旋轉(zhuǎn)式膨脹系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

李慶德 (中石油大慶鉆探工程公司定額造價(jià)中心，黑龍江 大慶 163458)

旋轉(zhuǎn)式膨脹系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

李慶德 (中石油大慶鉆探工程公司定額造價(jià)中心，黑龍江 大慶 163458)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)式膨脹的工作原理，對(duì)可用于尾管懸掛和套管修補(bǔ)的旋轉(zhuǎn)式膨脹系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)式膨脹系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)式膨脹系統(tǒng)主要由懸掛機(jī)構(gòu)、脫接機(jī)構(gòu)、膨脹機(jī)構(gòu)、中心管、鉆桿、剪切環(huán)幾部分組成，并設(shè)計(jì)了與之相符的工藝流程，對(duì)進(jìn)一步的旋轉(zhuǎn)式膨脹系統(tǒng)的研究提供了一定的參考和依據(jù)。

旋轉(zhuǎn)式膨脹系統(tǒng)；尾管懸掛；套管修補(bǔ)

膨脹管技術(shù)就是在井眼中將管柱徑向膨脹至塑性變形區(qū)域，以達(dá)到“節(jié)省”井眼直徑、縮小鉆孔尺寸的一種新興技術(shù)，被認(rèn)為是21世紀(jì)石油鉆采行業(yè)最具發(fā)展前景的技術(shù)之一，該技術(shù)可以改善現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)以及增大完井井眼直徑、提高固井質(zhì)量、解決修井難題、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益[1-2]，可有效應(yīng)用于鉆井、完井、固井、修井等方面[3]。

膨脹管技術(shù)于20世紀(jì)80年代末期由殼牌石油公司首創(chuàng)，目前世界上提供膨脹管技術(shù)和膨脹產(chǎn)品的公司主要包括威德福、Enventure、哈里伯頓、斯倫貝謝公司等。膨脹管技術(shù)早期的膨脹工具主體是一個(gè)膨脹錐，在井下通過(guò)冷擠擴(kuò)張的方法將膨脹管脹開(kāi)，這種方式需要的軸向力大且管材在膨脹后有較大的軸向縮短。威德福公司開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)式膨脹技術(shù)，克服了膨脹后管子長(zhǎng)度縮短現(xiàn)象，把脹管所需要的力降低了90%，由于是滾動(dòng)摩擦，摩擦力大大減小，對(duì)套管內(nèi)徑的不規(guī)則性具有很好的適應(yīng)能力[4-6]。

旋轉(zhuǎn)式膨脹技術(shù)與可膨脹尾管懸掛器施工工具一起使用時(shí)，可用來(lái)膨脹可膨脹篩管和其他不注水泥尾管，也可用來(lái)膨脹更長(zhǎng)的實(shí)體管套管修補(bǔ)系統(tǒng)。由于其技術(shù)保密性強(qiáng)，可供參考的國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)很少，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)在跟蹤國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r的同時(shí)，僅限于理論及實(shí)驗(yàn)室的研究。下面，筆者根據(jù)旋轉(zhuǎn)式膨脹的工作原理，對(duì)可用于尾管懸掛和套管修補(bǔ)的旋轉(zhuǎn)式膨脹系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)原理

旋轉(zhuǎn)式膨脹系統(tǒng)主要由懸掛機(jī)構(gòu)、脫接機(jī)構(gòu)、膨脹機(jī)構(gòu)、中心管、鉆桿、剪切環(huán)幾部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。懸掛機(jī)構(gòu)連接在中心的上部，脫接機(jī)構(gòu)連接在中心管下部，中心管為中空管，鉆桿從中心管中通過(guò)，鉆桿下面連接膨脹機(jī)構(gòu)。下井時(shí)脫接機(jī)構(gòu)下面連接膨脹管，膨脹機(jī)構(gòu)緊貼膨脹管內(nèi)壁，且膨脹機(jī)構(gòu)最大外徑比中心管的內(nèi)徑大，因此中心管可卡在膨脹機(jī)構(gòu)上，又因?yàn)閼覓鞕C(jī)構(gòu)、脫接機(jī)構(gòu)都連接在中心管上，因此中心管連同懸掛機(jī)構(gòu)、脫接機(jī)構(gòu)及膨脹管隨鉆桿下到目的層位。到達(dá)預(yù)定位置后，先啟動(dòng)懸掛機(jī)構(gòu)使懸掛機(jī)構(gòu)錨定在套管內(nèi)壁上，位于懸掛機(jī)構(gòu)上方有一個(gè)剪切環(huán)通過(guò)銷釘與鉆桿相連，懸掛機(jī)構(gòu)錨定后下壓鉆具，剪切環(huán)碰到懸掛機(jī)構(gòu)的錐體后繼續(xù)下壓鉆具剪斷剪切環(huán)上的銷釘，利用鉆桿向膨脹機(jī)構(gòu)注入液體打壓并帶動(dòng)膨脹機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)將膨脹管脹開(kāi)，使膨脹管脹開(kāi)的部分緊貼在套管內(nèi)壁上，膨脹結(jié)束后通過(guò)脫接機(jī)構(gòu)的動(dòng)作使膨脹管與脫接機(jī)構(gòu)脫離，由于膨脹管最上端用于連接脫接機(jī)構(gòu)的部位還沒(méi)膨脹，再次啟動(dòng)膨脹機(jī)構(gòu)將膨脹管最上端用于連接脫接機(jī)構(gòu)的部位脹開(kāi)，最后解除錨定，起鉆。起鉆時(shí)鉆桿連同懸掛機(jī)構(gòu)、脫接機(jī)構(gòu)及膨脹機(jī)構(gòu)一起收回到地面。

