分瓣式整形器對高鋼級套管修復力研究

針對井下套管變形問題，勝利油田采用高強度、抗壓能力強的TP140V高鋼級套管進行井下作業，但變形后的TP140V高鋼級套管回彈率高，使用常規整形工具易造成遇卡。分瓣式整形器可以有效避免上述問題。為此，通過有限元模擬仿真與室內試驗相結合的方法，針對壁厚為9.17 mm、外徑為139.7 mm（5.5 in）的TP140V高鋼級縮徑套管，探究摩擦因數、單次整形量及套管材料對分瓣式整形器整形的影響規律。研究結果表明：隨著套管和分瓣式整形器之間摩擦因數的增大，最大修復力也增大，近似成線性關系；單次整形量較小時整形所需修復力較小且修復力變化平穩，建議單次整形量為2 mm；套管材料屈服強度越大，整形修復力越大、修復量越小，且變形套管縮徑程度越大，變化越明顯。所得結論可為分瓣式整形器現場施工提供理論指導。

高鋼級套管；分瓣式整形器；縮徑變形；修復力；單次整形量；摩擦因數；延伸率

中圖分類號：TE931

文獻標識碼：A

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.018

基金項目：山東省自然科學基金項目“基于鉆柱振動與巖石破碎耦合的鉆頭破巖工況智能表征”（ZR2023ME022）。

Repair Force of Split Shaper on High Grade Casing

Shi Yuzhao

（Sinopec Shengli Oilfield Service Corporation）

High compressive strength TP140V high grade casing has been used in Shengli Oilfield to avoid deformation of downhole casing.However，when the TP140V high grade casing deforms，it has high rebound rate，the conventional shaper is easily stuck.The split shaper can effectively avoid the above problem.Taking the TP140V high grade necking casing with a wall thickness of 9.17 mm and an outer diameter of 139.7 mm （5.5 in） as the research object，the finite element simulation and laboratory test combination method was used to explore the influence of friction factor，single shaping amount and casing material on the shaping of split shaper.The research results show that as the friction factor between the casing and the split shaper increases，the maximum repair force also increases，approximately in a linear relationship.When the single shaping amount is small，the repair force required for shaping is small and the change in repair force is stable.The single shaping amount is recommended to be 2 mm.The higher the yield strength of the casing material，the greater the repair force of shaping，the smaller the repair amount，and the greater the necking degree of the deformed casing，the more obvious the changes are.The conclusions provide theoretical guidance for the field operation of split shapers.

high grade casing；split shaper；necking deformation；repair force；single shaping amount；friction factor；extensibility

0" 引" 言

由于井下環境復雜，套管在工作過程中容易產生損壞。套管常出現的損壞類型有套管變形、錯斷、腐蝕等［1-8］，會導致作業工具不能順利下入井內，從而使油井不能正常工作，嚴重影響生產效率，甚至導致油井報廢［9-12］。為了減少套管的損壞，勝利油田采用高強度、抗壓能力強的TP140V高鋼級套管進行井下作業，但變形后的TP140V套管整形難度大、整形修復率低，容易出現回彈現象。

史玉釗：分瓣式整形器對高鋼級套管修復力研究

目前，關于錐形整形器修復常規套管變形研究很多，但針對分瓣式整形器及TP140V套管整形研究較少。李增亮等［13］采用有限元方法分析，發現考慮殘余應力的套管整形修復尺寸界限與試驗結果更接近；林元華等［14］采用錐形整形器對C110鋼級變形套管進行整形試驗分析，得到了錐形整形器外徑與整形力、變形套管的回彈量、錐形整形器的磨損量之間的關系；秦杜［15］運用有限元方法模擬小錐度整形器修復變形套管過程，確定套管整形過程中最小修復界限以及修復力；孔建兵［16］等采用ABAQUS軟件對套管殘余應力進行數值模擬，結果表明，套管整形后環向殘余應力數值呈波動趨勢，且波動幅度隨工具錐角的增大而減小；翟曉鵬等［17］利用LS-DYNA軟件分析史密斯膨脹錐的整形沖擊過程，結果表明，屈服強度和工程需求內徑是決定膨脹錐整形臨界指標的主要因素。

