变形套管扩张式整形修复机理及回弹特性

王江; 何霞; 钟林; 王国荣; 张林锋; 牛笛

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505573

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (17) :7222-7229 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505573

石油、天然气工业

变形套管扩张式整形修复机理及回弹特性

王江 ¹^,² ,
何霞 ¹^,²^,^* ,
钟林 ¹^,² ,
王国荣 ¹^,² ,
张林锋 ¹^,² ,
牛笛 ¹^,²

作者信息 +

Mechanism and Springback Characteristics of Deformed Casing Expanded Reshaping Repair

WANG Jiang ¹^,² ,
HE Xia ¹^,²^,^* ,
ZHONG Lin ¹^,² ,
WANG Guo-rong ¹^,² ,
ZHANG Lin-feng ¹^,² ,
NIU Di ¹^,²

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摘要

随着油气井长期开采,地层压力释放导致地层应力发生变化,引起套管发生一系列局部凹陷、缩径和椭圆形变形等套管变形问题,严重影响油气开采,造成巨大的经济损失。基于此,设计了变形套管扩张式整形器,该工具能够将轴向力高效地转化为径向扩张力以达到套管修复的目的,然而,整形修复过程中套管会发生不可避免的回弹现象,且无法通过工具直接测量回弹量。为了评价该工具对变形套管的整形效果及套管的回弹特性,在Abaqus软件中建立变形套管扩张式整形修复的有限元模型,对变形套管进行整形修复,以Q125钢级,Ф139.7 mm×12.7 mm(5 1/2″)套管为例,定量分析了扩张式整形器对变形套管整形的修复量及回弹量的大小。研究表明:扩张式整形器以最大30 t的轴向力作用三次,便可使整形工具通过最小通径处,变形套管由98.26 mm扩大到105.72 mm;实验与模型的误差仅为8%;整形效果理想,且建立的该模型能够较为准确地模拟套管整形的修复及回弹过程,为工具结构优化和工艺参数设计提供了理论依据,对提高油气井修复效率具有一定工程指导价值。

Abstract

With the long-term exploitation of oil and gas wells, the release of formation pressure leads to changes in formation stress, causing a series of casing deformation problems such as localized depression, shrinkage, and elliptical deformation. These issues seriously affect oil and gas production and result in significant economic losses. To address this, an expansion-type casing shaper has been designed. This tool efficiently converts axial force into radial expansion force to repair deformed casings. However, casing rebound is inevitable during the shaping and repair process, and the rebound amount cannot be directly measured by the tool. To evaluate the effectiveness of the tool in repairing deformed casings and to study the rebound characteristics, a finite element model of the expansion-type casing shaping and repair process was established in Abaqus software. Using a Q125 steel grade, Ф139.7 mm × 12.7 mm (5 1/2″) casing as an example, the repair amount and rebound amount of the deformed casing were quantitatively analyzed. The results show that when the expansion-type shaper applies a maximum axial force of 30 t three times, the tool can pass through the narrowest diameter, expanding the deformed casing from 98.26 mm to 105.72 mm. The error between the experimental data and the model is only 8%, indicating an ideal shaping effect. The established model can accurately simulate the repair and rebound process of casing shaping, providing a theoretical basis for optimizing the tool’s structure and designing process parameters. This research has significant engineering guidance value for improving the efficiency of oil and gas well repair.

Graphical abstract

关键词

扩张式整形器 / 变形套管 / 试验分析 / 数值模拟 / 修复效果 / 套管回弹

Key words

expansion shaper / deformed casing / experimental analysis / numerical simulation / repair effect / casing rebound

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王江, 何霞, 钟林, 王国荣, 张林锋, 牛笛. 变形套管扩张式整形修复机理及回弹特性[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(17): 7222-7229 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505573

WANG Jiang, HE Xia, ZHONG Lin, WANG Guo-rong, ZHANG Lin-feng, NIU Di. Mechanism and Springback Characteristics of Deformed Casing Expanded Reshaping Repair[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(17): 7222-7229 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505573

