膨胀管膨胀后的强度分析

作     者：孔德涛 

作者单位：西安石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建兵

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 

主      题：膨胀套管 包辛格效应 残余应力 挤毁强度 

摘      要：膨胀套管技术是近年来石油工程领域出现的重大新技术,可用于套管腐蚀处修补和复杂地层尾管封堵。套管膨胀后的挤毁强度显著下降是制约膨胀套管技术发展最主要的因素,其中套管材料的包辛格效应、膨胀产生的残余应力和初始几何缺陷的增大是膨胀套管挤毁强度最主要的影响因素。本文采用LS-dyna显式动力学分析方法,以双线性随动强化模型为基础,对工程中常用的L80钢级Φ139.7mm×9.17mm套管的膨胀及挤毁失效过程进行了非线性分析,得到了10%～30%膨胀率下套管材料的包辛格效应、残余应力分布规律和管体挤毁强度数值,以及膨胀套管挤毁失效危险点的应力状态,为研究膨胀套管失效机理和实际工程应用提供参考。论文的主要结论如下:(1)套管膨胀后的挤毁强度下降,且下降幅度随着膨胀率的增加而增加,当膨胀率达到30%时,套管的挤毁强度相对于膨胀前下降了56%,套管膨胀后材料的包辛格效应及收缩残余应力是导致其挤毁强度下降的主要原因。(2)套管膨胀后材料的包辛格效应导致套管材料的环向压缩屈服强度降低,且包辛格效应值沿着壁厚方向由内至外逐渐减小。套管材料的环向压缩屈服强度与膨胀率成反比,当膨胀率为30%时,套管内壁和外壁材料的环向压缩屈服强度由552MPa分别下降至202MPa和282MPa。(3)套管膨胀后套管内壁和外壁具有不同方向的环向残余应力,内壁环向残余应力为拉应力,外壁环向残余应力为压应力。管体环向平均残余应力整体表现为压应力,且随着膨胀率的增加而增加。管体内的等效应力沿着套管壁厚方向由内至外逐渐增加,其数值最大可到套管材料屈服强度的70%。(4)与普通套管发生挤毁时危险点位于内壁不同,膨胀套管的危险点位于套管外壁,且在套管内壁和外壁处形成两个塑性区。残余应力和包辛格效应对膨胀套管挤毁强度的影响机理不同,残余应力是提高了管体内初始应力的下限,而包辛格效应是降低了套管材料的屈服强度上限。