应用膨胀波纹管封隔复杂地层时具有不减小井眼直径的显著优势, 在新疆、江苏、胜利、华北等油田成功用于封隔恶性漏失地层、坍塌泥岩和煤层等复杂井段, 为解决井下复杂问题提供了新的手段[1-6]。国内外学者对膨胀波纹管的现场施工工艺[7-10]、完善波纹管端头整形工艺[11]、提高抗外挤强度[12-14]、完善胀管器设计[15]和分析膨胀力学特性[16-19]等开展了相关研究, 完善了膨胀波纹管施工工艺。但是, 目前确定膨胀波纹管安全工况的方法尚不完善, 如果超出安全工况范围施工, 则可能发生泄漏, 造成复杂情况的发生。为此, 笔者开展了膨胀波纹管在小井眼的安全应用工况模拟分析, 并开展了膨胀波纹管在模拟弯曲井筒中的膨胀试验, 确定了ϕ149.2 mm膨胀波纹管的适用工况范围, 以保障安全施工。
1 有限元模拟分析模型建立的ϕ149.2 mm膨胀波纹管模型如图 1所示。考虑井眼扩大率, 参考完钻后的井径测井数据, ϕ149.2 mm井眼的井径分别取165.0, 168.0, 172.0和178.0 mm, 井眼曲率设定为(10.0°~30.0°)/30m。ϕ149.2 mm膨胀波纹管的屈服强度为348 MPa, 抗拉强度为476 MPa, 延伸率为33.5%。膨胀波纹管焊材的屈服强度为434 MPa, 抗拉强度为510 MPa。考虑泥岩、页岩及砂岩的弹性模量, 岩石的弹性模量取40.0 GPa, 泊松比取0.30。膨胀波纹管管材的应力-应变曲线见图 2。
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| 图 1 ϕ149.2 mm膨胀波纹管有限元模型 Fig.1 Model of ϕ149.2 mm expandable profile liner |
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| 图 2 膨胀波纹管管材的应力-应变曲线 Fig.2 Stress-strain curves of expandable profile liner |
由于膨胀波纹管施工分下入和膨胀2个过程, 因此, 分析时将其分为膨胀波纹管下入弯曲井筒和施加膨胀压力至30.0 MPa 2个过程进行分析。
2 模拟结果分析利用有限元方法进行小井眼斜井段中ϕ149.2 mm膨胀波纹管下入和膨胀的数值模拟。根据模拟结果, 分析井径、井眼曲率和膨胀压力等3个因素对ϕ149.2 mm膨胀波纹管膨胀效果的影响。
2.1 井径影响膨胀施工的关键参数是波纹管膨胀后的通径, 因此选择从膨胀后波谷处的直径、不圆度分析井径的影响。弯曲井眼中膨胀后的波纹管截面形状变化及应力分布如图 3所示。图 3中A点所处位置为波谷, 膨胀波纹管内径最小处。
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| 图 3 下入和膨胀过程中膨胀波纹管截面形状的变化 Fig.3 Cross section change of expandable profile liner during running and expansion |
井眼曲率为10.0°/30m时, 不同井径条件下膨胀波纹管波谷处内径与膨胀压力的关系如图 4所示。由图 4可以看出:在ϕ168.0~ϕ172.0 mm井眼中, 应用ϕ149.2 mm膨胀波纹管, 膨胀压力升至25.0~30.0 MPa无泄漏, 表明应用ϕ149.2 mm膨胀波纹管是安全可靠的。施加相同的膨胀压力, 井径越大, 则波谷处膨胀后的直径越大。
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| 图 4 不同井径条件下膨胀波纹管波谷处内径与膨胀压力的关系 Fig.4 Relationship between the inner diameter at the trough of the expandable profile liner and the expansion pressure in different hole diameters |
井眼曲率为10.0°/30m时, 不同井径条件下膨胀波纹管不圆度与膨胀压力的关系如图 5所示。由图 5可知, 井径相同时, 随膨胀压力增大, 膨胀波纹管的不圆度减小。在相同膨胀压力条件下, 随井径增大, 不圆度减小。膨胀压力为30.0 MPa时, 膨胀波纹管的不圆度约为5.0%~8.0%。为了降低不圆度、提高通径, 一方面要提高膨胀压力, 另一方面要将井径控制在168.0~178.0 mm。
