摘 要

摘　要：梨形脹管器整形技術(shù)是一種高效率的套管修復(fù)技術(shù)，整形力的大小是工具優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。為此，在YAW-200壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)常用尺寸的油層套管進(jìn)行壓扁，

摘　要：梨形脹管器整形技術(shù)是一種高效率的套管修復(fù)技術(shù)，整形力的大小是工具優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。為此，在YAW-200壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)常用尺寸的油層套管進(jìn)行壓扁，然后由YS32-500型的四方柱萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)提供整形力，由小到大依次下入梨形脹管器對(duì)變形套管(C110)進(jìn)行了3次膨脹整形，得到了不同尺寸梨形脹管器整形所需的整形力、梨形脹管器的磨損量、變形套管的回彈量的測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)其測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，找到了梨形脹管器外徑與整形力、變形套管的回彈量、梨形脹管器的磨損量之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：梨形脹管器外徑級(jí)差的合理性決定了整形力的大小、變形套管的回彈量、梨形脹管器的磨損量，同時(shí)，為了減少卡鉆事故并兼顧整形效率，梨形脹管器的單次整形量不宜過(guò)大。該研究成果為優(yōu)化梨形脹管器結(jié)構(gòu)和整形施工參數(shù)提供了重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：梨形脹管器  套管  變形  整形  修復(fù)  整形力  回彈量  磨損量

An experimental investigation into parameters optimization of reshaping casing by pear-shaped casing swage

Abstract：Pear-shaped casing swage repair technology is highly efficient in repairing deformed casing and the valuc of repairing force is a very lmportant parameter for designing and optimizing the casing swage and structure parameters．In view of this，the collapse experiments were performed on the YAW-200 pressure testing machine using one commonly-used production casing and then the reshaping test of deforreed casing(C110)was performed from small to large by using three pear shaped casing swages with different diameters．The universal YS32-500 hydraulic testing machine was used to provide the reshaping force in the repairing process．The reshaping toree and wear extent of each pear shaped casing swage as well as the spring back value of deformed casing have been obtained by the above repairing tests·On this basis，through the analysis and evaluation of testing resuits，the correlation was made clear between reshaping force，spring back value of deformed casing as well as wear extent and the outside diameter of a pear-shaped casing swage.The size of reshaping force，the spring back value of deformed casing and wear extent of the swage will be determined by the ratlonality of outside diameter differential of the pear-shaped casing swage．Simuhaneously，thc repaired amount of deformed casing every time should not be too large for the sake of decreasing the drill pipe sticking accident and inereasing the efficiencv to repair detormed casing.The research results provide important experimental data for the optimization of tool structure and reshaping technological parameters．

Keywords：pear shaped casing swage，reshaping force，casing，deformed casing，reshaping，repair，spring back value．abrasion loss

國(guó)內(nèi)外很多油氣田在生產(chǎn)一段時(shí)間后，因地質(zhì)、工程和腐蝕等因素的影響，許多油氣井發(fā)生不同程度的套管變形^[1]。尤其在井下易垮塌地層、大型酸化壓裂后的地層、塑性蠕變嚴(yán)重的地層和固井質(zhì)量較差的井眼都會(huì)使得大部分的石油套管受到呈橢圓形分布的非均勻載荷^[2]，從而使得變形后的套管截面為橢圓形^[3]，如川渝氣田的龍崗001-1井、龍崗001-2井、龍崗39井、龍崗l3井，塔里木油田的英深一井，塔河油田的TKll27井的套管均為鹽巖蠕變和塑性流動(dòng)引起的套管變形，嚴(yán)重地影響油氣田的安全和效益。

為此，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了許多套管修復(fù)技術(shù)^[4]，而沖擊整形技術(shù)是修復(fù)油水井套管變形的常用修井技術(shù)，它是根據(jù)撞擊原理采用梨形脹管器對(duì)變形套管施加沖擊整形力進(jìn)行擴(kuò)徑。但是，目前的沖擊整形技術(shù)由于缺乏對(duì)沖擊整形力的準(zhǔn)確控制，整形力過(guò)小導(dǎo)致整形失敗、整形力過(guò)大導(dǎo)致卡鉆事故或油水井水泥環(huán)的破壞或套管發(fā)生二次塑性破壞等情形時(shí)有發(fā)生^[5-6]。目前，國(guó)內(nèi)外科技工作者在套管失效這一領(lǐng)域做了大量的研究工作，主要集中在套管失效機(jī)理的研究^[7-8]，檢測(cè)技術(shù)的研究^[9]，修復(fù)工藝^[10-14]，如梨形脹管器整形技術(shù)、套管補(bǔ)貼技術(shù)、膨脹管技術(shù)、套換套技術(shù)等，防治措施的研究^[15]及少數(shù)碾壓整形理論方面的研究，在碾壓成型理論方面的研究中，姜民政^[1]的成就最突出，他根據(jù)Hertz接觸理論建立了碾壓整形工具尖楔單邊受壓的塑性模型。此外，大量學(xué)者采用數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)實(shí)體膨脹管的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究^[16-19]。

