨胀芯头需要更高机械力或者液压力的推动。
在单级膨胀芯头膨胀时，膨胀芯头节点处的反作用力达2.24×106N，多级膨胀芯头则几乎是其两倍，为4.26×106N。
第四，膨胀后套管的轴向收缩量：上图5中可以看出，单级膨胀芯头与多级膨胀芯头的轴向位移存在差异，多级膨胀的轴向收缩量为27.1mm，收缩率为2.7%，单级膨胀的轴向收缩量则为48.9mm，收缩率则为4.9%。
由此可见，如果
体积不变、内径相同，多级膨胀的轴向收缩量相对较小，证明多级膨胀后的套管壁厚要小于单级膨胀后，所以单级膨胀芯头的抗外挤能力要大于多级膨胀后的套管[4]。
此外，在膨胀芯头的设计过程中，优化目标即为获取最小残余应力。
通过对数据分析中二次插值的优化，可以得出，在锥角α的角度为9.8°时，膨胀套管膨胀后的残余应力值最小，实验结果与计算机模拟计算的结果非常接近，因此可以利用计算机仿真模拟进行膨胀套管技术的研究，快速、便捷的为膨胀芯头的设计提供相关的理论数据。
膨胀芯头锥角α的大小不受材质的影响，膨胀幅度越大，膨胀芯头锥角α的最佳取值也会不断的增中，所以设计才要以按照膨胀幅度来确定出对应膨胀芯头锥角α的大小；而最佳摩擦系数则会受到材质的影响。
膨胀芯头需要液压推动力，因此要参照力学原理求出膨胀芯头在膨胀套管膨胀时的液压推动力，可以先求出膨胀套管在约束处的反作用力，液压推动力等于膨胀套管约束处反作用力的大小除以膨胀芯头的面积，即二者成正比关系。
采用多级芯头膨胀时，膨胀套管需要40MPa的液压力，而单膨胀芯头膨胀只需36MPa。
四、结论
通过上述分析可知，本文所提出的力学模型是合理的，可以对套管的膨胀过程进行直观、方便的模拟，且模拟结果与研究方法也是可供参考的。
参考文献
[1] 练章华,施太和.膨胀套管摩擦系数与轴向位移的模拟研究[J].石油机械,2009(1).62
[2] 张建兵.油气井膨胀管技术机理研究[D].四川南充:西南石油学院,2007.10.150-156
[3] 谢建新,刘静安.金属挤压理论与技术[M].北京:冶金工业出版社,2008.09.12
[4] (美)H.拉比亚.套管设计基础[M].华仲,王林译.北京:石油工业出版社,2005.11.96。
管道涨紧工装的设计
管道内涨打压工装设计设计目的：设计一款打压工装，不需要外置连接法兰。
以管道的内壁为摩擦面涨紧，通过摩擦力顶住管道内压力。
同时挤压密封块（聚氨酯），使其向外膨胀，将管道与工装的间隙堵住，达到测试管道的目的。
图1 内涨打压工装爆炸图图2 内涨打压工装装配图工作原理：通过螺杆的预紧力F，挤压密封块，并推动楔形滑块。
楔形滑块将力传递到活动涨块上（数量3块），使涨块外张，挤压管道内壁，产生较大的摩擦力，克服管道内的测试压力。
图3 内涨块受力分析图涨块外圈与管道内壁的摩擦力f为：F22=F×sin(θ/2)×cos(θ/2) 1-1f =μ×F221-2若使管道内压不能冲开打压工装，涨块与管道内壁的摩擦力f必须大于管道压强P产生的推力。
即：f ＞P·πD2/4 1-3整理，得：F＞P·πD2/( 2sinθ·μ) 1-4 Type equation here.式中：F-螺杆预紧力，单位：N；Θ-楔形滑块的锥角，单位：deg；P-管道内测试压强，单位：MPa；D-管道内径，单位：mm；μ-管道内壁与涨块外圈的摩擦系数。
根据所需螺杆的预紧力，计算螺杆的扭矩M为：M=k·F·d/1000 1-5式中：M -螺杆扭矩，单位：N.m；k -扭矩系数；d-螺杆直径；单位：mm；根据式1-4与式1-5，可得到螺杆的扭力M与管道测试压力P的关系式为：M＞k·d·P·πD2/( 2000·sinθ·μ)1-6工装使用参考：根据上式1-6，我们可以根据楔形滑块的角度θ(deg)，与管道内壁的摩擦系数μ，螺杆的直径d (mm)，和扭矩系数k；以及管道内径D (mm)和压力P (MPa)，计算出对管道进行压力测试时，GULDE管道内涨打压工装，在安装过程拧紧螺杆所需要扭力的最小值。