以上研究大多數都是基于錐形整形器，而對分瓣式整形器的研究并不多。由于整形高鋼級套管時整形器容易出現遇卡問題，需要分瓣式整形器來進行整形修復。因此需開展分瓣式整形器對高鋼級套管修復力研究。為此，筆者利用ANSYS有限元軟件，在彈塑性理論基礎上，建立變形套管整形非線性接觸三維有限元模型，分析分瓣式整形器與TP140V套管之間摩擦因數、單次整形量、套管材料對整形修復力的影響，以期為現場套管整形提供理論參考。

1" 物理模型

1.1" TP140V套管性能參數

當套管發生縮徑后，變形為非均勻塑性變形，為了更加準確地描述物體的力學性質，應采用材料的真應力和真應變數據［18］。通過以下公式可得到材料的真實應力和應變數據。

σT=FA=σA0A=σL2L0-L=σ（L0+ΔL）L0-ΔL=σ（1+ε）1-ε（1）

εT=∫LL0dLL=lnLL0=lnL0+ΔLL0=ln（1+ε）（2）

式中：σT為材料的真實應力，Pa；εT為材料的真實應變；F為拉力，N；A為瞬時截面積，m2；σ為工程應力，Pa；ε為工程應變；A0為初始截面積，m2；L0為原始標距，m；L為標距，m；ΔL為伸長量，m。

因此，對應力應變曲線的數據按照上式進行處理，通過Hollomon方程即可得到TP140V套管的真應力應變曲線［19］。套管整形是一種高度的非線性行為，采用ANSYS有限元軟件中的多線性等向強化模型可以更準確地反映材料整形過程中的真實情況，如圖1所示。TP140V套管壁厚為9.17 mm，外徑139.7 mm，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強度965 MPa，抗拉強度1 165 MPa。

1.2" 分瓣式整形器的結構設計

分瓣式整形器結構如圖2所示，其主要結構參數有：整形器頭部長度L1、分瓣式外錐體長度L2、推塊活動長度L3、推塊外部長度L4、整形器錐度α、分瓣式外錐體頭部直徑D1、分瓣式外錐體尾部直徑D2。與普通錐形整形器相比，分瓣式整形器具有分瓣錐體結構，在液壓力的作用下內錐體的外錐面作用于分瓣外錐體內錐面，而分瓣外錐體的軸向運動受到主錐體的限制，故只能在主錐體內徑向移動設定的行程。分瓣式整形器在軸向液壓力的作用下將軸向作用力轉換為擴徑力對變形套管進行整形復位。結合分瓣式整形器結構原理，設計的整形器結構尺寸如下：整形器頭部長度70 mm、分瓣式外錐體長度150、推塊活動長度20 mm、推塊外部長度30 mm、整形器錐度25°、分瓣式外錐體頭部直徑100 mm、分瓣式外錐體尾部直徑114 mm。

1.3" 有限元模型的建立

套管在井下時刻處于地應力、作業應力等多載荷共同作用的復雜環境下，容易出現套管縮徑變形從而產生初始殘余應力。初始殘余應力對縮徑變形套管整形效果有較大的影響，因此在進行套管整形分析時應考慮這部分殘余應力。有限元模型建立時，對套管中間段施加圍壓p，在圍壓的作用下，套管產生縮徑變形，通過改變圍壓的大小即可獲得不同縮徑程度的縮徑變形套管。圖3為套管受壓前后示意圖。

1.4" 邊界條件及網格劃分

套管在井下受力情況復雜。由于外界因素，套管水泥環和周圍的地層結構受損，結構發生變化，無法準確描述受損水泥環和地層的材料特征。因此，在仿真模擬的過程中，忽略水泥環和底層對井下套管的影響，并進行如下假設：

①假設套管為縮徑變形，且在整形過程中整形器與套管時刻充分接觸；

②假設套管在整形過程中產生的熱量不影響套管的材料特性；

③假設整形器為剛性，在整形過程中不發生變形。

建立分瓣式整形器和縮徑變形套管有限元模型時，忽略結構中一些非主要影響因素的零件，將變形套管和整形器簡化為圖4所示模型。

分瓣式整形器邊界條件：對整形器尾部施加軸向遠程位移載荷，使整形器在整形過程中為軸向水平運動，其徑向位移為0。

縮徑變形套管邊界條件：由于整形器在水平運動過程中只與套管變形部位發生作用，對套管軸向運動無影響，所以對套管兩端施加固定約束。

通過Meshing對滾珠整形器進行分化。由于分瓣式整形器與套管變形部位的相互作用為分析的重點，所以在變形部位網格最小尺寸為2 mm，遠離變形部位網格尺寸為8 mm。