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川渝地区页岩气在中国能源结构中具有战略性地位,该地层特征表明,储层的岩石气动力学和物理性质与北美页岩盆地有很大不同,川渝地区应力的各向异性要比北美盆地严重得多,这些地层性质的差异给该地区的开发带来了许多挑战^[1]。复杂的地层性质以及油气井高强度的循环作业导致套管易发生一系列的变形、错断、破裂等套管损伤问题,制约了油气井正常压裂、补孔等增产作业工艺的施工进程^[2],严重影响了油气井的开采速率和采收率,造成了巨大的经济损失。目前套损井逐年增多,套损井的主要失效形式为局部凹陷变形、缩径变形和椭圆形变形^[3],据不完全统计,2021年8月—2024年11月,中石油川渝地区页岩油气压裂施工的596口井中,有183口井发生套变,整体套变率为30.7%,泸县、自贡区块套变更为严重,整体套变率50.4%和51.6%,油气井套管损坏后的修复成为油气井技术发展的一个关键因素。

为研究地层应力发生变化导致的套管变形问题,需先从现有的研究方案入手,初步认识套管变形,然后针对性地调研地层应力导致的套管变形问题,自20世纪90年代起,关于套管整形的研究有很多^[4-6],周刚等^[7]采用高强度合金钢滚珠胀头配合液压增力器对P110钢级的套管整形修复,取得了良好的修复效果;金传杰等^[8]运用有限元方法对缩径变形套管的滚压整形过程进行分析,发现对整形器施加适当转速可以使得套管内壁面扩径更加均匀,并得出轴向速度为1 mm/s对应的最佳转速为0.48 rad/s。李明飞等^[9]通过ABAQUS有限元软件对内置式纺锤形滚柱套管塑性整形工具进行模拟,结果表明该工具可重复使用,且各部件均未发生塑性变形,现场应用于N80钢级套管整形效果显著。当前的研究主要集中在锥形滚珠整形工具及其在N80、P110等较低钢级套管中的应用。为此,针对川渝地区高钢级缩径变形和椭圆形套变的井况环境研制了扩张式整形器,该工具整形时膨胀头扩张,整形结束后膨胀头回缩使直径变小,能够克服机械整形阻力大、易卡钻、整形工具下不到位等技术缺陷,该技术还具备修复更高钢级和更大壁厚套管的能力,有利于降低修井成本。现采用弹塑性有限元方法,建立变形套管扩张式整形的三维简化模型,研究该工具对变形套管的整形修复效果,进行相关实验验证,分析变形套管整形修复过程中套管的整形量以及回弹量,并对相关现象作出解释,开展相关实验对仿真分析结果进行验证,以期为扩张式整形器对套管整形修复研究提供一定参考指导作用。

1 扩张式整形器工作原理

整形前先由井径仪测出套变位置和变形处套管最小内径,选择一个尺寸略大于最小内径的扩张式整形器,将其连接在工具串末端。将工具串下入至套损位置,遇阻后由地面打压,使工具串内外腔形成一定压差,水力锚锚爪伸出并锚定在套管内壁上。然后利用液力加压器将地面压力转化为轴向机械推动力,作用在扩张式整形器的芯轴上,进而将推力传递至芯轴的锥体上,通过锥体将推力转化为径向扩张力,从而使工具实现径向扩张。经多次作用后,可将变形套管修复^[10],套管修复后,工具串无阻力,内腔就会泄压,同时水力锚锚爪也会收回。最后,整个装置可以上提取出或下放继续整形后续变形套管,其原理如图1所示。

2 套管整形弹塑性理论与分析

2.1 套管本构方程

在变形套管的本构模型设置中采用了弹塑性本构模型,当材料最大Mises应力小于其屈服强度时,采用线弹性本构,这种关系服从广义胡克定律^[11],在载荷加载和卸载过程中,应力与应变呈线性关系,且卸载后材料无残余应变,其表达式为