根據(jù)文獻(xiàn)分析可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)套管的失效機(jī)理和套管的修復(fù)技術(shù)研究較多，但針對(duì)沖擊整形修復(fù)技術(shù)的整形測(cè)試研究不夠，尤其對(duì)整形力大小的確定及其控制研究雖然卜分重要但明顯不足。因此，本文采用梨形脹管器對(duì)變形套管進(jìn)行了整形測(cè)試研究，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析和總結(jié)，為優(yōu)化梨形脹管器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)提出了良好的建議。

1　梨形脹管器的整形測(cè)試研究

1．1　整形測(cè)試裝置及方法

整形實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括YAW-200壓力試驗(yàn)機(jī)、YE-2533靜態(tài)應(yīng)變儀、YS32-500型的四方柱萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)、上下夾具、帶傳感器的配合接頭。其中壓力試驗(yàn)機(jī)用于制備橢圓形套管；靜態(tài)應(yīng)變儀用于測(cè)餐梨形脹管器整形過(guò)程中配合接頭上產(chǎn)生的壓應(yīng)變；上下夾具分別用于固定脹管器和變形套管；四方柱萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)用于施加整形力。故根據(jù)配合接頭上的壓應(yīng)變，并結(jié)合胡克定律和配合接頭的幾何尺寸可以求得梨形脹管器整形時(shí)所需的整形力Fp即

s＝Ee  　　　　  (1)

Fp＝sA 　　　　   (2)

式中E為材料的楊氏模量，210GPa；s為整形過(guò)程產(chǎn)生的壓應(yīng)力，MPa，A為配合接頭的橫截面積，2463mm²；e配合接頭上產(chǎn)生的壓應(yīng)變。

該實(shí)驗(yàn)主要分為2個(gè)階段，第1個(gè)階段是橢圓形套管的制備，其方法是將理想套管(C110×177.8×12.65)放在YAW-200壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓扁實(shí)驗(yàn)(圖l-a)，變形尺寸是基于現(xiàn)場(chǎng)套管變形數(shù)據(jù)(表1)；第2階段是用3只不同外徑的梨形脹管器對(duì)變形套管的整形測(cè)試，該實(shí)驗(yàn)在YS32-500型的四方柱萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)上完成(圖l-b)。

 

1．2　整形實(shí)驗(yàn)的主要步驟

1)基于油田套管的變形尺寸制備相應(yīng)的變形套管，通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)圓套管的擠壓而得到(圖l-a)。

2)處理變形套管的表面，連接靜態(tài)應(yīng)變儀(圖1-c)。

3)在萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)(YS32-500)上安裝與梨形脹管器和變形套管相匹配的頂部、底部夾具(圖2)。

 

4)將一端開(kāi)槽的變形套管固定于底部夾具(固定套管的軸向移動(dòng))并測(cè)量變形套管的初始尺寸(圖3)。

 

5)將帶配合接頭的梨形脹管器固定于頂部夾具，要求梨形脹管器處于變形套管中心(圖4)。

 

6)開(kāi)始整形測(cè)試(圖5)。在整形的過(guò)程中要求梨形脹管器在套管變形處往得移動(dòng)直到配合接頭上的壓應(yīng)變趨于0為止，即梨形脹管器可以在變形套管內(nèi)自由滑動(dòng)，此時(shí)我們可以認(rèn)為變形套管的內(nèi)徑等于梨形脹管器的最大外徑，同時(shí)測(cè)量變形套管整形后的尺寸，完成l只梨形脹管器的整形實(shí)驗(yàn)；第2只和第3只梨形脹管器重復(fù)上述步驟完成。

 

2　整形測(cè)試結(jié)果分析

2．1　梨形脹管器整形的測(cè)試結(jié)果

整形測(cè)試所用梨形脹管器的錐角均為l3°，其幾何參數(shù)見(jiàn)表2。整形對(duì)象是通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)壓扁的C110套管，變形套管的幾何參數(shù)詳見(jiàn)表1。梨形脹管器對(duì)變形套管的整形測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

 

 

由表2可知，外徑為l22mm、125mm、l28mm的梨形脹管器所需的整形力分別為469kN、697kN、1086kN；整形后變形套管的回彈量隨著梨形脹管器外徑的增加而增加，梨形脹管器的整形力隨著工具外徑的增加而急劇增加，整形力增加的原因：原始梨形脹管器的單次整形量(2mm、3mm、3mm)不合理；整形后套管發(fā)生回彈，每只工具整形后變形套管都有不同程度的回彈，從而進(jìn)一步導(dǎo)致整形后脹管器的單次整形量(2mm、3.4mm、4.2mm)更加不合理。因此梨形脹管器的單次整形量不宜過(guò)大，應(yīng)該適當(dāng)減小梨形脹管器外徑的級(jí)差。