2" 修復力因素影響分析

分瓣式整形器在整形過程中受到套管和整形器之間摩擦因數、單次整形量、套管材料的影響，通過已經建立的仿真模型，分析以上幾種因素對變形套管整形修復的影響。

2.1" 摩擦因數對修復力的影響

在進行整形修復時，整形器需要克服與變形套管進行相對運動時表面的摩擦力，所以修復力受摩擦力的影響很大。研究摩擦因數對修復力的影響可以為整形修復提供理論依據。

常溫下不同鋼級的摩擦因數范圍在0.06～0.20之間，選取此范圍內的摩擦因數對TP140V套管進行有限元分析，分別選用摩擦因數為0.06、0.10、0.15、0.20進行整形修復，得到摩擦因數對修復力的影響規律，如圖5所示。

由圖5可以看出：在14載荷步時，整形器與套管變形部位開始接觸，此時整形器所需的修復力迅速增大；隨著整形器的不斷前進，修復力以一定的斜率上升，且摩擦因數越大，上升的斜率越大；當到達33載荷步左右時，修復力在一定范圍內上下浮動，變化平緩。這是因為整形器的錐角部分完全通過套管變形處時，整形器主要受到與套管相對運動的摩擦力，所以修復力比較穩定。摩擦因數為0.06時整形器所需的最大修復力為171.5 kN，且修復力變化平緩；摩擦因數為0.20時整形器所需的最大修復力約為723.4 kN，相比摩擦因數為0.06時增長322%，且修復力變化波動較大。

圖6為摩擦因數與最大修復力、最大應力曲線。通過6圖可以看出：隨著摩擦因數的增大，最大修復力也增大，近似成線性關系；套管應力接近1 000 MPa，介于屈服強度和抗拉強度之間，幾乎不發生改變。其主要原因是套管的應力與受到的徑向力有關，套管受到的徑向力幾乎不變，所以套管的最大應力幾乎不發生變化。因此在現場施工時，可以通過減小整形器和套管之間的摩擦因數減小修復力。建議進行摩擦因數測試選擇整形器材料，當整形器采用經過DLC處理后的35CrMo材質時，與套管的摩擦因數約為0.06；施工作業時增加潤滑劑，以減小修復力的波動。

2.2" 單次整形量對修復力的影響

同錐形整形器一樣，分瓣式整形器進行整形修復時，需采用多種規格尺寸依次對變形套管進行整形。當采用不同外徑的整形器時，所對應的單次整形量也不同。單次整形量會影響整形的效率、修復力，因此進行單次整形量的分析。

為分析不同單次整形量與套管修復力的關系，保持其他參數不變，變形套管的內徑為106 mm，分別下入直徑為108、110、112和114 mm的整形器，其對應的單次整形量分別為2、4、6和8 mm。有限元分析結果如圖7所示。

由圖7可得，外徑為114、112、110、108 mm的整形器分別在第6、9、12、17載荷步時修復力迅速增大。其原因是外徑為114 mm的整形器最先與套管變形部位接觸，外徑為108 mm的整形器最后與套管變形部位接觸。隨著整形器的前進，先增大后減小，最后在一定范圍內波動。當單次整形量為2 mm時，所需的修復力最小且修復力在整個過程中變化較平穩。當單次整形量為4、6、8 mm時，所需修復力較大且波動范圍大。建議選擇單次整形量為2 mm。

2.3" 套管材料對修復力的影響

套管變形包括塑性變形和彈性變形，受彈性變形影響，套管會存在一定程度的回彈，回彈量越小，說明材料可塑性越好。位移云圖在一定程度上可以反映整形器的整形效果，位移量越大，說明整形效果越好。分析TP140V、P110和N80材料在不同縮徑程度下的整形量及回彈量，結果如圖8和圖9所示。

