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油气井膨胀管技术机理研究

张建兵  
【摘要】:油气井膨胀管技术是近年来油气井工程领域出现的一项新兴技术,该技术可以使下入井眼中的管柱导致的井眼尺寸的减小达到最低限度,并且极大地节约建井成本。国外专家预言该项技术将对钻井工程技术产生革命性的影响。 国外膨胀管技术目前正处于蓬勃发展状态,国内基本上对该技术处于认识阶段,开展的学术性研究活动非常有限。所以进行油气井膨胀管技术机理研究,对我国在该技术领域紧跟世界步伐具有重要意义。由于该技术保密性强,国内外基本上看不到具体的研究文献,本文对所能得到的极少量的国外期刊论文进行了仔细阅读,在国外研究基础上,对该技术中所牵涉的关键技术环节进行了初步的机理性分析研究。研究内容包括:管子膨胀中的金属流动规律、管子膨胀过程中的力学行为特点及变形规律、管子膨胀后的强度变化、膨胀工具的几何尺寸与选材以及可膨胀联接的结构方案。 本文借助于金属塑性加工学及材料科学中的相关理论对油气井膨胀管技术进行了跨学科研究,研究方法以实物试验为主,并且进行了适当的理论分析研究,得到了一系列重要认识与结论:(1)、对管子的膨胀变形规律有了比较全面的掌握,尤其是发现了管子在膨胀过程中的不均匀变形现象严重,这成为影响膨胀后的管子性能的一个主要因素,是导致管子膨胀后抗挤强度下降的一个重要原因,所以本文认为在膨胀管选材时应该对管子的初始几何参数,如壁厚不均度和不圆度进行严格限制,基于以上原因,认为直缝焊管比无缝钢管更适宜于作为膨胀管管材;(2)、对钢管膨胀后管子材料力学性能的变化规律有了重要认识;(3)给出了管子膨胀力的计算公式,用该公式计算所得到的膨胀力和本文试验数据基本吻合;(4)、在计算套管抗挤强度的“Jianzeng and Taihe”公式的基础上,推导出了膨胀后的套管抗挤强度计算公式,用该公式计算所得的膨胀后的套管抗挤强度和国外的实物试验数据变化趋势基本吻合;(5)、给出了膨胀后的管子壁厚计算 摘要 万亩亩面面面面亩亩面面面亩亩亩面 公式,并用本文试验数据进行了验证:(6)、发现管子膨胀过程中存在纵向 金属流动不均现象;(7)、给出了一种可膨胀联接的结构方案,并进行了有 限元分析;(8)、对于膨胀工具的尺寸设计以及选材给出了初步建议。 本文的主要创新之处在于:(1)、在研究方法上,首次将金属塑性加工 学中的快速有效的网格法试验研究方法引入石油管工程领域,对管子膨胀 时的纵向金属流动规律进行了研究,研究结论得到了其它成熟研究方法的 证实,说明本文将网格法引入石油管工程领域是可行的,从而拓展了石油 管塑性变形研究的研究手段;(2)、针对油气井井眼中的膨胀管技术,采用 不同于国外方法的新的试验方法,对管子膨胀过程中的变形规律和力学问 题以及膨胀后管子材料力学性能变化规律所进行的全面系统的大量试验研 究,在国内外未见文章发表,研究取得的一系列重要结论对于膨胀管技术 应用研究具有重要参考价值。 油气井膨胀管技术是一项复杂的重大新技术,国内对该技术的研究刚 刚起步,在我国开展此项技术的应用研究需要一个过程,本文侧重于该技 术的机理性研究,希望能为今后膨胀管技术的进一步深入研究奠定一些基 础。 关键词:钻井完井膨胀管套管井身结构套管补贴


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