可膨脹波紋管膨脹試驗系統(tǒng)及工藝研究

郭強，張德龍，蘇輝，黃玉文，楊鵬，徐軍軍，蔣睿

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.中國地質大學(北京)，北京 100083)

0 引言

在野外地質勘探過程中，往往會遇到地層不穩(wěn)、井壁坍塌等復雜地層難題，這會導致鉆進過程中孔下事故頻發(fā)，甚至無法鉆進至目的層?？膳蛎洸y管技術主要用于封隔復雜地層，處理井下事故，減少套管層次，修復破損套管，實現(xiàn)等井徑鉆井等方面，能夠有效地解決上述復雜地層問題[1]。波紋管在孔內通過膨脹進行堵漏，因此膨脹性直接影響施工結果。波紋管膨脹性能的優(yōu)劣需通過實際試驗獲取,鑒于目前尚無相關試驗系統(tǒng)，本文研制了波紋管膨脹試驗系統(tǒng)用來進行波紋管膨脹性能的測試分析。

1 波紋管膨脹系統(tǒng)工作原理

1.1 膨脹系統(tǒng)概述

可膨脹波紋管膨脹系統(tǒng)主要包括水力膨脹和機械膨脹兩部分。波紋管串組裝完成后，首先需要通過水力膨脹系統(tǒng)，將其膨脹至要求尺寸，接著運用機械膨脹系統(tǒng)繼續(xù)膨脹波紋管，確保波紋管能貼緊井壁，鉆頭能順利通過波紋管內徑，達到避免發(fā)生孔內事故發(fā)生或處理孔內事故的目的[2]。

1.2 膨脹系統(tǒng)試驗工藝

為了模擬現(xiàn)場施工條件，確保波紋管在野外施工過程的質量，本項目搭建了室內波紋管串水力膨脹試驗系統(tǒng)和室外波紋管串機械膨脹試驗系統(tǒng)。水力膨脹試驗過程中，采用高壓變頻注漿泵作為動力輸出，最高輸出泵壓50 MPa。機械膨脹中設計鉆壓為5 kN，設計鉆進速度不超過10 mm/s，采用圓鋼筒模擬井壁，該膨脹系統(tǒng)性能參數(shù)適用于直徑76 mm、133 mm等地質勘探用小口徑規(guī)格的波紋管。

試驗時，先將波紋管串與高壓變頻注漿泵出漿口通過高壓膠管連接，高壓變頻注漿泵進漿口與泥漿池相連。準備工作完成之后，接通電源，啟動變頻柜，逐步增大電機頻率，壓力隨之升高，波紋管截面發(fā)生塑性形變。當波紋管外形尺寸不隨壓力升高發(fā)生變化時，說明波紋管已膨脹至極限尺寸。取水力膨脹后的波紋管，將其固定在夾持器底座上。將脹管器接在鉆桿上，啟動鉆機向下進給，將波紋管膨脹為圓形，整個膨脹工藝作業(yè)流程基本完成。圖1為可膨脹波紋管膨脹系統(tǒng)工藝流程圖。

圖1 可膨脹波紋管膨脹工藝流程圖

2 水力膨脹系統(tǒng)設計及性能分析

可膨脹波紋管水力膨脹系統(tǒng)旨在模擬現(xiàn)場施工工藝，監(jiān)測水力膨脹過程中波紋管截面尺寸實時變化，波紋管內泥漿壓力及流量顯示，波紋管截面應力應變等相應的力學特性。此外整個波紋管水力膨脹系統(tǒng)應具備記錄、存儲、數(shù)據(jù)整理等功能[3,4]。

2.1 水力膨脹系統(tǒng)整體臺架設計

為了實現(xiàn)水力膨脹系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化及可視化等要求，本項目設計的水力膨脹系統(tǒng)主要包括數(shù)控組件、液壓組件、試驗臺架及固定保護裝置等。系統(tǒng)通過計算機、變頻柜、數(shù)據(jù)采集儀及各類傳感器記錄、測量、實時監(jiān)控波紋管截面相關參數(shù)的變化，采用高壓變頻注漿泵作為水力膨脹系統(tǒng)的壓力源。基于經(jīng)濟性及適用性考慮，試驗過程中用清水代替泥漿。

水力膨脹波紋管過程中，波紋管固定在臺架上，防止波紋管發(fā)生軸向和徑向竄動，這樣有利于數(shù)據(jù)監(jiān)測的真實性及穩(wěn)定性。同時為了保證試驗過程的安全性，需在整個臺架外面安裝透明防護罩，以便于過程觀察及保證人員和設備安全[5]。水力膨脹系統(tǒng)最高輸出壓力可達50 MPa，連接用高壓膠管可耐壓70 MPa，壓力通過變頻器實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)，圖2為水力膨脹系統(tǒng)整體結構示意圖。

1.控制臺；2.數(shù)據(jù)采集儀；3.變頻柜；4.應力傳感器；5.應變傳感器；6.壓力傳感；7.位移傳感器；8.流量傳感器；9.水箱；10.高壓泵；11.高壓管路；12.底座；13.透明保護；14.可膨脹波紋管串；15.浮動夾持機構；16.固定夾持機構；17.泄壓管路圖2 水力膨脹系統(tǒng)結構示意圖

首先將水箱、高壓變頻注漿泵、波紋管串、控制臺、數(shù)據(jù)采集儀及變頻柜等各部分依次連接，線路檢查完畢后，接通電源逐步增大變頻柜頻率，在控制臺對波紋管截面的外形尺寸、塑性形變位移以及相應位置的應力應變等力學特性參數(shù)進行實時監(jiān)控。試驗結束后，頻率調零，打開卸壓閥進行管內卸壓，同時對試驗過程中獲得的數(shù)據(jù)、特性曲線進行整理分析，為野外現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)。