由圖8可知，不同套管材料回彈效果有所差異，相比之下，TP140V套管的整形量最小，N80套管的整形量最大。其原因是N80材料的延伸率大，可塑性最強；TP140V材料的延伸率小，可塑性最弱。

由圖9可得出，隨著變形程度的減小，整形完成后套管的回彈量呈遞增趨勢，N80變化最明顯，TP140V變化最不明顯。TP140V的回彈量比N80和P110增加了13.6%～36.2%，且套管變形程度越大回彈量相差越多。針對以上情況，需準確計算整形時所需的修復力，減小出現整形失敗的情況。取單次整形量為2 mm，對縮徑到106、108、112 mm的3種材料的修復力進行有限元分析，結果如圖10和表1所示。

由圖10可以看出：TP140V套管的修復力大于P110套管和N80套管；變形處套管內徑為106 mm時，整形TP140V套管所需修復力與N80套管相比增長86.5%，與P110套管相比增長44.8%；變形處套管內徑為108 mm時，整形TP140V套管所需修復力與N80套管相比增長85.1%，與P110套管相比增長47.3%；變形處套管內徑為112 mm時，整形TP140V套管所需修復力與N80套管相比增長77.4%，與P110套管相比增長45.9%。其原因是TP140V強度大，變形處產生的徑向力大，從而在整形時的摩擦力大于P110和N80套管產生的摩擦力。

3" 室內試驗

室內試驗分為壓扁試驗和整形試驗2部分。首先利用液壓壓力試驗機對套管壓扁到預期尺寸，再利用拉壓試驗機對變形套管進行整形修復。

3.1" 壓扁試驗

對TP140V鋼級、壁厚9.17 mm的139.7 mm（5.5 in）套管進行壓扁試驗。試驗的主要設備包括液壓試驗機、YE2533靜態應變儀、靜態應變片、導線和壁厚9.17 mm的139.7 mm TP140V鋼級套管。試驗流程如圖11所示。

液壓整形試驗機逐級加壓，當壓力加載到220 kN時，套管內徑約為112 mm。

3.2" 整形試驗

在各級載荷加載和卸載的過程中采用液壓套管整形工藝技術，采用螺栓連接將變形套管的下部固定，采用螺栓連接將直徑為114 mm 的分瓣式整形器尾部固定到液壓機上，并將應變片粘貼到整形器尾部以及套管變形處。通過拉壓試驗機將分瓣式整形器擠入變形套管中，穩壓時間為5 min。整形過程中，分瓣式整形器施加軸向修復力為552 kN。整形后，測得套管內徑為113.1 mm，縮徑變形套管未出現破裂。變形套管整形過程如圖12所示。

試驗與有限元結果對比如表2所示。由表2可知：套管軸向修復力有限元解為534.6 kN，小于試驗值，仿真結果與試驗結果相對誤差為3.2%；套管徑向位移有限元解為1.37 mm，比試驗值偏大，相對誤差為24.5%。有限元分析與試驗結果出現相對誤差可能有以下2點原因：

（1）在修復過程中分瓣式整形器的軸線并未與套管軸線重合，導致整形器未找正。

（2）有限元仿真與現場試驗過程中的摩擦因數存在差別。

4" 結論與建議

（1）針對TP140V高鋼級套管，隨著摩擦因數的增大，最大修復力也增大，近似成線性關系。建議采取表面處理或增加潤滑劑的方式以減小套管和整形器之間的摩擦因數，減小修復力的波動，降低對套管的損害。

（2）采用分瓣式整形器對變形套管進行分析時，單次整形量較小時整形所需修復力較小且修復力變化平穩，建議單次整形量為2 mm。

（3）隨屈服強度的增加，套管整形所需的修復力增大，修復量減小。套管縮徑到106～112 mm時，TP140V套管所需修復力要大于N80套管和P110套管，增大程度在44.8%～86.5%，且變形套管縮徑程度越大，修復力相差越明顯。

（4）套管整形后的回彈量與材料的延伸率有關，材料延伸率越小，套管回彈量越大。

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史玉釗，高級工程師，生于1985年，2017年畢業于長江大學石油工程專業，獲碩士學位，現從事油田井下作業的技術及管理工作。地址：（257077）山東省東營市。email：17866634313@163.com。2024-08-01劉" 鋒