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| 图 5 井径对膨胀波纹管不圆度的影响 Fig.5 Influence of hole diameter on ellipticity of expandable profile liner |
井眼直径为168.0 mm时, 不同井眼曲率条件下, 膨胀后的波谷内径与膨胀压力的关系如图 6所示。由图 6可看出, 在相同井径、膨胀压力条件下, 井眼曲率为(10.0°~30.0°)/30 m时, 井眼曲率对波谷处内径的影响较小。
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| 图 6 不同井眼曲率下波谷处内径与膨胀压力的关系 Fig.6 Relationship between the inner diameter at the trough of the profile liner and the expansion pressure in different borehole curvatures |
在ϕ168.0 mm井眼中, 不同井眼曲率条件下膨胀波纹管膨胀后不圆度与膨胀压力的关系如图 7所示。从图 7可以看出, 井眼曲率一定时, 随膨胀压力增大, 不圆度逐渐减小。膨胀压力为0~15.0 MPa时, 在相同膨胀压力下, 井眼曲率对不圆度的影响较小; 膨胀压力大于15.0 MPa时, 井眼曲率为30.0°/30m时的不圆度较井眼曲率为10.0~20.0°/30m时大2.0%~2.6%。
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| 图 7 井眼曲率对膨胀波纹管不圆度的影响 Fig.7 Influence of borehole curvature on ellipticity of expandable profile liner |
在ϕ168.0 mm井眼中, 不同井眼曲率条件下膨胀波纹管的最大应力与膨胀压力的关系如图 8所示。从图 8可以看出, 井眼曲率为30.0°/30m时膨胀波纹管的最大Mises应力明显比井眼曲率为10.0~20.0°/30m时大。因此, 为了保障施工安全, 要将井眼曲率控制在20.0°/30m以内。
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| 图 8 井眼直径为168.0 mm时井眼曲率对最大应力的影响 Fig.8 Influence of borehole curvature on maximum stress with wellbore diameter of 168.0 mm |
为验证模拟分析结果, 在室内开展了弯曲井筒内膨胀波纹管的膨胀试验。模拟分析时, 井眼曲率为30.0°/30m时波纹管的最大Mises应力最大, 设计试验用弯曲井筒的井眼曲率为30.0°/30m, 模拟井筒参数见表 1; 为便于测量, 在模拟井筒上加工了观测孔。试验过程中, 利用液压将膨胀波纹管推入弯曲井筒中, 采用液压试验泵加压膨胀, 观察和测量在模拟井筒中膨胀波纹管直径的变化情况, 并记录膨胀压力, 结果见表 2。
| 井筒编号 | 井眼曲率/((°)·(30m)-1) | 段长/m | 井斜角变化率/ ((°)·(30m)-1) | 方位角变化率/((°)·(30m)-1) |
| 1 | 30.0 | 10.00 | 30.0 | 0 |
| 2 | 30.0 | 10.00 | 24.0 | 69.6 |
| 3 | 30.0 | 10.00 | 18.0 | 171.5 |
| 4 | 30.0 | 10.00 | 20.1 | 90.0 |
| 编号 | 井眼曲率/((°)·(30m)-1) | 弯管通径/mm | 膨胀压力/MPa |
| 1 | 30.0 | 168.0 | 35.6 |
| 2 | 30.0 | 168.0 | 38.1 |
| 3 | 30.0 | 168.0 | 8.5 |
| 4 | 30.0 | 168.0 | 35.0 |
从表 2可以看出, 试验1, 2和4号的膨胀压力分别达到35.6, 38.1和35.0 MPa, 无泄漏; 试验3的膨胀压力达到8.5 MPa时发生泄漏。
从表 1和表 2可以看出, 在井眼曲率一定的情况下, 方位角变化率或井斜角变化率过大时, 膨胀压力未达到设计膨胀压力就已泄漏。试验中无泄漏的模拟井筒最大的方位角变化率达90.0°/30m;最大井斜角变化率达30.0°/30m。