2.2 水力膨脹試驗及性能測試

按照水力膨脹試驗系統(tǒng)的工藝流程，項目組進行了多輪波紋管膨脹試驗，試驗中采用“8”字形截面波紋管，最大外徑113 mm，壁厚4.5 mm。整個波紋管串長約3.5 m，一端固定，一端游動，波紋管串結構示意圖如圖3所示。

1.提拉桿；2.上接頭；3、5.過渡接頭；4.膨脹管；6.下接頭；7.絲堵圖3 可膨脹波紋管串結構圖

水力膨脹試驗時，選取10節(jié)波紋管樣品進行膨脹試驗。表1所示為水力膨脹試驗中波紋管樣品截面尺寸變化均值與壓力的對應關系。

表1 不同壓力下波紋管截面尺寸變化均值與壓力對應關系

由表1可以看出，壓力由初始增加到10 MPa的過程中，波紋管截面尺寸變化明顯，未發(fā)生脹裂現(xiàn)象，說明膨脹效果良好。當壓力由10 MPa逐漸增大到12 MPa時，波紋管截面尺寸變化緩慢，此時截面尺寸已達到機械膨脹要求，且未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。當壓力升至14 MPa時，波紋管的截面外形尺寸基本不發(fā)生改變，即波紋管的極限膨脹壓力為14 MPa，此時波紋管焊縫發(fā)生泄漏。因此整個水力膨脹系統(tǒng)結構設計合理，性能可以滿足膨脹試驗需要。圖4為水力膨脹前后波紋管截面形狀對比。

圖4 水力膨脹前后波紋管截面形狀

3 機械膨脹系統(tǒng)設計及性能分析

由于波紋管自身形狀復雜，各部位材質性能差異較大，經(jīng)過水力膨脹后波紋管表面仍會出現(xiàn)凹凸不平，截面呈類橢圓狀，通徑不足，且其與井壁的接觸面積占比較低，與井壁的摩擦力不足，無法正常有效地開展后續(xù)鉆進作業(yè)，因此需要通過機械整形工具將其膨脹到要求尺寸，使其更好地貼合井壁，進而實現(xiàn)封隔復雜井段、堵漏的功能[6,7]。項目組根據(jù)波紋管機械膨脹工藝，設計了可膨脹波紋管室外機械膨脹系統(tǒng)。

3.1 機械膨脹系統(tǒng)設計

波紋管機械膨脹是將水力膨脹后類橢圓狀波紋管通過脹管器將其膨脹為圓形。本文設計了兩種機械膨脹工具：三滾輪脹管器和球形脹管器。三滾輪脹管器的外徑小于球形脹管器，因此機械膨脹時先采用三滾輪脹管器進行膨脹，再通過球形脹管器進行膨脹作業(yè)[8]。機械膨脹系統(tǒng)選用HXY-6B鉆機作為動力輸出，主動鉆桿通過過渡接頭與脹管器相連，鉆壓可達25 kN。圖5a為三滾輪脹管器實物圖，圖5b為球形脹管器實物圖。

3.2 機械膨脹試驗及性能分析

圖5 機械脹管工具實物圖

為了驗證機械膨脹系統(tǒng)的可靠性及脹管器的膨脹效果，項目組對該系統(tǒng)進行了波紋管機械膨脹試驗。將水力膨脹后的波紋管固定在鉆機夾持器底座上，三滾輪脹管器與主動鉆桿相連接，在三滾輪脹管器的保徑段涂抹潤滑脂，預防脹管器由于摩擦力過大發(fā)生點蝕，施加旋轉扭矩和向下鉆壓，進行多次緩慢膨脹[9]。三滾輪脹管器膨脹完成后，將其卸掉接球形脹管器，同樣在球形脹管器的球體上涂抹潤滑脂，重復上述流程，完成波紋管整個機械膨脹工藝流程。表2所示為不同鉆壓轉速與波紋管機械膨脹截面變形尺寸的對應關系。

表2 鉆壓轉速與波紋管截面尺寸的對應關系

從表2可見，當鉆機給進鉆壓為2 MPa和4 MPa時，機械膨脹后的波紋管截面尺寸均能滿足現(xiàn)場施工要求。當給進鉆壓達到6 MPa時，由于下降速度過快，局部應力變化劇烈導致波紋管發(fā)生脹裂現(xiàn)象?；谠囼灥慕?jīng)濟性及合格率考慮，通過對多次試驗結果進行對比分析，確定波紋管機械膨脹的鉆壓選為4 MPa，轉速為240 r/min，機械膨脹試驗系統(tǒng)性能參數(shù)及工藝滿足機械膨脹需要。圖6為膨脹后截面形狀。

圖6 機械膨脹后波紋管截面

4 結論

經(jīng)過水力膨脹和機械膨脹作業(yè)后的波紋管截面外形尺寸基本恢復至初始尺寸，可見：

(1)波紋管經(jīng)過水力膨脹系統(tǒng)工藝流程后，可以達到機械膨脹系統(tǒng)對波紋管截面尺寸的要求；

(2)波紋管通過機械膨脹工藝后，可以有效地貼合井壁，確保了鉆頭能順利通過波紋管，保證施工正常進行，說明機械膨脹的工藝流程滿足機械膨脹要求；

(3)整個膨脹系統(tǒng)在充分模擬井壁、潤滑系統(tǒng)等現(xiàn)場施工條件的基礎上，進行了室內外試驗模擬分析，為野外現(xiàn)場施工提供了可靠的理論依據(jù)。

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