表1-1 测试压力分别为0.7MPa、1MPa、70MPa的urea阀进出口管的工装扭矩值等级4.8螺栓[σb]=400MPa。
胀形结构设计
胀形结构设计
胀形结构设计是一种将形状扩大或膨胀的设计方法，常用于建筑、产品设计和工程领域。
该设计原理是通过改变物体的形状，使其在特定方向上膨胀，从而增加物体的稳定性、承重能力或美观性。
胀形结构设计可以通过以下几种方式实现：
1. 膨胀式结构：将一个或多个元素在某些方向上扩大来增加物体的稳定性。
例如，在建筑设计中，可以通过将某些墙体或柱子在底部扩大来增加建筑物的稳定性。
2. 膨胀式材料：使用可膨胀或可压缩的材料来实现胀形效果。
例如，在产品设计中，可以使用具有弹性的材料，使产品在使用时能够膨胀或收缩。
3. 膨胀式装饰：通过在物体表面增加膨胀式的装饰来增加美观性。
例如，在建筑设计中，可以通过在墙面增加膨胀式的浮雕或装饰图案来增加建筑物的艺术感。
胀形结构设计在建筑领域中有广泛应用。
通过使用胀形结构设计，可以增加建筑物的稳定性和抗震能力，并且能够创造出独特的建筑形式。
同时，在产品设计中，胀形结构设计也可以增加产品的稳定性和承载能力，使产品更加实用和耐用。
膨胀螺栓规格性能及设计参考
膨胀螺栓（胀锚螺栓）1.普通膨胀螺栓（1）性能、用途：膨胀螺栓由膨胀螺栓套管及螺栓两件组成,适用于在混凝土及砖砌体墙、地基上作锚固体。
其受力性能见表48〜49。
膨胀螺栓受力性能（一）表48注膨胀螺栓受力性能（二）表49（2）规格见图26、表50〜51。
膨胀螺栓规格（一）表50膨胀螺栓规格（二）膨胀螺栓设计参考：一、膨胀螺丝之固定原理膨胀螺丝之固定乃是利用挈形斜度来促使膨胀产生摩擦握裹力，达到锚定效果。
二、膨胀螺丝之埋入深度一般膨胀螺丝之埋入深度以其固定用螺栓径之4倍为计算基准，当然埋入越深其所能承受之拉力、剪力也越大，但因厂家设计时需要考虑因素含材质及锚定等问题。
三、膨胀螺丝使用之参考依据（一）混凝土之强度（二）固定螺丝之强度（依材质计算之）（三）膨胀螺丝之强度（厂家设计）四、膨胀螺丝的强度膨胀螺丝的强度测试，以往均以油压器加压，在拉出膨胀螺丝的最大力量为其抗拉强度，这种测试方法的缺点就是未能测知螺丝离开水泥的变位情况，也就是说，我们无法知道膨胀本身材料的弹性应力是在几牛顿之内，因此新型的测试仪器，是把拉力与变位以坐标图画出，Y轴为拉力，X轴为变位（如图）当拉力上升时，变位随之增大，直到水泥破裂或膨胀螺丝，拔出或拉断。
此一曲线的最高点，即为极限抗拉力，另外当拉力上升到某一点，如去除拉力后，变位仍能回到原处者，这一点正是膨胀螺丝本身材料的降伏点，也正是我们设计上所要的比例荷重。
常用膨胀螺丝的变位曲线，约可分为5钟。
1、化学锚栓，SB高拉力膨胀螺丝2、NC型锤钉式.H型.DR型3、SH型套管式SHF型4、尼龙套5、木塞M t■剧―*五、安全率之采用一般安全采用方向有二：（一）极限强度法：此法乃是将膨胀打入混凝土内拉出，以其破坏点为基准，再以4-5倍之安全率为可用强度。
此法于国外之采用已有数十年之历史。
（二）比例强度法：此法测试方法用（一），但重点为求出变形点（即为比例荷重），以此为采用基准，再考虑以安全率2倍为可用强度，因其可为路德线（Luder'sLine）观知“应力一应变”情形，故较为精确及便捷，但因其欲求出变点（比例荷重），较极限强度法复难，且须使用而较精准之仪器，故一般为研究上采用，此法亦符合ASTME488-88规定。
套损井膨胀管膨胀系统设计方案
套损井膨胀管膨胀系统设计方案
1、项目背景
《套损井膨胀管膨胀系统设计方案》，系指对油田套损井的膨胀管膨胀系统设计。