1.1膨脹機(jī)構(gòu)

根據(jù)自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)膨脹的原理[7]，膨脹機(jī)構(gòu)由膨脹頭和限壓閥組成。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖

1)膨脹頭結(jié)構(gòu)原理 膨脹頭主要由膨脹頭本體、活塞、滾輪、滾輪軸、軸承、壓蓋、壓蓋螺栓、鍵等組成(見(jiàn)圖2)。滾輪安裝在滾輪軸上，軸承在滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)起支撐和使?jié)L輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，滾輪軸2端與2個(gè)活塞接觸，活塞向內(nèi)面向膨脹頭本體的中心孔，本體外面有壓蓋將滾輪軸封蓋住。

圖2 膨脹機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

在膨脹作業(yè)時(shí)，膨脹頭上部與鉆柱相連，下部與限壓閥聯(lián)接。通過(guò)鉆機(jī)將整套系統(tǒng)送入井中預(yù)定位置。懸掛機(jī)構(gòu)錨定在套管內(nèi)壁后，通過(guò)地面液壓系統(tǒng)將液體通過(guò)鉆柱內(nèi)孔打入膨脹頭主體中心孔內(nèi)，此時(shí)液體壓力沒(méi)有達(dá)到限壓閥設(shè)定的額定壓力，限壓閥關(guān)閉。活塞在液壓作用下沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)滾輪軸組件運(yùn)動(dòng)，從而使?jié)L輪在滾輪軸帶動(dòng)下沿徑向推出，使?jié)L輪對(duì)膨脹管內(nèi)壁產(chǎn)生擠壓。隨著液體壓力的增加，滾輪對(duì)膨脹管內(nèi)壁的壓力也隨之增加，當(dāng)壓力超過(guò)膨脹管的屈服應(yīng)力時(shí)，接觸面產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)塑性區(qū)擴(kuò)展，整個(gè)壁厚都進(jìn)入塑性變形，則膨脹管緊貼在套管內(nèi)壁上。在向鉆柱內(nèi)注入液體的同時(shí)鉆柱不停地旋轉(zhuǎn)，使膨脹管被均勻地膨脹開(kāi)。當(dāng)液壓達(dá)到限壓閥設(shè)定的額定壓力時(shí)，限壓閥開(kāi)啟，壓力驟降，滾輪縮回，限壓閥復(fù)位，當(dāng)膨脹頭在鉆具帶動(dòng)下沿軸向走一個(gè)位移運(yùn)動(dòng)到膨脹管下一個(gè)位置時(shí)，液體壓力再次升高，將下一個(gè)位置脹開(kāi)。如此周而復(fù)始，形成了一個(gè)連續(xù)的膨脹作業(yè)，完成對(duì)膨脹管的膨脹。膨脹過(guò)程中，膨脹管所受的扭矩和軸向力通過(guò)脫接機(jī)構(gòu)和中心管傳遞到懸掛機(jī)構(gòu)上，進(jìn)而傳遞到套管內(nèi)壁上。膨脹管脹開(kāi)后貼在套管內(nèi)壁上，通過(guò)膨脹頭本體上的鍵與脫接機(jī)構(gòu)配合使脫接機(jī)構(gòu)與膨脹管脫離。由于膨脹管最上端用于連接脫接機(jī)構(gòu)的部位還沒(méi)膨脹，再次啟動(dòng)膨脹作業(yè)將該部位脹開(kāi)。

