弯曲井段下壁厚对波纹管膨胀性能的影响

2017-10-11，，

石油矿场机械 2017年5期

关键词：壁厚管体长轴

，，

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

弯曲井段下壁厚对波纹管膨胀性能的影响

张会会，段庆全，李虎

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

随着钻井技术的发展，膨胀波纹管在堵漏、封隔、封固复杂地层的应用更广泛。在现场应用中可能会遭遇不同的井形，其中弯曲井段是最为复杂。目前，壁厚对膨胀波纹管性能影响的研究尚不深入。通过ABAQUS仿真建模分析，比较弯曲井段不同壁厚下波纹管长轴处内径和不圆度随内压的变化规律，得到壁厚对波纹管膨胀的影响规律。对两种壁厚下波纹管的焊缝进行膨胀模拟，评价焊缝的安全状况。为波纹管在复杂地层的应用提供理论支持。

波纹管；弯曲井段；膨胀；壁厚

Abstract：With the development of drilling technology，the application of expansion bellows in plugging，packing and sealing complex stratum is more extensive.And in the field of application，it maybe encounter different wells，but bending section is the most complex and common.At present，the study of the influence of wall thickness on the performance of the inflated bellows is not deep.In this paper，according to ABAQUS simulation modeling and analysis，comparing the variation law of long axis diameter and out-of-roundness of bellows with the internal pressure under the different wall thickness，and then the influence of wall thickness on the expansion of bellows was obtained.The expansion of the weld seam of two kinds of wall thickness bellow is simulated to evaluate the safety of the weld.So those studies provide theoretical support for the field application of bellows.

Keywords：corrugated pipe；expansion；wall thickness；bending section

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膨胀波纹管技术是通过对管材进行冷压处理，使管材发生永久塑性变形，以达到减小外径的目的[1-2]。波纹管的管柱截面形状呈波纹状，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。借助液压和胀管器的作用，使其完全膨胀成圆管，用于封隔或贴补目的层[3-4]。该技术起始于20世纪80年代晚期，具有不影响原井眼尺寸、作业周期短、成本低等特点[5-6]。1998年ShellE&P公司在Gasmer Test Well进行的ø339.37 mm J55 套管原型试验的成功，证明了该技术的可行性[7]。膨胀波纹管技术已成为21世纪石油钻采行业的重要技术之一[8]。

目前，对膨胀波纹管的研究大多在垂直井段。随着钻井行业的发展，钻井工况和地层也愈加复杂，弯曲井段是最为复杂多变的情况。壁厚对膨胀波纹管性能影响的研究尚不深入，如果采购不同材料、不同壁厚的膨胀波纹管进行性能测试，周期长，经济成本较高。本文采用有限元仿真模拟分析的方法，对弯曲井段中不同壁厚波纹管的膨胀过程进行模拟分析，研究膨胀过程中波纹管不圆度随压力的变化规律及焊缝的安全评价。

1 波纹管材料和有限元模型的建立

1.1波纹管材料选取

ø215.9 mm波纹管是指膨胀后波纹管内径设计尺寸为215.9 mm，截面形状为“8”字形，主要用于堵漏、封隔、封固复杂地层等，在实际生产中应用比较广泛。本文以ø215.9 mm波纹管为研究对象，波纹管壁厚为7、8、9 mm，井眼直径为ø245 mm。材料选择常用的20#钢，材料性能曲线如图1，材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率如表1。

图1 20#钢拉伸试验曲线

断后伸长率/%34抗拉强度/MPa410屈服强度/MPa245

1.2弯曲井段有限元建模

在现实情况中，井眼所处位置大多情况复杂，因文章涉及到弯曲井段，为突出弯曲井段与垂直井段的区别，选择井斜率30°/30m建立井眼模型，将井壁视为刚性体，采用4节点刚体单元R3D4单元建立三维井眼模型，如图2所示。关于波纹管，采用8节点实体单元C3D8R建立三维模型[10]，如图3所示。因内压达到约25 MPa时波纹管已膨胀较好，为使波纹管充分膨胀，但不超过其抗内压强度，选择对波纹管施加膨胀内压30 MPa，研究波纹管的膨胀性能。