(1)σ_ij=C_ijklε_kl

式(1)中:σ_ij为应变;C_ijkl为四阶弹性张量;ε_kl为二阶弹性应变张量。

假设套管材料的线弹性为各向同性,其应力-应变关系为

(2) $\left[\begin{array}{l}{\sigma }_{11}\\ {\sigma }_{22}\\ {\sigma }_{33}\\ {\sigma }_{23}\\ {\sigma }_{13}\\ {\sigma }_{12}\end{array}\right]$ = $\left[\begin{array}{llllll}\lambda +2\mu & \lambda & \lambda & 0& 0& 0\\ \lambda & \lambda +2\mu & \lambda & 0& 0& 0\\ \lambda & \lambda & \lambda +2\mu & 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \mu & 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& \mu & 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& \mu \end{array}\right]\left[\begin{array}{l}{\epsilon }_{11}\\ {\epsilon }_{22}\\ {\epsilon }_{33}\\ 2{\epsilon }_{23}\\ 2{\epsilon }_{13}\\ 2{\epsilon }_{12}\end{array}\right]$

(3)λ= $\frac{E\nu }{(1+\nu )(1-2\nu )}$

(4)μ= $\frac{E}{2(1+\nu )}$

式中:λ为拉梅常数;μ为剪切模量,GPa;E为弹性模量,GPa;ν为泊松比。

当屈服函数的数值等于屈服应力时,材料是处于塑性变形还是弹性变形将由屈服函数的变化率决定。用冯·米塞斯屈服函数^[12]可以表示为

(5)f=$\stackrel{-}{\sigma }$-σ_y

式(5)中:$\stackrel{-}{\sigma }$为屈服函数;σ_y为屈服应力。

当材料进入塑性变形阶段后,变形套管的本构关系转为塑性本构模型,过去塑性本构通常不考虑应力状态的影响,然而近年来研究发现应力状态对流动应力有着重要影响,Bai等^[13-14]通过研究拟合出了应力状态(应力三轴度和罗德角)依赖的幂指数本构模型,表达式为

(6)$\stackrel{-}{\sigma }$=A${\stackrel{-}{\epsilon }}^{n}$[1-c_η(η-η₀)][${{c}^{\mathrm{s}}}_{\theta }$+(${c}_{\theta }^{\mathrm{a}\mathrm{x}}$-${{c}^{\mathrm{s}}}_{\theta }$)γ]

(7) ${c}_{\theta }^{\mathrm{a}\mathrm{x}}$ = $\left\{\begin{array}{l}1,\mathrm{ }\stackrel{-}{\theta }\ge 0\\ {{c}^{\mathrm{c}}}_{\theta },\mathrm{ }\stackrel{-}{\theta }<0\end{array}\right.$

(8)γ= $\frac{\sqrt{3}}{2-\sqrt{3}}\left(\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{c}\frac{\mathrm{\pi }}{6}\stackrel{-}{\theta }-1\right)$

式中:A为材料参数;η为应变强化指数;c_η为静水压力对材料塑性影响参数;η₀为依照实验的应力三轴度的参考值;${{c}^{\mathrm{s}}}_{\theta }$和${{c}^{\mathrm{c}}}_{\theta }$分别为描述材料塑性的压力依赖性和罗德角依赖性参数;$\stackrel{-}{\theta }$为平均罗德角,(°);γ为Mises和Tresca在偏应力平面上的差值。主应力空间的三种坐标系如图2所示。

套管整形过程中,当套管的最大Mises应力大于材料的屈服强度时,材料进入塑性变形阶段,即此时套管本构为塑性本构。

2.2 套管整形理论力学分析

根据扩张式整形器的工作原理,该工具对于缩径变形和椭圆形套变最为有效,变形套管的实际变形形状是多种多样且不规则的,为了提供一个具有一定代表意义的力学计算公式,将套管变形形态简化为规则形态,使整形工具与变形套管的接触为中心对称的两个点,对此作出图3所示受力分析。

扩张式整形工具受力分析如图3所示,关系式可表示为

(9)F_N1=F_N2=0.5 $\frac{{F}_{\mathrm{V}}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta }$

(10)F₁=F₂=0.5 $\frac{{F}_{\mathrm{V}}}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\theta }$

(11)F=2F₁=2F₂= $\frac{{F}_{\mathrm{V}}}{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\theta }$

可得,径向扩张力F受θ的变化影响较大,如表1所示。

表1中,θ由套管变形量决定,由此可知,即使套管变形量较大,θ取30°时,扩张式整形器仍可以很好地将轴向力转化为径向扩张力且为轴向力的1.73倍,可以很好地实现整形目的且达到Q125钢级套管的整形要求。