4 膨胀试验与数值模拟结果对比分析 4.1 试验1结果与数值模拟结果井斜角变化率为30.0°/30m、方位角变化率为0时膨胀压力与内径的关系如图 9所示。图 9中, 黑色曲线为模拟分析结果, 蓝色、红色、绿色曲线分别是膨胀试验时记录的波纹管上端、中部、下端的内径与膨胀压力的关系曲线。膨胀试验时膨胀压力达到35.0 MPa无泄漏, 表明在该条件下应用膨胀波纹管是安全的。
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| 图 9 井斜角变化率为30.0°/30m时波谷处内径与膨胀压力的关系 Fig.9 Relationship between the inner diameter and expansion pressure when the rate of inclination change is 30.0°/30m |
井斜角变化率24.0°/30m、方位角变化率69.6°/30m条件下, 波谷处内径与膨胀压力的关系如图 10所示。膨胀试验时, 膨胀压力达到38.1 MPa时无泄漏, 说明在该条件下应用膨胀波纹管是安全的。
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| 图 10 井斜角变化率为24.0°/30m、方位角变化率为69.6°/30m时波谷处内径与膨胀压力的变化关系 Fig.10 Relationship between the inner diameter at the trough of the profile liner and expansion pressure when the rate of inclination change is 24.0°/30m and the rate of azimuth change is 69.6°/30m |
从图 10可以看出, 膨胀压力为5.0~10.0 MPa时曲线的斜率与图 9相比显著增大。上述工况条件下初始膨胀时容易出现应力集中而发生破裂, 这与图 8显示的应力较大是一致的。试验3中, 井斜角变化率为18.0°/30 m、方位角变化率为171.5°/30 m, 膨胀压力达8.5 MPa时就发生了泄漏。
4.3 试验4结果与数值模拟结果井斜角变化率20.1°/30m、方位角变化率90.0°/30 m条件下波谷处内径与膨胀压力的关系如图 11所示。由图 11可看出, 上述工况条件试验膨胀压力达到38.0 MPa时无泄漏, 同样在安全范围之内。
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| 图 11 井斜角变化率为20.1°/30m、方位角变化率为90.0°/30m条件下内径与膨胀压力的关系 Fig.11 Relationship between the inner diameter and expansion pressure when the rate of inclination change is 20.1°/30m and the rate of azimuth change is 90°/30m |
膨胀试验结果验证了模拟分析方法的可靠性。模拟分析表明, 井眼曲率为30.0°/30m时波纹管膨胀后的不圆度和最大Mises应力较(10.0°~20.0°)/30m时明显增大, 为保障安全施工, 应控制井眼曲率小于30°/30m。膨胀试验结果表明, 在ϕ168.0~ϕ172.0 mm井眼中, 井眼曲率为30.0°/30m且井斜角变化率小于30.0°/30m或方位角变化率小于90.0°/30m时, 波纹管膨胀压力可达到35.0 MPa。结合钻井实际情况, 安全系数取1.50, 确定ϕ149.2 mm波纹管施工安全工况为:井径为168.0~172.0 mm; 井眼曲率不大于20.0°/30 m, 且井斜角变化率不大于20.0°/30m、方位角变化率不大于60.0°/30m。
5 结论1) 采用有限元法和试验方法分析了井径、井眼曲率对ϕ149.2 mm膨胀波纹管膨胀的影响规律, 试验结果和模拟分析结果一致性较好。
2) 通过对比试验结果和模拟分析结果, 确定了斜井段应用ϕ149.2 mm膨胀波纹管的安全工况条件。
3) 现场施工时应当在安全的工况范围内应用ϕ149.2 mm膨胀波纹管, 以保障施工安全。
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