目的在于提高井口集管至钻口的压力，提高套损井产量，并确保套损井的安全性。
2、设计思想
膨胀管膨胀系统设计的目标是实现管道和井口系统之间的有效膨胀，使得井口到达钻口的压力提高，降低油层压力，提高套损井产量，确保套损井由于压力变化而产生的安全问题。
膨胀管膨胀系统设计应该考虑的重要因素：
（1）井口集管至钻口的压力变化，膨胀管系统的设计应该考虑其变化量的程度，确保钻口的压力比井口上升；
（2）膨胀管材料的选择，考虑系统的火压温度条件，井口到达钻口时的流量和外部胶质层的配套情况；
（3）膨胀管系统的结构设计，包括连接膨胀管的管件、膨胀管的位置、膨胀管的小节长度等，应该满足井口流量的需求，同时减少压力损失；
（4）地面设备的设计，包括：地面膨胀管系统的位置、锚模板式锚固系统的类型、泵房设备等，以及控制、监测系统。
3、设计细节
（1）根据油田特点和井口到达钻口的压力变化，选择满足要求的膨胀管材料；
（2）膨胀管系统设计应考虑流量变化、位置调整、安全保障等因素；
（3）针对地面设备的设计，应考虑控制系统的配置、膨胀系统的安装、管路布置等。
4、项目价值
设计成功后，可提高套损井产量，提升油田的经济效益；提升服务质量，确保安全稳定。
建筑外墙外保温止水膨胀锚栓的构造设计和施工方法
建筑外墙外保温止水膨胀锚栓的构造设计和施工方法下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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m20膨胀螺丝胀管尺寸
m20膨胀螺丝胀管尺寸M20膨胀螺丝胀管尺寸膨胀螺丝胀管是一种常用的机械连接件，广泛应用于建筑、桥梁、机械设备等领域。
M20膨胀螺丝胀管尺寸是指其直径为20毫米，下面将详细介绍M20膨胀螺丝胀管尺寸相关的内容。
1. 膨胀螺丝胀管的基本结构膨胀螺丝胀管由螺纹杆、套管和螺母组成。
螺纹杆是一种具有外螺纹的金属杆，套管是一种中空的金属管，螺母是一种具有内螺纹的金属块。
在安装过程中，将螺纹杆插入套管中，通过旋转螺母，使螺纹杆与套管紧密连接，从而实现固定的效果。
2. M20膨胀螺丝胀管尺寸标准根据国际标准化组织（ISO）的规定，M20膨胀螺丝胀管的直径为20毫米。
这意味着螺纹杆的直径为20毫米，套管的内径也为20毫米。
螺纹杆和套管的长度可以根据实际需求进行调整。
3. M20膨胀螺丝胀管的安装方法安装M20膨胀螺丝胀管时，首先需要在安装位置打孔，孔径应根据膨胀螺丝胀管的尺寸进行选择。
然后，将螺纹杆插入套管，并通过旋转螺母将螺纹杆与套管连接紧密。
在螺纹杆的另一端，可以通过螺纹连接其他构件，实现固定的效果。
4. M20膨胀螺丝胀管的适用范围M20膨胀螺丝胀管适用于各种结构的固定，特别是在混凝土和砖石等基材上具有较好的固定效果。
其可靠性和稳定性使其成为工程建设中常用的连接件。
5. 注意事项在安装M20膨胀螺丝胀管时，需要注意以下几点：- 确保孔径与膨胀螺丝胀管尺寸相匹配，避免过大或过小的情况。
- 在连接螺纹杆和套管时，要确保旋紧螺母的力度适中，不要过紧或过松。
- 如果需要拆卸螺纹杆和套管，可以通过逆时针旋转螺母，将螺纹杆从套管中取出。
总结：M20膨胀螺丝胀管尺寸为直径20毫米，由螺纹杆、套管和螺母组成。
安装时需要选择合适的孔径，通过旋转螺母将螺纹杆与套管紧密连接。
M20膨胀螺丝胀管适用于各种结构的固定，具有可靠性和稳定性。
在安装过程中要注意孔径匹配、螺母力度适中以及逆时针拆卸等事项。
膨胀螺丝胀管的使用可以提高结构的稳定性和承载能力，为各种工程建设提供了可靠的连接解决方案。
膨胀套管
压14MPa30分钟。 • 复杂：注水泥时下胶塞在大小头处卡住，并失去密封，
用第2胶塞压下，但在内管低端承压膜压不破，不能建 立循环，后采用补救措施完成。