3 套管整形有限元模型

依据以上套管弹塑性变形本构和理论力学分析,为了进一步研究扩张式整形器对变形套管的整形修复效果,在Abaqus软件中建立了变形套管扩张式整形的三维模型,为了提高有限元的计算效率,同时更好地对套管整形效果进行分析,做出如下假设。

(1)整形前套管的强度参数未发生变化,且整形过程中材料参数不发生变化,即不发生加工硬化,屈服应力也不会随着套管的塑性变形而改变^[15]。

(2)套管变形前后套管厚度均匀无缺陷。

(3)套管、扩张式整形器材料均各向同性且忽略温度的影响。

为了得到带有残余应力的变形套管,在Abaqus中采用两个大小相同的物块对套管进行挤压,图4为变形套管的有限元模型和实物对比图。其中套管规格为Ф139.7 mm×12.7 mm(5 1/2″),套管总长取2 000 mm,挤压后套管最小内径为98.26 mm,套管材料为Q125,性能参数如表2所示。

变形套管扩张式整形非线性接触三维有限元模型如图5所示,采用三维实体单元进行建模,套管和扩张式整形器均采用8节点线性缩减积分实体单元(C3D8R)并设置沙漏控制,约束套管两端所有自由度,扩张式整形器仅释放轴向自由度,通过刚体约束将芯轴所有节点与参考点耦合,简化为刚体部件,在扩张式整形器和套管内壁间建立摩擦接触,摩擦因数取0.28^[17],按照套管整形工艺原理,在芯轴参考点施加30 t的集中力轴向载荷,通过幅值曲线控制准静态加载,若整形工具未能通过变形位置,则将前一工况下的套管变形结果作为下一次整形的初始状态,整形工具以同样的加载方式继续整形,直至工具通过套变位置。

4 实验设计

4.1 实验装置及方法

实验套管与仿真模拟保持一致,仍选用规格为Ф139.7 mm×12.7 mm(5 1/2″),长度为2 000 mm,钢级为Q125,用液压机将套管压至变形,由于套变位置处于较深的圆筒内,无法直接测得套管变形处最小内径,为了简化实验,姑且认为套管变形前后壁厚未发生变化,采用直接测量变形处套管外径,然后用外径减去两个壁厚即为内径的方法,取套管变形位置总长为120 mm,将长度离散细化为8段,每段水平长度为15 mm,套管标记如图6所示,测得该变形套管整形前的初始数据如表3所示,记录整形后该数据的变化,进而判断整形效果。

为了验证扩张式整形器对变形套管的整形效果,用液压实验工装对变形套管进行整形实验,如图7所示,实验工装由压力控制系统控制扩张式整形器的轴向力。将最大外径为105 mm的扩张式整形器以3 t为进给量逐级加压直至最大30 t,对套管变形位置进行整形修复,若轴向力加到30 t,工具仍未穿过变形套管便拔出工具,重复上述操作直至工具通过变形套管,每次整形均记录并分析套管整形修复量及整形效果。由于实验条件的限制,实验过程中无法直接追踪套管修复及回弹过程,将记录整形结束后套管最终变形量,以此来判定扩张式整形器整形修复效果及间接验证套管整形修复模型的可靠性。

4.2 实验与套管整形模型结果对比

在套管整形的有限元模型中,选取与实验标记相同尺寸、相同间隔大小的标记点,输出对应的历程变化,对其结果进行验证分析。实验和仿真模型均显示为工具整形第3次穿过变形套管,变形套管整形前后的最小通径截面及现场实验结果如图8所示,经3次整形修复后的数值模拟与实验结果如图9所示,室内整形实验修复量为7.46 mm,数值模型的整形修复量为8.1 mm,仿真计算所得相对误差仅为8%,表明理论设计实验所得模型计算相对准确。

初步结果表明,与传统的旋压整形器^[4]相比,扩张式整形所针对的套管钢级更高,而修复效果更好,说明扩张式整形器对于变形套管的整形修复效果良好,变形套管整形前后的截面显示,该工具可将变形套管的最小通径由98.26 mm修复至105.72 mm。

