實(shí)體膨脹管實(shí)物膨脹評(píng)價(jià)裝置設(shè)計(jì)

潘志勇，燕 鑄，宋生印，上官豐收，馮耀榮，申昭熙，王新虎，黃永章

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065；2.中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100028；3.川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，西安710021） ＊

·設(shè)計(jì)計(jì)算·

實(shí)體膨脹管實(shí)物膨脹評(píng)價(jià)裝置設(shè)計(jì)

潘志勇1，燕 鑄2，宋生印1，上官豐收1，馮耀榮1，申昭熙1，王新虎1，黃永章3

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065；2.中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100028；3.川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，西安710021）＊

針對(duì)現(xiàn)有簡(jiǎn)易膨脹試驗(yàn)裝置存在的膨脹力小、膨脹速度慢、膨脹過程和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不一致等問題，設(shè)計(jì)了專業(yè)的實(shí)體膨脹管實(shí)物膨脹評(píng)價(jià)裝置。該裝置可模擬油田現(xiàn)場(chǎng)井下膨脹情況，對(duì)膨脹管進(jìn)行膨脹檢測(cè)和評(píng)價(jià)，且可在單純的機(jī)械拉力或單純的水壓或兩者共同作用下對(duì)膨脹管進(jìn)行膨脹試驗(yàn)。利用該裝置還可進(jìn)行鋼管膨脹變形規(guī)律研究、膨脹管材料選擇和開發(fā)、膨脹錐優(yōu)化設(shè)計(jì)、膨脹工藝研究等，在保證膨脹管產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)將大力促進(jìn)實(shí)體膨脹管的國(guó)產(chǎn)化。

評(píng)價(jià)裝置；實(shí)體膨脹管；膨脹；膨脹錐；試驗(yàn)

實(shí)體膨脹管技術(shù)是油氣井工程領(lǐng)域內(nèi)的重大新技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于鉆井、完井和修井作業(yè)中［1－2］。目前，實(shí)體膨脹管技術(shù)主要由國(guó)外的Enventure公司、Weatherford公司、Baker Hughes公司和Halliburton公司所壟斷，其中Enventure公司已經(jīng)研制生產(chǎn)出了?108.0～?339.7mm系列規(guī)格的實(shí)體膨脹管，并于2007－12在大斜度井和水平井中進(jìn)行了成功應(yīng)用。近年來，我國(guó)也開始了對(duì)實(shí)體膨脹管技術(shù)的研究［3－8］。

實(shí)體膨脹管技術(shù)有很多關(guān)鍵技術(shù)，例如材料、膨脹接頭、密封、潤(rùn)滑以及膨脹錐的結(jié)構(gòu)等都屬于商業(yè)秘密，國(guó)外對(duì)該技術(shù)嚴(yán)格保密，國(guó)內(nèi)很難引進(jìn)，而該技術(shù)服務(wù)由國(guó)外石油公司所壟斷，國(guó)內(nèi)使用該技術(shù)要付出高昂的代價(jià)，因此迫切需要開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)體膨脹管技術(shù)。

膨脹起脹裝置是制約膨脹試驗(yàn)和膨脹作業(yè)開展的重要因素之一。國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)膨脹作業(yè)中無起脹過程，而是直接將事先已制作好的膨脹腔通過螺紋連接在膨脹管上進(jìn)行膨脹作業(yè)，其中膨脹錐事先裝在膨脹腔內(nèi)，膨脹腔的內(nèi)徑等于膨脹管膨脹后的內(nèi)徑。由于膨脹腔利用可鉆材料制成，和膨脹管的螺紋連接很難保證良好密封；另外，每次膨脹作業(yè)必須使用1個(gè)膨脹腔，造成較大浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)的膨脹管試驗(yàn)主要通過固定膨脹錐后機(jī)械拉伸膨脹管進(jìn)行，膨脹過程中膨脹管端部處于固定約束狀態(tài)，這和井下實(shí)際作業(yè)狀態(tài)不同。

國(guó)外實(shí)體膨脹管已在國(guó)內(nèi)的勝利油田、大港油田、塔里木油田等現(xiàn)場(chǎng)使用，但由于國(guó)內(nèi)無對(duì)膨脹管進(jìn)行膨脹評(píng)價(jià)的裝備，所以無法了解膨脹管質(zhì)量的好壞，進(jìn)而造成安全隱患。國(guó)內(nèi)已有單位試制出實(shí)體膨脹管，但由于缺乏專業(yè)的膨脹檢測(cè)評(píng)價(jià)裝備無法馬上推廣應(yīng)用。

1 相關(guān)裝置分析

目前，國(guó)內(nèi)外還未見膨脹管實(shí)物膨脹評(píng)價(jià)專業(yè)裝置的技術(shù)研究及報(bào)道，已發(fā)表和使用的有關(guān)裝置主要有如下幾種：