4 射孔段局部封隔
• 奥地利，V25井，7”油层套管，射开了上部水 层，其下油层未射
•总体经济效益：
该井预计节省40万美元，由于新技术投入，实际只 节省8.5万美元，预计硬件系统改善后节省29万美元， 施工技术成熟后将时间节省算在内，预计可实现原设 计的节省40万美元。
•间接经济效益：
多层套管封隔复杂地层，以便安全和有效的对付泥 浆密度窗口窄的复杂问题。 开眼直径小，可用较小直径防喷器、钻机和隔水导 管。
唯一存在和还需继续研究的问题是螺纹密封完整性 和抗挤强度。由于金属材料的包兴格（Bauschinger ）效应，抗挤强度会比膨胀前有所降低。这可通过 选用具有较高抗挤强度的套管来解决。
清管
下入 液压涨管 密封试压 钻下堵头
修补套管 Shell-Ha.膨胀方案（拟参考）
环型活塞 悬挂密封单元
大小头 注水泥胶塞
（2）南得克萨斯深水海洋钻井，Shell Rail Tijerina1 号井
• 水深：2286m • 类型：可膨胀尾管 • 尺寸：13 3/8”16”尾套技套 • 长度：180m，深195m至15.2m，封泥线下浅流砂层，
浅水层。 • 总施工时间48小时。
• 经济效益： 在上述13 3/8”16”膨胀技套后，将原隔水导管
– 13 3/8”16”
– 11 3/4”13 3/8” – 9 5/8”常规套管
– 7 5/8”9 5/8” – 7” 平端无接箍套管。
蒸汽管道的膨胀计算和支撑设计
蒸汽管道的膨胀计算和支撑设计所有的蒸汽管道都是在环境温度下安装，但是当用来输送热的流体，例如热水或者蒸汽时，管道运行在高温状态。
需要考虑膨胀余量。
从环境温度升至工作温度时管道会膨胀，特别是在长度方向管道的膨胀情况更加严重。
这将在输送系统的某些区域内产生应力作用，例如管道连接处，极端情况下还将导致破裂管道布置必须足够灵活以吸收由于加热引起的管道移动。
在很多情况下，管道布置有其自然的灵活性，例如利用管道的长度和很多的弯头，以确保没有很大的应力积聚。
而在另外一些安装中则必须采取措施以达到灵活的要求。
蒸汽系统中典型的一个例子就是蒸汽主管的疏水直接进入与蒸汽主管并排安装的冷凝水回收管道内。
此时必须考虑蒸汽管道和冷凝水管道之间不同膨胀的差异。
蒸汽主管的工作温度要高于冷凝水管道的温度，在系统起动阶段两个连接点将相互之间产生位移。
移动的位置被管道所占据，任何辅助的设施可以通过“冷态收缩”减小。
首先计算每一固定支撑点之间的管道膨胀总量。
管道缩短一半的膨胀总长，通过法兰连接之间的拉伸螺栓冷态伸长，这样管道在冷态下单方向受应力。
当管道加热到一半温度时，管道膨胀一半，管道将不受应力。
在工作温度下，管道全部膨胀，管道将在相反的方向受压。
在实际应用中，管道在冷态下配有隔离件，其长度为管道总膨胀的一半，装在两片法兰之间。
当管道全部安装完毕并固定后，撤离隔离件，连接被拉紧。
如果剩余的膨胀不能被管道的自然柔性所吸收，则必须使用膨胀件膨胀安装件是吸收管道膨胀的方法之一。
这些安装件固定于管道上，设计用于吸收管道的膨胀而不改变管道的总长度。
这些膨胀件通常叫做膨胀波纹管，由于膨胀套管中的波纹管结构。
其它的膨胀件可由管道本身组成。
这是一种价格较低的解决方法，但需要更多的安装空间以容纳管道。
全环形是简单的一种膨胀件，使管子弯成环形，为了避免冷凝水的积聚应水平安装，而不能垂直安装下游侧必须在上游侧的下方，因为冷凝水积聚在底部，这一点必须引起足够注意，否则会安装错误。
膨胀节的类型和构造
膨胀节的类型和构造一、波纹膨胀节的类型波纹管配备相应的构件，形成具有各种不同补偿功能的波纹膨胀节。
按补偿形式分为轴向型、横向型、角向型及压力平衡型。
轴向型：普通轴向型、抗弯型、外压型、直埋型、直管力平衡型、一次性直埋型。
