郭 強， 張德龍， 黃玉文， 翁 煒， 楊 鵬， 蔣 睿， 徐軍軍

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

在地勘鉆探過程中，經(jīng)常會遇到漏失、坍塌等復(fù)雜地層情況。為確保封堵目標地層后，避免出現(xiàn)井眼直徑減小，鉆井成本增加，甚至后期無法鉆達目的層等狀況，往往會采用可膨脹波紋管技術(shù)來封堵復(fù)雜地層[1-2]。它通過將可膨脹波紋管下放至目標層，通過水力膨脹將其貼緊井壁，再通過機械膨脹將其膨脹至需求尺寸，使其與井壁完全貼合，保證后續(xù)鉆進正常進行[3]。

在用可膨脹波紋管封堵地層過程中，膨脹工藝是整個封堵作業(yè)中的重要組成部分，而在膨脹工藝中，水力膨脹的優(yōu)劣直接影響后續(xù)相關(guān)工序能否正常進行，這對整個封堵結(jié)果至關(guān)重要[4-6]。因此，為了更好地完善可膨脹波紋管的膨脹工藝，有必要研究可膨脹波紋管在水力膨脹中的膨脹壓力、應(yīng)力應(yīng)變、徑向位移等相應(yīng)力學(xué)特性。

1 波紋管水力膨脹有限元分析

本項目旨在研究地質(zhì)勘探用小口徑可膨脹波紋管，最大外徑113 mm，壁厚6 mm，其相關(guān)截面參數(shù)如圖1所示。為了系統(tǒng)地研究波紋管在水力膨脹過程中的力學(xué)特性，項目組首先對可膨脹波紋管的水力膨脹過程進行有限元分析。

圖1 波紋管截面示意圖

1.1 有限元建模分析

鑒于波紋管截面關(guān)于軸對稱，故對波紋管膨脹過程進行有限元分析時，采用plane183單元類型，對其1/4截面進行有限元分析[7]?？膳蛎洸y管在水力膨脹過程中，管體發(fā)生大位移塑性形變，由于波紋管材質(zhì)各向同性，故其切變模量G如下[8]：

式中：E——彈性模量；μ——泊松比。

根據(jù)波紋管材質(zhì)力學(xué)性能，E=2.06 GPa，μ=0.3。

材料參數(shù)設(shè)定后，采用掃掠方式對其進行網(wǎng)格劃分，并添加位移約束。為模擬實際工況，施加在管內(nèi)的徑向載荷隨時間線性變化，且以管材截面應(yīng)力達到抗拉強度作為載荷終止條件，壓力增幅設(shè)定0.1 MPa/s[9]。

求解后獲得波紋管截面等效應(yīng)力云圖如圖2所示。由圖2(a)可以得出，波紋管截面凹槽(c點)兩側(cè)及凸棱(d點)內(nèi)側(cè)在水力膨脹過程中所受應(yīng)力較大，屬于危險截面點，在膨脹過程中應(yīng)實時監(jiān)測其應(yīng)力變化，以防發(fā)生管體脹裂[10]。圖2(b)直觀地反映了波紋管膨脹至極限位置時截面形狀及整個截面的等效應(yīng)力分布。

圖2 波紋管截面等效應(yīng)力云圖

1.2 有限元結(jié)論分析

波紋管水力膨脹過程中，c點的極限位置關(guān)系到波紋管后續(xù)機械膨脹的成功率，e點極限位置決定了管體與井壁之間的貼合度。圖3體現(xiàn)了波紋管這兩個關(guān)鍵點在膨脹過程中膨脹壓力與尺寸的對應(yīng)關(guān)系。波紋管的形變過程主要分為彈性形變和塑性形變，即Q1區(qū)和Q2區(qū)。在彈性形變區(qū)(Q1區(qū))，隨著管內(nèi)壓力不斷增加，波紋管管體開始發(fā)生彈性變形，截面尺寸與管內(nèi)壓力基本呈線性變化。當管內(nèi)壓力增加到臨界點S1時，此時管內(nèi)壓力為7.8 MPa，波紋管截面應(yīng)力達到自身屈服極限σs，開始發(fā)生塑性變形[7]。在塑性變形區(qū)(Q2區(qū))，當波紋管管內(nèi)壓力在8～12 MPa時，波紋管變形顯著，當管內(nèi)壓力處于12～16 MPa時，截面形變量逐漸減小，繼續(xù)增加管內(nèi)壓力直至其達到臨界點S2，此刻管內(nèi)壓力達到16.7 MPa，波紋管截面基本不再發(fā)生形變，截面應(yīng)力達到自身抗拉強度σb，即波紋管已膨脹到極限位置。當管內(nèi)壓力大于S2時，管體發(fā)生破裂。