1） 《實(shí)體膨脹管膨脹設(shè)備》［9］介紹了一種使用液壓驅(qū)動(dòng)膨脹錐進(jìn)行膨脹的裝置，這種裝置適合油田現(xiàn)場(chǎng)小膨脹率的作業(yè)，如果進(jìn)行大膨脹率（膨脹率約30%）的膨脹試驗(yàn)，單靠液壓力很難驅(qū)動(dòng)膨脹錐向前運(yùn)動(dòng)。

2） 《基于絲杠傳動(dòng)的實(shí)體膨脹管》［10］介紹了一種基于絲杠傳動(dòng)的實(shí)體膨脹管膨脹裝置，它采用螺桿傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)膨脹錐進(jìn)行膨脹，設(shè)計(jì)的膨脹方式是自上而下，由于膨脹錐需要很大的驅(qū)動(dòng)力，而滑動(dòng)絲桿傳動(dòng)效率低，而且油田現(xiàn)場(chǎng)采用的是自下而上的方式進(jìn)行膨脹，該裝置使用受到限制。

3） 《鉆井實(shí)體膨脹管縱向金屬流動(dòng)的試驗(yàn)研究》［11］中試驗(yàn)裝置采用固定膨脹錐后機(jī)械拉伸膨脹管進(jìn)行，膨脹過程中膨脹管端部采用固定約束，膨脹過程中不能保證膨脹錐中心軸線與管子中心軸線重合，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際有偏差。

4） 《API L80套管的膨脹性能試驗(yàn)研究》［12］中試驗(yàn)使用壓縮試驗(yàn)機(jī)推動(dòng)膨脹錐進(jìn)行膨脹，膨脹過程中管子要承受很大的壓力，管子受力狀態(tài)與油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際明顯不同，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際有較大偏差，而且管子較長(zhǎng)時(shí)膨脹過程中管子可能產(chǎn)生屈曲。

5） 《膨脹管系統(tǒng)受力及運(yùn)動(dòng)分析》［13］對(duì)膨脹管使用液壓進(jìn)行膨脹進(jìn)行了理論受力分析，該理論裝置只能在液壓的作用下推動(dòng)膨脹錐進(jìn)行膨脹作業(yè)，大鉤懸掛加壓管柱和膨脹管于井筒內(nèi)，膨脹錐不能在大鉤單獨(dú)的拉力作用下進(jìn)行膨脹，大鉤和加壓管柱對(duì)膨脹錐的作用力是液壓膨脹過程中產(chǎn)生的一種可能為拉也可能為壓的輔助力。

2 技術(shù)分析

2009－03，中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院開始研究實(shí)體膨脹管實(shí)物膨脹評(píng)價(jià)裝置，于2010－05完成最終的設(shè)計(jì)，目前已進(jìn)入裝置的制造階段，并已獲授權(quán)中國(guó)實(shí)用新型專利專利，專利號(hào)：ZL201020242182.0。利用該裝置不僅可對(duì)膨脹管進(jìn)行實(shí)物膨脹檢測(cè)評(píng)價(jià)，同時(shí)還可開展鋼管膨脹機(jī)理或膨脹變形規(guī)律研究、膨脹管材料選擇或開發(fā)、膨脹錐優(yōu)化設(shè)計(jì)、膨脹工藝研究等，該裝置在推動(dòng)膨脹管技術(shù)不斷進(jìn)步的同時(shí)將推進(jìn)實(shí)體膨脹管國(guó)產(chǎn)化。2.1 結(jié)構(gòu)

實(shí)體膨脹管實(shí)物膨脹評(píng)價(jià)裝置管端起脹結(jié)構(gòu)如圖1所示，膨脹結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 管端起脹結(jié)構(gòu)

評(píng)價(jià)裝置由加載框架、膨脹錐、油缸、水壓系統(tǒng)和傳感器構(gòu)成。加載框架由槽鋼Ⅱ、封堵Ⅰ和封堵Ⅱ構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)，膨脹管位于加載框架的前端，由槽鋼Ⅰ和V形塊Ⅰ固定，使膨脹管中心線與加載框架中心線同軸。槽鋼Ⅰ固定在槽鋼Ⅱ上，膨脹管后端由固定在擋板上的支撐塊固定，擋板由擋塊固定在槽鋼Ⅱ上。膨脹錐位于膨脹管中、前端，膨脹錐后端通過過渡接頭與油缸活塞桿連接。油缸位于加載框架后端，由槽鋼Ⅰ和V形塊Ⅱ固定，使油缸中心線與加載框架中心線同軸。油缸活塞桿穿過擋板和支撐塊中心設(shè)置的孔與油缸連接。伸縮位移傳感器位于油缸內(nèi)，前端伸入油缸活塞桿的中心孔中，后端固定在封堵Ⅱ上。膨脹管前端由管堵堵管，膨脹管外管堵上設(shè)有高壓注水管和耳座。設(shè)在封堵Ⅰ外的傳感器通過螺母、單耳螺桿由銷釘與耳座連接。