4.3 套管整形修复及回弹分析

变形套管整形修复后,套管截面随整形次数增加而得到的整形效果如图10所示,可以看出,在扩张式整形器的作用下,变形套管的最小通径随整形次数的增加逐渐增大。

在套管整形修复模型中,由于变形套管上下侧的变形量不一致,整形修复过程中受力情况也会有所不同,因而修复量和回弹量也会有所差异,因整形工具整形时置于套管内侧,所以上下两侧的修复方向相反,取上侧的修复方向为正,下侧的修复方向为负,其修复量如图11所示,三次整形修复过程中,最小通径处的变形套管两侧一共分别修复了3.8、1.44、2.86 mm,其中上下两侧的实际整形量和修复后套管的回弹量具体结果如表4所示,结果表明,变形套管整形修复后的回弹不可避免,且回弹量较大,即套管修复过程中拟修复量由套管的弹性变形和塑性变形两部分组成,弹性变形量即为回弹量,塑性变形即为实际整形量。

由表4可知,在相同大小的轴向力作用下,变形套管的回弹量差异较小,而实际修复量有较大的差异,套管整形后的局部几何形状和应力分布可能存在差异,导致工具对套管的实际修复效果不一致,表现出非线性特征,这一现象说明在实际修复过程中,除了控制轴向力外,还需综合考虑套管的初始变形状态和材料特性,以实现更精准的修复效果。

4.4 方法通用性的讨论

基于前述实验与仿真分析,明确了扩张式整形器的修复机理:整形器与变形套管内壁通过相互作用产生接触压力,促使套管发生塑性变形以达到整形目的,该研究成果不仅为双侧内缩变形提供了有效的分析工具,所采用的建模理念与力学框架,也适用于其他类型套管变形问题。

以工程中常见的椭圆变形为例,尽管其几何形态与双侧内缩模式有所不同,但本文方法所依托的弹塑性理论具有普遍的适用性,能够容纳不同形式的几何边界。在此基础上,若将本文方法应用于椭圆变形套管,仅需根据其几何特征调整模型中的边界条件,即可实现对整形过程中接触行为与塑性变形趋势的合理预测。为验证该方法对椭圆变形套管的修复效果,沿用前述实验装置及方法,对椭圆变形套管进行整形修复实验,各标记点如图12所示,由于该套管的缩径量更大且变形区域更长,修复时需组合使用100 mm和105 mm两种规格的整形工具,此外,所施加的轴向推力也较上述双侧内缩变形案例有所增加,套管内径随整形工具通过后的变化如表5所示。

修复实验采用分步式工艺:首先使用直径为100 mm的整形工具,以45 t的轴向推力两次通过套管变形段;随后更换为105 mm工具,在50 t推力下同样作用两次通过变形段,套管整形前后的形貌对比如图13所示,根据测量数据可知,当接触压力超过材料的屈服极限后,管壁发生塑性流动,从而实现径向外扩以修复套管,两个工具组合作用下最大修复量达9.98 mm,且修复后套管的通径均大于104.86 mm, 该结果不仅验证了所提出的修复机理,也证实该工具与技术不仅适用于双侧内缩变形,对椭圆变形及其他复杂变形模式同样具备修复能力。

5 结论

(1)建立变形套管扩张式整形修复模型及室内试验,对变形后通径为98.26 mm的套管进行整形修复,经三次整形,其室内整形实验和有限元模型整形后套管最小通径分别扩大了7.46 mm和8.1 mm,相对误差仅为8%,证明了有限元模拟的可靠性。

(2)由变形套管扩张式整形室内试验中得出,经该工具整形修复3次后穿过变形套管,变形套管分别修复了3.4、1.42、2.64 mm,将变形套管最小通径由98.26 mm修复至105.72 mm,即说明扩张式整形器对变形套管的整形修复效果良好。

(3)变形套管的整形修复中,整形修复后的回弹量不可避免,且回弹量较大,弹性变形量即为回弹量,塑性变形量即为实际整形量。

(4)可针对不同的套管变形量开展不同尺寸的扩张式整形器技术研究,形成一套完整的技术装备,可实现较大范围的套管整形;同时开展扩张式整形器结构优化及材料优选,确保在工具不发生破坏的情况下,尽可能地将轴向力转化为径向扩张力,从而获得更佳的整形修复效果。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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