圖3 波紋管截面關(guān)鍵點的膨脹壓力與尺寸對應(yīng)關(guān)系

綜上，波紋管的膨脹壓力為16.7 MPa。波紋管膨脹過程中，截面c點和d點兩側(cè)所受應(yīng)力相對較大，屬于危險截面點，在波紋管水力膨脹試驗中，這兩處最容易發(fā)生脹裂[11]。

2 波紋管水力膨脹試驗

基于上述有限元數(shù)值模擬結(jié)果，為了全面系統(tǒng)地了解波紋管水力膨脹過程中的力學(xué)性能，項目組采用了水力膨脹系統(tǒng)對波紋管進行室內(nèi)水力膨脹試驗。

2.1 波紋管水力膨脹系統(tǒng)

為了更好地模擬實際工況，針對波紋管水力膨脹試驗的功能需求，設(shè)計加工了波紋管室內(nèi)水力膨脹試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括試驗臺架、動力模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊等[9]，具體工作原理如圖4所示。

圖4 水力膨脹試驗系統(tǒng)工作原理圖

將波紋管通過夾持機構(gòu)固定于試驗臺架上，采用動力模塊對波紋管進行管內(nèi)打壓，使其逐漸膨脹，通過傳感器、應(yīng)變儀等采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，再將其采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析模塊進行結(jié)果分析，獲取波紋管水力膨脹過程中的相關(guān)力學(xué)特性，整個系統(tǒng)能夠?qū)Σy管水力膨脹過程實時在線數(shù)據(jù)監(jiān)測。此外該系統(tǒng)還配置了安全模塊，可以對膨脹過程中管體脹裂、焊縫泄露等故障進行報警[12-13]。整個水力膨脹系統(tǒng)實物如圖5所示。

圖5可膨脹波紋管水力膨脹試驗系統(tǒng)

Fig.5Hydraulic expansion test system of EPL

2.2 波紋管水力膨脹試驗

波紋管串進行水力膨脹時，先通過夾持裝置將其固定于試驗臺架上，根據(jù)管串位置在其兩側(cè)布置位移傳感器，并進行校零。采用潛水泵將波紋管注滿水后，啟動柱塞泵排凈高壓管線內(nèi)的空氣，把高壓管線快速接入波紋管打壓接口，重新對各項檢測數(shù)據(jù)進行校零。確保串口通訊正常后，方可進行波紋管串室內(nèi)水力膨脹試驗[14]。

初始目標壓力設(shè)為3 MPa，初始轉(zhuǎn)速設(shè)為100 r/min，壓力增幅約1 MPa/min，保壓時間≮5 min。通過對20根波紋管串進行室內(nèi)水力膨脹試驗，每組波紋管串就是由3根1 m的波紋管焊接組成，每組波紋管串在水力膨脹過程中的壓力變化均一致(如圖6所示)。從圖6中可以得出，波紋管的最終膨脹壓力為14.8 MPa，各階段的保壓時間均大于5 min，充分保證了波紋管的形變時間，整個試驗過程歷時215 min。由于高壓柱塞泵的打壓方式，決定了管內(nèi)壓力在升高過程中會產(chǎn)生短期快速增高的現(xiàn)象，即“激動”壓力。因此，水力膨脹壓力變化曲線會出現(xiàn)鋸齒狀增長[15]。

圖6 波紋管水力膨脹過程壓力值

當波紋管所受應(yīng)力超過自身屈服強度，其截面開始發(fā)生塑性形變。通過可伸縮接觸式位移傳感器測量管串截面關(guān)鍵點(圖2中的c點)的位移形變，為更好地反應(yīng)管串截面關(guān)鍵點的位移變化規(guī)律，以一節(jié)波紋管的中間部位截面為例，膨脹后的波紋管截面關(guān)鍵點的尺寸變化如圖7所示。由圖7可以得出，當壓力>2 MPa時，波紋管截面開始發(fā)生塑性形變；壓力處于3～9 MPa時，波紋管截面尺寸增速較大，變化明顯；壓力>9 MPa時，波紋管截面參數(shù)變化趨緩，波紋管在14 MPa與15 MPa時，截面尺寸未發(fā)生變化，說明波紋管的膨脹壓力為14 MPa[16]。

