膨脹尾管懸掛器金屬嚙合實驗及仿真

陳喜春，趙 凱，宋 剛

(1.天津職業技術師范大學，天津300222;2.四川儀表工業學校，重慶400702;3.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京100083;4.中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊065000)

0 引言

膨脹尾管懸掛器是以膨脹管技術為基礎發展起來的一種應用于尾管固井的新型尾管懸掛器。膨脹尾管懸掛器主要由膨脹錐、膨脹尾管、中心管、橡膠環等組成。其基本工作原理是：將懸掛器下入到井下預定位置后，利用液壓的方式驅使膨脹錐沿中心管軸線移動，當膨脹尾管進入塑性變形區域時會發生徑向變形，管柱直徑變大，進而將金屬環和橡膠環擠壓在膨脹尾管與外層套管之間，由金屬環與外層套管之間嚙合來提供懸掛力，由橡膠環提供密封功能，橡膠環也可提供輔助的懸掛力，懸掛前后對比如圖1所示。

近年來隨著深井超深井的增多，井下極端環境也越來越多，如高溫高壓、高含腐蝕介質等情況，在這些環境中橡膠材料原本的特性將會發生變化，如果不增加金屬環，單純用橡膠環提供懸掛力，就會使尾管懸掛器喪失原有功能，主要體現在以下幾個方面：

圖1 懸掛前后對比示意圖

(1)高溫(部分井達到了200℃以上)高壓的工況使橡膠強度或彈性下降;

(2)含有腐蝕介質的井越來越多，高酸性、高含硫的極端環境的存在，強酸性環境使橡膠材料體積膨脹，強度急劇下降，硫在高溫高壓條件下使橡膠材料變硬變脆，發生老化失去彈性;

(3)尾管長、懸掛負荷大，過大的懸掛負荷造成膨脹尾管懸掛器中的橡膠發生蠕動，甚至破壞。

在某些科學鉆井和地質勘探鉆井中采用不固井懸掛尾管，這無疑對懸掛器的性能提出了更高的要求。如果懸掛和密封功能同時單獨由橡膠環提供，在面對上述問題時可能會發生密封元件失效和懸掛失效的情況。在本文介紹的懸掛器中，金屬環主要提供懸掛力，橡膠環主要起密封作用，同時可以輔助懸掛，這樣橡膠環的剪切變形大為減小，剪切破壞的可能性大大降低，而且由金屬環與外層套管形成的嚙合更加穩定、可靠。本文將通過改變金屬環的各參數對其所能提供的懸掛力進行研究。

1 室內實驗

本文將針對膨脹尾管懸掛器中金屬環能夠提供的懸掛力進行實驗研究。在該實驗中，金屬環影響懸掛力的主要參數為金屬環形狀(見圖2)和膨脹后的過盈量。

圖2 金屬環形狀

膨脹尾管及外層套管規格見表1。

表1 室內實驗膨脹尾管及外層套管規格

從圖1中可知，膨脹尾管在膨脹前需要放置膨脹錐，膨脹錐外徑大于膨脹尾管內徑，因此在膨脹前需將膨脹尾管端部進行預膨脹從而形成膨脹錐頭腔。膨脹錐頭腔如圖3所示，預膨脹裝置如圖4所示。

圖3 膨脹錐頭腔示意圖

圖4 預膨脹裝置

1.1 實驗步驟

(1)利用預膨脹裝置對膨脹尾管進行預膨脹，在其一端得到膨脹錐頭腔，為膨脹錐預留起始放置空間;

(2)在膨脹尾管內壁涂抹潤滑脂;

(3)用熱裝的方法在膨脹尾管外壁套上金屬環，或者采用膨脹尾管與金屬環整體式加工的方法，2種方法效果如圖5所示;

圖5 金屬環結構形式

(4)將膨脹錐放入膨脹錐頭腔中，將膨脹錐內部流體通道與泥漿泵連接，利用焊接的方法將膨脹錐頭腔口封住，如圖6所示;