图2 弯曲井段刚性井眼模型

图3 波纹管管体模型

2 波纹管膨胀性能分析

2.1长轴处内径变化

由图4知，A、B、C点分别代表波谷、长轴和波峰处内径。图5表明波纹管在膨胀内压达到2.5 MPa时开始发生明显的屈服现象，长轴处内径开始随着内压的增大而迅速增大；在内压达到7.5 MPa后，长轴的内径基本达到一个峰值，随后变化较小。在内压达到27.5 MPa后，3种壁厚下的长轴处内径都有向上增长的趋势，壁厚为7 mm的波纹管增长最为明显。

图4 波谷(A)、长轴(B)和波峰处(C)位置

图5 弯曲井段波纹管膨胀过程中长轴内径的变化

综上所述，波纹管的壁厚对波纹管长轴处内径的变化影响较大，波纹管的壁厚越大，相同压力下的波纹管长轴处内径越小。在内压为10～30 MPa时，3种波纹管壁厚长轴处内径之间的差值随着压力的增加呈缓慢增加趋势。

2.2膨胀波纹管不圆度的变化

波纹管不圆度是表明波纹管胀圆程度的重要参数，其定义如下式：

式中：r为不圆度,%；Rmax为波纹管最大外径，即波峰处内径(B)，mm；Rmin为波纹管最小外径，即波谷处内径(A)，mm。

由图6可知，波纹管不圆度随膨胀内压的增大而减小，在内压接近2.5 MPa时，波纹管开始膨胀，不圆度迅速减小，这与长轴处内径变化一致。在内压达到7.5 MPa以后，不圆度减小趋势变缓，开始缓慢减小，直至30 MPa一直在减小。

在相同压力下，波纹管壁厚越小，膨胀后不圆度越小，其膨胀性能越好。波纹管壁厚对膨胀波纹管的不圆度影响较大，随着内压的增加，壁厚对其的影响减小。内压达到30 MPa时，3种壁厚7、8、9 mm的膨胀波纹管不圆度分别为0.54%、0.71%、1.81%。

图6 弯曲井段不同壁厚下不圆度的变化

3 弯曲条件下焊缝膨胀模拟

在相同条件下建立波纹管中焊缝的模型，完成焊缝膨胀模拟，对比焊缝与管体的应力应变，评价焊缝的安全状况。

在施加膨胀内压为30 MPa时的焊缝应力如图7，应变云图如图8所示。由图7～8可知膨胀过程中焊缝处应力、应变最大点在波谷处的管壁外侧。

图7 内压为30 MPa时焊缝等效应力云图

分别选择壁厚为7 mm和8 mm弯曲井段的焊缝进行膨胀模拟，波纹管管体及焊缝的等效应力和等效塑性应变随内压而变化，焊缝应变和管应变之间的差值随着内压的增大而逐渐减小；焊缝应力和管应力之间的差值也随着内压的增大而逐渐减小，直至30 MPa时差值最小。焊缝的应力应变基本在0～5 MPa增幅最快，之后基本保持平缓变化；管应力在0～2.5 MPa增长最为迅速，之后仍然保持平缓增长，而管应变在5 MPa左右开始增加，直至内压达到30 MPa。

由以上分析可知，不同壁厚下波纹管管体及焊缝的等效应力和等效塑性应变随内压变化的规律相同，如图9～10所示。由于管体的材料特性与焊缝的特性不同，焊缝处的应力应变大小与管体的应力应变不同，所以焊缝的应力始终大于管体处应力，应变也大于管体处的应变，但小于管材的伸长率0.33，由此可以判定该焊缝是安全的。