2)限壓閥結(jié)構(gòu)原理 限壓閥主要由泄壓孔、閥芯、彈簧、限壓閥本體組成(見(jiàn)圖2)。其上面連接膨脹頭，限壓閥在小于設(shè)定的額定壓力時(shí)關(guān)閉，液體不能流過(guò)，從而使膨脹機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生液體壓力將膨脹管脹開(kāi)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的額定壓力時(shí)，限壓閥閥芯下移，壓縮彈簧，自泄壓孔泄壓，從而使壓力驟降，膨脹頭的滾輪縮回，限壓閥復(fù)位，當(dāng)膨脹頭在鉆具帶動(dòng)下沿軸向走一個(gè)位移運(yùn)動(dòng)到膨脹管下一個(gè)位置時(shí)，液體壓力再次升高，將下一個(gè)位置脹開(kāi)。如此周而復(fù)始，形成了一個(gè)連續(xù)的膨脹作業(yè)。

1.2懸掛機(jī)構(gòu)

膨脹過(guò)程中膨脹管受到扭矩與軸向力，需要設(shè)計(jì)了一個(gè)懸掛機(jī)構(gòu)與一個(gè)膨脹管脫接機(jī)構(gòu)連同膨脹機(jī)構(gòu)聯(lián)合作業(yè)?，F(xiàn)在有多種懸掛和錨定方法[8-10]，但不能直接應(yīng)用于本系統(tǒng)。筆者根據(jù)旋轉(zhuǎn)式膨脹方式的需要設(shè)計(jì)了可配合膨脹機(jī)構(gòu)進(jìn)行膨脹作業(yè)的懸掛機(jī)構(gòu)。

懸掛機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要由弓形彈簧、轉(zhuǎn)環(huán)、壓帽、換向軌道、錐體、卡瓦組成。換向軌道開(kāi)在中心外壁上，轉(zhuǎn)環(huán)位于弓形彈簧最下端，由壓帽蓋住，轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)有換向銷釘。錐體固定在中心管上，卡瓦連接在弓形彈簧的上端，弓形彈簧最大外徑大于套管內(nèi)徑。

轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)有換向銷釘，當(dāng)工具下井過(guò)程中，換向銷釘位于換向軌道的短軌道內(nèi)，由于短軌道對(duì)換向銷釘?shù)南拗?，連接在弓形彈簧上端的卡瓦不能和錐體接觸。鉆桿自中心管通過(guò)與膨脹機(jī)構(gòu)相連，當(dāng)下到預(yù)定層位，上提鉆具指定的位移，由于弓形彈簧與套管內(nèi)壁有摩擦而保持不動(dòng)，中心管被鉆桿和膨脹機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上移，當(dāng)換向軌道最下端的齒結(jié)構(gòu)到達(dá)轉(zhuǎn)環(huán)位置時(shí)，轉(zhuǎn)環(huán)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，換向銷釘換到長(zhǎng)軌道中，這時(shí)再下放鉆具，中心管下行，由于長(zhǎng)軌道比短軌道長(zhǎng)，下放一定位移后錐體接觸到弓形彈簧上端的卡瓦，卡瓦沿錐體斜面撐開(kāi)緊貼在套管內(nèi)部上，進(jìn)一步下壓鉆具直到剪斷鉆桿上剪切環(huán)的銷釘，使卡瓦表面的牙嵌入套管內(nèi)壁，從而使懸掛機(jī)構(gòu)錨定在套管內(nèi)壁上。需要解除錨定時(shí)，上提鉆桿，膨脹機(jī)構(gòu)帶動(dòng)中心管上移，中心管帶動(dòng)錐體上移使卡瓦收回，解除錨定。

1.3脫接機(jī)構(gòu)

為了實(shí)施膨脹作業(yè)，需要一個(gè)脫接機(jī)構(gòu)，將膨脹管連接到脫接機(jī)構(gòu)上，連同其他機(jī)構(gòu)下入井。膨脹管被膨脹后脫接機(jī)構(gòu)與膨脹管分離。根據(jù)旋轉(zhuǎn)式膨脹方式的需要設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的脫接機(jī)構(gòu)。脫接機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由端蓋、擋環(huán)、彈簧、軸承、上牙嵌、下牙嵌、缸套、推環(huán)組成。缸套上面與端蓋相連，下面有螺紋與膨脹管相連，且缸套內(nèi)壁上部與下部各有一組花鍵。下牙嵌和兩個(gè)擋環(huán)都固定在中心管上。上牙嵌可一方面與其下面的下牙嵌結(jié)合在一起，另一方面它的外側(cè)面開(kāi)有鍵槽，可與缸套內(nèi)壁上部的花鍵配合上下移動(dòng)。