2．2　梨形脹管器的耐用性分析

由于在整形過(guò)程中梨形脹管器與套管內(nèi)壁發(fā)生了較大的摩擦接觸，造成梨形脹管器發(fā)生了不同程度的磨損(圖6)。通過(guò)用游標(biāo)卡尺對(duì)整形后梨形脹管器的磨損寬度和厚度進(jìn)行測(cè)量，可以得到梨形脹管器的磨損量，其具體的磨損結(jié)果見(jiàn)表3。

 

 

由圖6和表3可知，整形后梨形脹管器工作面的磨損寬度和磨損厚度均隨著工具外徑的增加而增加；由圖7可知，梨形脹管器的磨損量隨著級(jí)差的增加而呈非線性增加，表明工具根據(jù)變形套管之間的級(jí)差對(duì)梨形脹管器的磨損量有很大的影響。因此，為了減小對(duì)工具的磨損，應(yīng)該適當(dāng)減小梨形脹管器之間的級(jí)差。

 

2．3　梨形脹管器與變形套管之間的級(jí)差分析

根據(jù)表2中的結(jié)果可得到梨形脹管器和套管之間形成的級(jí)差與整形力的關(guān)系曲線(圖8)，同理可得梨形脹管器和套管之間形成的級(jí)差與變形套管整形后的回彈量之間的關(guān)系曲線(圖8)。

 

結(jié)合圖7、8分析可以發(fā)現(xiàn)2個(gè)十分明顯的現(xiàn)象：①圖中第2個(gè)點(diǎn)與第3個(gè)點(diǎn)之間的斜率k2遠(yuǎn)大于第1個(gè)點(diǎn)與第2個(gè)點(diǎn)之間的斜率k1，結(jié)合數(shù)據(jù)具體分析可得：在梨形脹管器的外徑為128mm時(shí)，其在整形的過(guò)程中所需的整形壓力、梨形工具磨損厚度、梨形工具磨損寬度、套管回彈量都顯著增加，由此判斷該組梨形脹管器的外徑級(jí)差存在缺陷，在整形過(guò)程中容易造成卡鉆等井下事故，應(yīng)該更加合理的優(yōu)化其整形級(jí)差；②外徑為l22mm的梨形脹管器對(duì)變形套管整形時(shí)其整形力、套管回彈量、工具磨損量均較小，由此認(rèn)為2mm的單次整形量最合理。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，采用級(jí)差較大的梨形脹管器對(duì)變形套管進(jìn)行修復(fù)具有較高的整形效率，但每次整形所需施加的鉆壓較大，整形后套管的回彈量較大，容易造成卡鉆事故，相反，采用級(jí)差較小的梨形脹管器對(duì)變形套管進(jìn)行修復(fù)不會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題，但是其整形效率低，從而導(dǎo)致施工工期長(zhǎng)、成本高。為了減少卡鉆事故并可兼顧整形工作效率，結(jié)合測(cè)試結(jié)果，同時(shí)考慮到變形套管回彈現(xiàn)象，推薦了一組合理的梨形脹管器外徑級(jí)差，建議結(jié)果見(jiàn)表4。

 

3　結(jié)論

1)本文采用了3只梨形脹管器對(duì)變形套管(C110)進(jìn)行了整形測(cè)試，分別得到了3只梨形脹管器整形變形套管時(shí)所需的整形力，可為變形套管整形施工參數(shù)的優(yōu)化提供可靠的理論指導(dǎo)，從而避免了因整形力過(guò)小而達(dá)不到整形目的和整形力過(guò)大而導(dǎo)致水泥環(huán)損壞或套管二次破壞的問(wèn)題。

2)本文得到了梨形脹管器外徑與整形力、變形套管的回彈量、梨形脹管器的磨損量之間的關(guān)系。即整形力、變形套管回彈量和梨形脹管器的磨損量均隨梨形脹管器外徑的增加而增加。結(jié)合以上關(guān)系可知，梨形脹管器外徑級(jí)差的合理性決定了整形力的大小、變形套管的回彈量、梨形脹管器的磨損量。因此，為了減少卡鉆事故并可兼顧整形效率，梨形脹管器的單次整形量不宜過(guò)大，同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)梨形脹管器的外徑級(jí)差應(yīng)該考慮套管回彈這一現(xiàn)象。該研究成果為優(yōu)化梨形脹管器提供了重要的借鑒。

3)結(jié)合測(cè)試結(jié)果，推薦了一組合理的梨形脹管器外徑級(jí)差。

 

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本文作者：林元華  鄧寬海  曾德智  向俊科  王木樂(lè)

作者單位：“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

  西南石油大學(xué)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

  中國(guó)石化中原油田公司采油工程技術(shù)研究院