圖6 膨脹錐、膨脹尾管及管路連接示意圖

(5)將膨脹尾管與外層套管配對安裝，利用泥漿泵對膨脹錐頭腔打壓，實現懸掛，實物如圖7所示。

圖7 實驗實物圖

1.2 實驗結論

1.2.1 不同金屬環形狀對懸掛力的影響

分別選取圖2所示的3種金屬環形狀，在同等過盈量和寬度的條件下，平型金屬環所需液壓力最大，凸型金屬環次之，尖型金屬環最小。平型金屬環給設備帶來的負荷較大，在其他選型滿足條件的情況下盡量不予選用;尖型金屬環尖端在懸掛中容易發生塑性變形，導致過盈量變小，進而導致懸掛力變小，而凸型金屬環不會出現此類情況，且凸型金屬環可與外層套管形成咬合(如圖8所示)，使懸掛更為可靠。因此，選用適當齒尖寬度的凸型金屬環既可以減小設備負荷，又可以得到足夠的懸掛力。

由實驗結果可得出結論：凸型金屬環為最佳方案。

圖8 金屬環與外層套管咬合痕跡

1.2.2 金屬環過盈量對懸掛力的影響

采用凸型金屬環，分別選取過盈量為1.1、1.3、1.5 mm的金屬環進行實驗。從實驗結果可知，過盈量1.1 mm的金屬環沒有實現良好嚙合，使用較小的力即可將膨脹尾管與外層套管分離，經分析得知是管壁加工誤差和膨脹過程中膨脹尾管壁厚變小造成的。過盈量等于1.3、1.5 mm的金屬環形成了可靠嚙合(如圖9所示)。

圖9 過盈量為1.3 mm的金屬環形成了可靠的嚙合

最終選取金屬環過盈量分別為1.2、1.3、1.4 mm的方案進行懸掛力測試，其它參數為：金屬環形狀為凸型，個數為4個，寬度為20 mm，金屬環間隔50 mm，安裝形式為熱裝式。結果數據見表2。

表2 懸掛力測試

實驗結論：金屬環膨脹后過盈量可以使外層套管發生塑性變形，形成金屬環與外層套管之間的嚙合，進而得到懸掛力。由表2可知，3種方案均可滿足要求，但是出于安全和減小設備負荷等因素考慮，認為過盈量1.3 mm為最佳。

2 仿真實驗

膨脹尾管懸掛器的工作過程涉及金屬材料的塑性變形、橡膠材料的變形、各部件之間的接觸，屬于高度非線性問題，采用傳統的理論計算方法很難對該過程進行分析。近年來計算機數值分析發展迅速，越來越多的工程技術人員采用計算機仿真的方式對工程實踐進行指導。膨脹尾管懸掛器起著懸掛與密封的作用，在圖1所示的懸掛器中，金屬環主要提供懸掛力，橡膠環主要起密封和輔助懸掛作用。筆者利用ansys ls－dyna非線性有限元軟件對懸掛器金屬環工作機理進行了仿真分析，通過改變金屬環的結構參數得到懸掛力數值。

2.1 建立模型

仿真實驗模型主要由膨脹錐，膨脹尾管，外層套管組成。膨脹尾管及外層套管規格見表1。

選擇2D SOLID162軸對稱單元，建立軸對稱模型，這樣可以大大減少計算時間。將膨脹錐視為剛體，膨脹尾管和外層套管采用塑性模型。由于在工作過程中膨脹錐受到極大的界面應力，要求強度大，硬度高，耐磨損，而剛體模型在計算中不會發生形變，并且可以減少計算時間，將膨脹錐定義為剛體是符合實際要求的。膨脹尾管及外層套管材料參數見表3。

表3 膨脹尾管及外層套管材料參數

2.2 載荷與邊界條件

(1)膨脹尾管預膨脹端面限制所有節點的所有自由度;

(2)給膨脹錐施加0.1 m/s恒定速度，方向沿y軸負方向;

(3)膨脹結束前，外層套管端部限制y向自由度，膨脹結束后去除其y向自由度的限制，并施加沿y軸正向推力;

(4)設定鋼鐵之間的摩擦系數為0.1;

(5)仿真實驗中認為所有材料質地均勻且各向同性。

2.3 仿真實驗結論

仿真實驗將從金屬環形狀、膨脹后過盈量、金屬環寬度B三個方面對金屬環能夠提供的懸掛力進行分析。

懸掛器工作過程如圖10所示。

圖10 懸掛器工作過程

2.3.1 金屬環形狀變化模擬分析

選取圖2中尖型和凸型金屬環進行仿真實驗，其它參數為：金屬環膨脹后過盈量為1.3 mm，個數為4個，金屬環寬度B為20 mm，間隔P為50 mm，得到結果如圖11、圖12、表4所示。