圖2 膨脹結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

膨脹管管端起脹時(shí)，膨脹管被上、下V形塊固定，同時(shí)另一端由擋板擋??；而后膨脹錐在油缸活塞桿拉力作用下緩慢向前移動(dòng)，完成膨脹管管端的起脹。

起脹過程完成后，退出膨脹錐，擰下活塞桿使其退回油缸內(nèi)；而后拆卸膨脹管上部V形塊和槽鋼，拆卸膨脹管端部擋板；然后伸出活塞桿與膨脹錐連接。把管堵焊接在膨脹管起脹端，銷釘連接單耳螺桿和耳座，裝好傳感器和螺母，通上高壓水，于是膨脹錐可在活塞桿拉力和高壓水推力或任意一種方式下完成膨脹管的膨脹過程。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

試樣直徑 ?90～?340mm

試樣長(zhǎng)度 ≤5m

膨脹速度 0～9m／min

軸向拉伸載荷 0～1 000kN

水壓系統(tǒng)壓力 0～70MPa

水壓系統(tǒng)排量 0～16m3／h

裝置長(zhǎng)度 ≤15m

2.4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

膨脹管膨脹評(píng)價(jià)時(shí)已起脹端部采用鉸接方式固定，軸向固定，徑向自由，保證了膨脹管在膨脹過程中受力狀態(tài)與油田作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吻合。膨脹過程可采用3種方式進(jìn)行膨脹：①單純依靠活塞桿拉力拉動(dòng)膨脹錐進(jìn)行膨脹；②單純依靠高壓水壓力推動(dòng)膨脹錐進(jìn)行膨脹；③聯(lián)合前2種力移動(dòng)膨脹錐進(jìn)行膨脹。為了進(jìn)行不同膨脹率的檢測(cè)評(píng)價(jià)，需準(zhǔn)備多種規(guī)格的膨脹錐。

3 試驗(yàn)

選取規(guī)格為?114.3mm×5.21mm N80的套管試樣在實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行膨脹率為20.5%和25.5%的膨脹試驗(yàn)。試驗(yàn)采用活塞桿牽引膨脹錐進(jìn)行膨脹，管端初始膨脹后的形貌如圖3；管體膨脹過程中的形貌如圖4；活塞桿牽引力與膨脹錐水平位移關(guān)系如圖5。在整個(gè)膨脹過程中，評(píng)價(jià)裝置運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠，能滿足實(shí)體膨脹管的評(píng)價(jià)要求。

圖3 管端初始膨脹

4 結(jié)論

1） 實(shí)體膨脹管實(shí)物膨脹評(píng)價(jià)裝置能模擬現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)膨脹管進(jìn)行實(shí)物膨脹檢測(cè)和評(píng)價(jià)，保證了膨脹管產(chǎn)品使用的安全性和可靠性。

2） 評(píng)價(jià)裝置可采用3種方式對(duì)膨脹管進(jìn)行膨脹，并且該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3） 利用評(píng)價(jià)裝置還可進(jìn)行膨脹管產(chǎn)品開發(fā)和膨脹工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Design of Expansion Evaluation Device for Solid Expandable Tube

PAN Zhi－yong1，YAN Zhu2，SONG Sheng－yin1，SHANGGUAN Feng－shou1，F(xiàn)ENG Yao－rong1，SHEN Zhao－xi1，WANG Xin－h(huán)u1，HUANG Yong－zhang3
（1.Tubular Goods Research Center，CNPC，Xi’an710065，China；2.China Petroleum Technology ＆Development Corporation，Beijing100028，China；3.CCDC Changqing Engineering Technology Research Institute，Xi’an710021，China）

In consideration of the problems of current simple devices as low expansion force and low expansion speed and expansion process that didn’t match the reality and etc.，an expansion evaluation device for solid expandable tube was designed.The solid expandable tube can be checked and evaluated by expansion simulating oil field reality.The solid expandable tube can be expanded by only machine tensile or only hydraulic pressure or the combination of machine tensile and hydraulic pressure.Some other works can be carried out by making use of evaluation device，for example research on deformation law for expandable tube and choice and development on expandable tube’s material and optimization design on the expansion cone and study on expansion technology and etc.The evaluation device will make a great role on promoting expandable tube quality and advance the localization process of solid expandable tube industry of china.

evaluation device；solid expandable tube；expansion；expansion cone；test

1001－3482（2012）11－0027－04

TE931.2

A

2012－05－03

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（2011A－4208）

潘志勇（1976－），男，湖北天門人，工程師，碩士，主要從事石油管材方面的研究和技術(shù)服務(wù)工作，E－mail：panzy＠cnpc.com.cn。