横向型：单向横向型、万向铰链横向型、大拉杆横向型、小拉杆横向型。
角向型：单向角向型、万向角向型。
以上是基本分类，每类都具备共同的功能。
在一些特定情况还可以有特殊功能，如耐腐蚀型、耐高温型。
按特定场合的不同，分为催化裂化装置用、高炉烟道用。
按用于不同介质分为：热风用、烟气用、蒸汽用等。
二、波纹膨胀节的结构1、轴向型波纹膨胀节（1）普通抽向型：是最基本的轴向膨胀节结构。
其中支撑螺母和预拉杆的作用是支撑膨胀节达到最大额定拉伸长度和到现场安装时调整安装长度（冷紧）。
如果补偿量较大，可用两节，甚至三节波纹管。
使用多节时，要增加抗失稳的导向限位杆。
（2）抗弯型：增加了外抗弯套筒，使整体具有抗弯能力。
这样可以不受支座的设置必须受4D、14D的约束，支架的设置可以将这段按刚性管道考虑。
（3）外压型：这种结构使波纹管外部受压，内部通大气。
外壳必须是密闭的容器，它的特点是：1）波纹管受外压不发生柱失稳，可以用多波，实现大补偿量。
2）波纹内不含杂污物及水，停气时冷凝水不存波纹内可从排污阀排掉不怕冷冻。
3）结构稍改进也具有抗弯能力。
（4）直埋型：它的外壳起到井的作用，把膨胀节保护起来．密封结构防止土及水进入。
实际产品分防土型和防土防水型。
对膨胀节的特殊要求是必须与管道同寿命。
（5）一次性直理型：它的使用是装在管线上后整个管线加热升温到管线的设计温度范围的中间温度，管线伸长，波纹管被压缩，两个套筒滑动靠近，然后把它们焊死，再由检压孔打压检验焊缝不漏即可。
它的特点是：1）焊死后波纹管再不起作用，它的寿命一次就够。
2）波纹管的设计压力按施工加热的压力设计。
材质用普通碳钢。
2、横向型波纹膨胀节（1）单向横向型：它只能在垂直于铰链轴的平面内弯曲变形。
膨胀管技术中膨胀芯头锥角设计
文章编号:1000-2634(2004)04-0070-03膨胀管技术中膨胀芯头锥角设计Ξ刘永刚1,练章华1,康学海2,杨龙3,易浩1(1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室(西南石油学院),四川南充637001;2.西南石油局四川钻井公司;PC西安管材研究所)摘要:膨胀套管技术是20世纪90年代才兴起的一门节约井眼直径的钻井技术,在我国还处于理论探索阶段。
用ADINA软件中的弹塑性有限元接触问题建立了可膨胀管膨胀过程的力学模型,通过对膨胀芯头锥角α的不同取值,在相同工况下对N280钢级材料的244.5mm(95/8″)套管膨胀至298.4mm(113/4″)的膨胀过程进行详细的计算机模拟分析,并且在定性和定量地比较套管膨胀后的等效应力、接触压力、残余应力、膨胀芯头所需的推动力以及套管轴向收缩量的基础上,得出了膨胀芯头的锥角α取值为12.3°时更有利于膨胀套管的膨胀,为膨胀芯头的结构设计提出了依据。
关键词:膨胀套管;膨胀芯头;接触面锥角;计算机模拟中图分类号:TE921.2 文献标识码:A 膨胀套管技术是20世纪90年代才发展起来的一项节约井眼直径的钻井技术,该技术解决了在深井、超深井以及深水井钻井中节约井眼尺寸的要求。
在传统的油气井钻井作业中,随着井深的增加,下入井眼中的套管层次也在增加,从而使可利用的井眼直径越来越小,甚至有可能无法最终钻达目的层。
膨胀管技术通过将下入井眼中的金属管柱利用机械力或液压力推动膨胀芯头在管柱内部沿管柱轴向运动对整个管柱进行径向膨胀,使其发生永久塑性变形,从而整体达到所要求的直径尺寸,以实现节省井眼尺寸(如图1所示)。
该技术起源于美国的Enven2 ture公司,现已投入实践,取得了良好的经济效益[1-4]。
目前,我国对可膨胀套管技术的机理研究还处于探索阶段,仅有少量关于膨胀管技术的研究报道[5-8]。
因此,积极开展钻井实体膨胀管的相关技术研究对我国的油气田开发具有重要意义。