摘要
封隔器式膨胀管技术被研发用于水文地质勘探护壁和破损井管补贴修复，具有成本低、工艺简单的特点。为了使封隔器能满足膨胀管的要求，对封隔器膨胀机构进行了改进，利用封隔器对不同性能的管材进行了试验，根据试验结果决定选择316L不锈钢作为膨胀管管材。为了研究封隔器式膨胀管两次膨胀过程中膨胀压力与膨胀管长度和厚度变化的关系，通过Abaqus软件对Ø219 mm×4 mm的膨胀管膨胀过程进行数值模拟，以获得膨胀过程中的应力和应变变化情况，并用同样规格的膨胀管进行野外试验，模拟结果与试验结果进行对比，结果表明模拟结果与实际示范结果基本相同，说明数值模拟结果可以作为实际施工的参考。
在水文地质勘探工作中，由于地层不稳定，经常会遇到钻孔掉块、坍塌、漏失、缩径等问
封隔器式膨胀管技术是在地面把膨胀管套在封隔器上，对封隔器加压膨胀后悬挂膨胀管放入井
中国地质调查局水文地质环境地质调查中心对封隔器式膨胀管开展了研究，改进了封隔器膨胀机构，研发了新型膨胀管护壁技术。该技术原理是利用金属的塑性变形性质，用封隔器作为动力膨胀机构，在地面把封隔器放入膨胀管中，对封隔器加压到能悬挂膨胀管的状态，再用封隔器悬挂膨胀管下入井内到达井壁破损处，然后对封隔器加压使其膨胀，膨胀管在经过弹性变形后达到屈服强度，然后发生塑性变形，当膨胀管变形至与井壁贴合后再稳压一定时间，塑性形变稳定后膨胀管就贴合在井壁上不再回弹，达到护壁、封堵及井管补贴的技术目的（如
图1 膨胀管封隔器
Fig.1 Expandable tubular packer
为了测试膨胀管管材的性能，模拟井内施工状况，可将膨胀管放置到保护套管中，把封隔器放置到膨胀管的中心，通过膨胀机构对封隔器进行打压试验，当封隔器压力达到一定数值后，膨胀管开始膨胀，随着不断加压，膨胀管膨胀十分迅速，变形几乎与压力增大同时进行，膨胀过程主要分为3个阶段：
（1）轻微变形。当封隔器压力不断增大，管材表面会发生轻微的变形，形状与封隔器膨胀后外形一致。
（2）塑性变形。随着封隔器膨胀压力逐步加大，膨胀管剧烈变形，并会伴随多次响声，当压力达到膨胀管管材的屈服强度值时，膨胀管管材发生塑性变形，并与管壁部分贴合。
（3）变形完成。当封隔器加压到一定压力后，管材完全贴合到保护套管上，膨胀管变形完成。
前人通过实验发
数值模拟的无缝钢管规格参数是Ø219 mm×4 mm，材料为316L不锈钢，选取Ø273 mm×14 mm的高强度无缝管作为保护管。膨胀管通过封隔器加压膨胀，封隔器有效膨胀长度1600 mm，选取2300 mm膨胀管作为模拟对象，经过2次加压膨胀完成膨胀过程，贴近实际施工过程，模拟过程中假设膨胀过程中膨胀管内壁均匀受力。
膨胀管模型为三维可变形实体，保护管模型为三维离散刚体，把膨胀管和保护管装配成一个实例，并设置约束关
图2 膨胀管和保护管模型
Fig.2 Models of expandable tubular and protective tubular
模拟膨胀管材料为316L不锈钢，屈服强度σs=217 MPa，杨氏模量E=210 GPa，泊松比ν=0.3，由于膨胀管在膨胀过程中发生塑性变形，涉及材料非线性问题，为了能真实模拟膨胀管膨胀过程中应力和应变的变化情况，需要把拉伸试验获得的名义应力和名义应变换算成真实应力和真实应变，并通过计算得出材料的塑性应
| 真实应力/MPa | 塑性应变 | 真实应力/MPa | 塑性应变 |
|---|---|---|---|
| 217.1 | 0 | 368 | 0.19 |
| 230 | 0.02 | 388 | 0.24 |
| 276 | 0.06 | 398 | 0.29 |
| 306 | 0.09 | 412 | 0.33 |
| 350 | 0.14 | 430 | 0.39 |
模拟过程中假设膨胀管为均匀各项同性结构体，对结构体进行网格划分，采用六面体扫掠网格划分技术，模型选择结构实体单元中的C3D8R八结点线性六面体单元，减缩积分，沙漏控制，如
图3 膨胀管网格划分
Fig.3 Mesh generation of expandable tubular
膨胀管膨胀完全后，对模型进行剖分（如
图4 膨胀管剖面云图
Fig.4 Cloud chart of expandable tubular profile
2020年11月25日，在河北省保定市顺平县水利局钻井队院内，开展了膨胀管管井补贴修复技术示范。
示范的破损井管内径为Ø245 mm，为减少井径损失，且破损位置为非含水地层，直接用膨胀管进行膨胀。经分析计算决定使用尺寸为Ø219 mm×4 mm、材质为316L的不锈钢管作为膨胀管，补贴长度为3000 mm。膨胀管下到破损位置后，直接用封隔器进行膨胀，膨胀压力为21 MPa。先膨胀中间部分，再分别膨胀下端和上端，封隔器膨胀后的有效长度按照1600 mm计算，为防止段与段之间膨胀相互影响，过渡段采取重复膨胀的方式进行。将膨胀管下放到预定位置后，通过封隔器加压膨胀，压力达到21 MPa后停止加压，憋压5 min，憋压过程中无异常情况出现，说明井管已经较为顺利地膨胀。通过计算封隔器中心位置再上下各移动1 m再进行膨胀，即完成了3个段次的补贴修复工作。详细施工情况见
| 序号 | 封隔器膨胀位置/m | 膨胀压力/MPa | 井管补贴有效位置/m | 施工时长/min |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 19.2~20.8 | 4~21 | 19.5~20.5 | 20 |
| 2 | 20.6~22.2 | 4~21 | 20.5~22.2 | 25 |
| 3 | 17.8~19.4 | 4~21 | 17.8~19.5 | 30 |
通过实时观察井下电视拍摄的井内录像，可以非常清晰的观测到（见
图9 施工效果
Fig.9 Construction effect
通过对封隔器膨胀系统的改进，更适合对膨胀管进行膨胀。对不同性能管材进行膨胀性能试验后发现，316L不锈钢管材更适合作为膨胀管。通过对Ø219 mm×4 mm的膨胀管进行数值建模，用Abaqus软件对封隔器膨胀管的膨胀过程进行了数值模拟。在野外用同一种规格的膨胀管进行了膨胀试验，并通过视频电视观察其膨胀效果。
（1）数值模拟结果与示范结果对比，验证了模拟结果的准确性，可以用来指导现场施工。
（2）根据不同口径膨胀管有限元模拟结果，总结出不同直径不同厚度膨胀管膨胀过程所需的压力，制成不同规格参数表格，指导封隔器压力设置，保证膨胀管在井下完全膨胀，贴合井壁，增强护壁效果。
（3）根据膨胀管膨胀过程中厚度的变化，为实际应用中膨胀管的选择提供理论依据，根据施工现场井的口径和破碎情况，选择合适壁厚的膨胀管，保证膨胀后膨胀管的强度。
（4）根据分段模拟的数值结果，合理设置重复膨胀区长度，保证过渡段平滑膨胀，不影响已经膨胀贴合的膨胀管段。
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