波紋管在水力膨脹過程中，除管體截面危險點外，管串焊縫處所受應(yīng)力應(yīng)變也較大。為保證焊縫強度，降低現(xiàn)場操作要求，波紋管串采用“氬弧焊(打底)+普通手工電弧焊(蓋面)”組合的焊接工藝連接。焊接完成后，采用探傷儀對焊縫質(zhì)量進行檢測，保證焊縫內(nèi)部無氣孔、夾渣等缺陷。上述20組波紋管串水力膨脹試驗中，均未出現(xiàn)焊縫脹裂現(xiàn)象，說明了波紋管串焊縫強度足夠，焊接工藝可行[17-19]。

圖7 水力膨脹中波紋管截面關(guān)鍵點尺寸變化

由于每組波紋管串膨脹前后的外形尺寸基本一致，選取每組波紋管串中間節(jié)波紋管不同截面處關(guān)鍵點水力膨脹后的外形尺寸進行對比分析，取點位置如圖8所示。圖中，A、E為焊縫截面，B截面與焊縫截面A相距20 cm，D截面與焊縫截面E相距20 cm ，C截面位于波紋管中間截面。

圖8 波紋管串中間節(jié)不同截面位置

波紋管水力膨脹后的截面尺寸如表1所示。根據(jù)表中實測數(shù)據(jù)，可以得出波紋管水力膨脹后的截面最大外徑均值Xmax為136.98 mm，最小外徑均值Xmin為104.58 mm。波紋管水力膨脹后，要采用“三滾輪脹管器+低摩擦脹管器+球形脹管器”的工具組合進行三級機械膨脹[20-22]。其中，三滾輪脹管器用作首級機械膨脹，其下端錐面最小尺寸為90 mm，故要求波紋管串水力膨脹后的最小內(nèi)徑要大于該尺寸，脹管器才能有效工作。從表1可以看出波紋管各截面水力膨脹后的最小內(nèi)徑均大于90 mm，滿足管串后續(xù)機械膨脹的尺寸要求。

表1 波紋管選取截面外徑尺寸

波紋管水力膨脹前后的實物截面對比如圖9所示。

圖9 水力膨脹前后波紋管截面對比圖

3 結(jié)果對比分析

通過將波紋管水力膨脹有限元數(shù)值模擬結(jié)果與波紋管室內(nèi)試驗結(jié)果進行對比分析，可以看出，二者雖然在波紋管各階段的形變壓力區(qū)間存在差異，但波紋管整體形變趨勢相同。波紋管水力膨脹有限元分析的彈性形變壓力區(qū)間為0～6 MPa，塑性變形壓力區(qū)間為6～16.5 MPa。室內(nèi)試驗的彈性形變壓力區(qū)間為0～2.5 MPa，塑性變形區(qū)間為2.5～14 MPa。造成此差異的原因除了有限元分析時選取的單元類型、邊界條件等因素外，管材自身的材質(zhì)缺陷、熱處理方式對管材力學(xué)性能的影響、試驗條件的設(shè)置等外界因素均會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。基于二者波紋管整體形變趨勢的一致性，進一步表明了波紋管數(shù)值模擬方法的可行性與準確性，同時為后續(xù)波紋管水力膨脹試驗中完善參數(shù)設(shè)置，改進試驗條件等提供了理論支撐[23-24]。

由上述數(shù)值模擬及試驗結(jié)果可知，波紋管的膨脹壓力為14 MPa，當管內(nèi)壓力>2.5 MPa時，管體開始發(fā)生塑性變形；當壓力處于3～9 MPa時，波紋管的形變速率加快，截面參數(shù)變化明顯；繼續(xù)增大壓力至14 MPa時，波紋管截面尺寸變化緩慢。當膨脹壓力>14 MPa時，管串截面不再發(fā)生變化，說明波紋管串的膨脹壓力約為14 MPa，這對鉆探現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)配置提出了初步要求[25]。

4 結(jié)論

(1)基于可膨脹波紋管數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果基本一致，說明波紋管有限元分析方法可行，室內(nèi)水力膨脹試驗系統(tǒng)能滿足實際需求。

(2)可膨脹波紋管水力膨脹壓力為14 MPa，波紋管水力膨脹后的截面尺寸最大外徑均值為136.98 mm，最小外徑均值為104.58 mm，滿足機械膨脹中脹管器對管串的截面尺寸要求。

(3)通過多次可膨脹波紋管水力膨脹試驗，確定了波紋管水力膨脹中的力學(xué)特性曲線，為可膨脹波紋管野外試驗及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。