旋转膨胀系统膨胀力和液压力的研究

　　1 引言

　　随着大庆油田开发进入中、后期，套损井越来越多^[1-2]。而套管的损坏将直接影响油田水井的正常生产，甚至导致油水井停产、报废，随着油田开采时间的延长，油水井套管变形损坏的修理工作是油田开发过程中必须解决的一个重要问题。目前大庆油田对损坏的套管采用的是固定膨胀技术，这种技术在膨胀过程中需要地面提供较大的液压力，这给设备和人身安全带来极大隐患。对于这类问题，威德福公司在2004 年3 月美国Houston 召开的海洋技术会议(OTC)上提出来了旋转膨胀技术^[3-5]，并在OTC16665 中公布了产品的照片。

　　此技术的显著优点在于膨胀过程中需要较小的膨胀力，这就解决了地面提供液压力大的难题^[6]。但是，目前国内对旋转膨胀技术的研究比较少，为此，对旋转膨胀力学特性进行研究，为旋转膨胀系统设计提供理论依据。

　　2旋转膨胀头结构及工作原理

　　设计的旋转膨胀头结构，如图1所示。

　　在膨胀作业时，旋转膨胀系统在液压力作用下使得滚轮轴组件沿径向膨胀。与此同时钻柱不停的旋转，使套管内壁的塑性变形均匀一致。沿轴向方向，钻柱以一定的进给速度向下运动，从而使整段膨胀管膨胀。当膨胀作业遇到阻卡时，压力会持续增大，当增大到限压阀限压时，限压阀开启，压力骤降，滚轮缩回，钻柱会向下运动躲开阻卡点，随后，限压阀关闭，膨胀过程重新开始。

　　3 旋转膨胀系统膨胀力有限元分析

　　3.1结构参数和材料模型

　　套管膨胀前内径尺寸为Φ100mm，壁厚8mm，长度300mm，膨胀后内径Φ112mm，旋转膨胀头轴向移动距离为400mm。由于旋转膨胀工具材料的强度远大于膨胀管材料的强度，故可以把其材料取为刚性体材料，这样可以节省大量的计算时间，加快计算速度^[7-8]。

　　膨胀管材料选用20g，其参数性能为：

　　弹性模量：E=2.1e5MPa;

　　泊松比：μ=0.3;

　　屈服强度：

　　σ_s=245MPa。

　　其应力-应变，如表1所示。

　　用ANSYS10.0 建立膨胀管和旋转膨胀头的三维实体模型，单元类型选用SOLID95，网格采用扫掠网格，划分网格后的有限元模型，如图2所示。

　　3.2边界条件和载荷定义

　　在不考虑膨胀管外部水泥环作用力的情况下，膨胀管顶端除沿径向的自由度不被约束外其余自由度为零。而膨胀管的其余部分不被约束，底端端面可以沿轴向自由移动。

　　对于旋转膨胀头来讲，用pilot节点对其施加载荷，采用参数数组定义数据，将时间-位移、时间-角度载荷数组施加在pilot 节点上。