圖11 懸掛力測試結果

圖12 膨脹力測試結果

表4 金屬環形狀對懸掛力的影響

圖11為套管軸向受力圖，5 s后出現的尖峰即使金屬環與套管脫離所需要的最大力，圖12為膨脹力結果，具體數值見表4。從表4中可以看出尖型金屬環所能提供的懸掛力比凸型金屬環大，同時所需膨脹力峰值也較小，但是由于有限元軟件的局限性，在該有限元模型中不會出現室內實驗中牙尖塑性變形和明顯的金屬咬合，因此，關于金屬環形狀的結論以室內實驗為準，選擇凸型。

2.3.2 金屬環過盈量變化模擬分析

實驗參數：金屬環形狀為凸型，個數為4個，金屬環寬度B為20 mm，間隔P為50 mm。本實驗設定單邊膨脹量為7.5 mm，現令過盈量分別等于1.2、1.3、1.4、1.5 mm，金屬環外徑對應的膨脹后的數值分別為 153.2、153.3、153.4、153.5 mm，而套管內壁直徑為152 mm，這樣就可以形成一個金屬與金屬的嚙合來提供懸掛力。然而在實際中管壁會變薄，過盈量設置不當可能不會形成嚙合，這就需要通過實驗來具體確定其可靠性。從表5中可以看出，4種情況全部符合要求，隨著過盈量的增大膨脹力和懸掛力也在增大，而且這種增長是非線性的，過盈量為1.5 mm時懸掛力增長的比例很大。這樣可以根據實際需要設置過盈量的數值，但同時要考慮膨脹液壓力和外層套管的塑性變形，過大的過盈量會導致以下幾個問題：(1)現場設備無法提供足夠的液壓力進行膨脹作業;(2)金屬環外徑大于膨脹尾管外徑，懸掛器下入過程容易遇阻;(3)外層套管塑性變形過大損傷套管外層水泥環。

表5 金屬環過盈量對懸掛力造成的影響

2.3.3 金屬環寬度變化模擬分析(見表6)

實驗參數：金屬環個數為4個，金屬環寬度B為20 mm，間隔P為50 mm，過盈量為1.3 mm，采用凸型金屬環，令金屬環寬度分別為10、20、30 mm進行實驗。

表6 金屬環寬度對懸掛力的影響

膨脹力和懸掛力隨著金屬環寬度增大而增大，因此在實際中應將金屬環寬度設定在適宜范圍內。

2.4 實驗結果分析

實驗結果表明，在同等情況下：凸型金屬環能減小設備負荷、提供足夠的懸掛力，是金屬環形狀最佳方案;金屬環過盈量為1.3 mm，金屬環寬度為20 mm時液壓力適中，同時懸掛力在安全范圍內，選為最佳方案。

3 結論

(1)由室內實驗可知，在膨脹尾管懸掛器中選擇適當參數的金屬環可以提供足夠的懸掛力，同時避免了橡膠環在井下高溫高壓高含腐蝕介質等極端條件下懸掛失效的情況，另外，在此類極端條件下金屬環盡量選用不銹鋼代替普通鋼材。

(2)金屬環上加工絲扣可以降低膨脹所需液壓力，且凸型金屬環可以形成可靠的懸掛。

(3)金屬環過盈量是影響懸掛力最主要的參數，懸掛力隨過盈量的增大而增大，但是現場設備所能提供的液壓力、套管外層水泥環限制了過盈量的增大，過大的過盈量還可能導致入井遇阻，因此，實際作業中應綜合考慮各因素確定該數值大小。

(4)懸掛力與金屬環寬度成正相關;金屬環間隔存在最佳值范圍，適當的間隔可以在不增大膨脹液壓力的情況下提高懸掛力。

(5)金屬環式膨脹尾管懸掛器膨脹過程所需膨脹力較大，不適合于滾輪式機械膨脹;金屬環式膨脹尾管懸掛器利用金屬環與外層套管形成的嚙合提供懸掛力，不適合于裸孔膨脹。

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