实体膨胀管技术研究

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1、中国石油大学（华东）博士学位论文实体膨胀管技术研究姓名：唐明申请学位级别：博士专业：机械设计及理论指导教师：金有海20090401{两要本文针对膨胀管钻井技术发展的需要，首先研究了膨胀管的膨胀机理。利用冷加工塑性大变形的Levy．Mises应变增量理论，分析了套管稳态膨胀成型过程，描述了两种材料类型下的膨胀理论，用非稳态成型理论研究分析了膨胀管端部的膨胀过程，所获得的理论借助于计算机可以确定相应的数值结果。借助于主应力分析的方法，详细论证了膨胀管塑性变形过程中任意一点的应力和载荷关系，建立了膨胀管膨胀过程中载荷、膨胀管的几何尺寸、材料性质、摩擦

2、系数、膨胀工具几何结构之间的理论关系，该理论对确定膨胀载荷、优化设计膨胀工具提供了简单、直观的理论方法，其计算结果比较准确，并得到了有限元数值模拟和工程实际的验证。以大型计算软件ANSYS为手段，在简单介绍了该软件的使用和建模过程之后，对几种不同规格和材料的膨胀管的膨胀过程进行了计算机仿真，所确定的膨胀载荷，与理论计算结果吻合，认证了膨胀机理中确定的理论的正确性。通过计算机仿真，由数值计算的方法确定了膨胀载荷，在大量的模拟膨胀之后，得到了膨胀规律，优化了膨胀工具，指出在一般情况下，要保证膨胀载荷最小而且又要达到膨胀的目的，膨胀工具的膨胀锥半角应

3、该控制在120~150之间，而且膨胀锥半角的确定还要考虑膨胀工具与膨胀管接触面之问的摩擦系数。通过仿真，给出了膨胀过程中膨胀管几何尺寸的微小变化，比较了不均匀壁厚与理想膨胀管膨胀过程的差别，给实际工程提供了理论依据。应用断裂理论和数值分析相结合的方法，分析了含裂纹的膨胀管的应力状况，指出在裂纹处存在着高度应力集中，裂纹尖端区域是高应变的复杂应力状态，轴向贯穿裂纹附近的环向应力和轴向应力远大于径向应力，内压是这种工程缺陷的最大破坏因素。提出了分析这一类问题的有效方法，确定了J积分与裂纹张开位移COD之间的线性关系，提出了在工程上要高度重视膨胀贯穿

4、细小裂纹的建议。探讨了膨胀管接头结构问题，由于膨胀管本身就比较复杂，膨胀接头由于结构复杂性和工程对其性能的特殊要求，使得对膨胀接头的分析更加复杂化，但从理论上不能解决之，所以选择了更加适用于特殊接触问题的ABAQUS软件作为设计、优化膨胀接头结构、牙型的分析工具，提出了适合膨胀技术要求的基本扣型和接头形式，指出膨胀接头的危险区域，设计出了满足密封和压力完整性的扣型、接头结构。实验是验证理论分析和从理论到工程实际的重要手段。通过试验测试了膨胀管材料性能的变化和膨胀管的承载能力，给设计和使用膨胀管提供了实验依据；通过试验测定了膨胀管的残余应力，提出

5、了膨胀管残余应力在轴截面上的分布形式，给出膨胀管内外表面的残余应力大小方向都不相同的观点，该观点对研究膨胀管的承载能力十分重要。试验的结果和模拟结果一致。理论研究的最终目的是工业应用，本论文的研究成果已经成功地应用到了工业领域，取得了成功率100％的可喜成绩，所取得的经济效益有力地说明了膨胀套管钻井技术是深井及复杂地质条件的钻井及井身结构“革命性”的重大技术，是2l世纪石油钻采行业的核心技术之一。膨胀管钻井技术的推广必将带来巨大的经济效益和社会效益。关键词：膨胀管，膨胀机理，膨胀工具，参数优化，数值模拟，断裂，残余应力；实体膨胀管技术研究创新点

6、摘要1．首先分析研究了膨胀管的膨胀机理。利用冷加工塑性大变形的Levy．Mises应变增量理论，分析了套管稳态膨胀成型过程，描述了两种材料类型下的膨胀理论，用非稳态成型理论研究分析了膨胀管端部的膨胀过程，获得了借助于计算机可以确定相应膨胀载荷数值结果。借助于主应力分析的方法，论证了膨胀管塑性变形过程中任意一点的应力和载荷关系，建立了膨胀管膨胀过程中载荷、膨胀管的几何尺寸、材料性质、摩擦系数、膨胀工具几何结构之间的理论关系。(见第二章)2．采用有限元方法，模拟膨胀过程，对均匀和不均匀壁厚套管进行了模拟膨胀，给出了膨胀的尺寸差别，提出了要达到载荷最

7、小，最佳膨胀工具的半径锥角应该为120~150的结果，设计了膨胀接头和膨胀工具的结构，给出了膨胀接头最大应力的位置，给设计接头提供了依据。初步分析了含裂纹的膨胀管的应力状况，指出在裂纹处存在着高度应力集中，裂纹尖端区域是高应变的复杂应力状态，轴向贯穿裂纹附近的环向应力和轴向应力远大于径向应力，内压是这种工程缺陷最大的破坏因素。(见第三章、第四章、第五章)3．用实验的方法测试了膨胀管材料性能的变化和膨胀管的承载能力，给设计和使用膨胀管提供了实验依据；测定了膨胀管的残余应力，提出了膨胀管残余应力在轴截面上的分布形式，给出膨胀管内外表面的残余应力大小

8、方向都不相同的观点，该观点对研究膨胀管的承载能力十分的重要。试验的结果和模拟结果一致(见第六章)。4．理论研究的最终目的是工业应用，本论文的最大研究成