圖4 脫接機(jī)構(gòu)示意圖

脫接機(jī)構(gòu)連接膨脹管與其他機(jī)構(gòu)一起下入到預(yù)定位置，使懸掛機(jī)構(gòu)錨定在套管內(nèi)壁上，當(dāng)膨脹機(jī)構(gòu)膨脹連接在缸套上的膨脹管時(shí)，推環(huán)在下彈簧作用下不與上牙嵌接觸，上牙嵌在上彈簧作用下和下牙嵌結(jié)合在一起。膨脹過(guò)程中膨脹管受到的扭矩與軸向力經(jīng)膨脹管-缸套-缸套上部花鍵-上牙嵌-下牙嵌-中心管傳遞到懸掛機(jī)構(gòu)，懸掛機(jī)構(gòu)錨定在套管內(nèi)壁上，因此膨脹過(guò)程中膨脹管保持不動(dòng)被脹開(kāi)。然后上提鉆桿，鉆桿帶動(dòng)膨脹機(jī)構(gòu)上移，當(dāng)膨脹頭本體接觸到推環(huán)，帶動(dòng)推環(huán)上移推動(dòng)上牙嵌與下牙嵌脫離，同時(shí)膨脹頭上的鍵與缸套下部花鍵配合在一起。膨脹管膨脹后緊貼在套管內(nèi)壁上，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿并帶動(dòng)膨脹頭轉(zhuǎn)動(dòng)，膨脹頭的鍵帶動(dòng)缸套轉(zhuǎn)動(dòng)使其與膨脹管脫離。

2 工藝流程

(1)將膨脹機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)及脫接機(jī)構(gòu)總體組裝在一起，并將膨脹管連接在脫接機(jī)構(gòu)上。

(2)用鉆桿將膨脹機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)、脫接機(jī)構(gòu)連同膨脹管下入井。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定位置后，采取上提與下放鉆具的方式使懸掛機(jī)構(gòu)的卡瓦撐開(kāi)錨定在套管內(nèi)壁上，當(dāng)進(jìn)一步下壓鉆具，剪斷剪切環(huán)，從指重表顯示判斷坐掛完畢。

(3)自鉆桿向膨脹機(jī)構(gòu)注入液體打壓，膨脹機(jī)構(gòu)的滾輪組在液壓的驅(qū)動(dòng)下沿徑向向外推出，邊轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具邊緩慢向下移動(dòng)進(jìn)行膨脹作業(yè)，則膨脹管被脹開(kāi)并緊貼在套管內(nèi)壁上。

(4)停止打壓，上提鉆具一定的距離，轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具指定圈數(shù)，則膨脹后的膨脹管與脫接機(jī)構(gòu)脫離。

(5)因前面膨脹作業(yè)，膨脹管上端與脫接機(jī)構(gòu)的連接部位沒(méi)有被膨脹。當(dāng)膨脹管與脫接機(jī)構(gòu)脫離后，再次啟動(dòng)膨脹機(jī)構(gòu)將膨脹管最上端用于連接脫接機(jī)構(gòu)的部位脹開(kāi)。

(6)停止打壓，上提鉆具，膨脹機(jī)構(gòu)帶動(dòng)中心管上移，中心管帶動(dòng)錐體上移使卡瓦收回，解除錨定。

(7)起鉆，將膨脹機(jī)構(gòu)、懸掛機(jī)構(gòu)及脫接機(jī)構(gòu)收回地面。

3 結(jié)論

(1)特殊的脫接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可在膨脹過(guò)程中使膨脹管保持不動(dòng)且不影響鉆具和膨脹機(jī)構(gòu)實(shí)施膨脹作業(yè)，在膨脹管被脹開(kāi)后又可使膨脹管與之脫離。

(2)懸掛機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)單且不影響鉆具和膨脹機(jī)構(gòu)實(shí)施膨脹作業(yè)，符合旋轉(zhuǎn)式膨脹作業(yè)的需要。

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[編輯] 洪云飛

TE921

A

1673-1409(2013)22-0083-04

2013-03-28

李慶德(1977-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事鉆井工程定額造價(jià)方面的研究工作。