膨脹式尾管懸掛器的研究

崔淑英， 邵玉濤， 王躍偉， 宋 剛

(中國地質(zhì)科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

膨脹式尾管懸掛器是將膨脹套管技術應用于尾管固井方面的一個器具，與實體膨脹管相似，它也是通過液壓或機械力將具有一定塑性的膨脹尾管本體進行徑向膨脹，使其與上一級套管緊緊錨固在一起，從而實現(xiàn)膨脹尾管懸掛。

隨著近年來深井、超深井、大斜度井、水平井、分支井、小井眼小間隙井等鉆井技術的不斷興起，尾管固井已成為一種必備的工藝技術[1]。尾管懸掛器是尾管固井的專用器具，其性能的優(yōu)劣直接影響固井施工的成敗。

傳統(tǒng)卡瓦式尾管懸掛器的不足：

(1)外露零件多，入井過程易出現(xiàn)懸掛器碰損,且在尾管下入遇阻時，由于尾管懸掛器自身結構的原因對開泵循環(huán)或活動尾管等措施都有限制，降低了井下解阻的能力[2]。

(2)過流面積小。尾管懸掛器必須具有足夠的過流面積方能保證施工安全，否則，會引起漏失、水泥返高不夠、環(huán)空氣侵等復雜情況的發(fā)生[3]。傳統(tǒng)卡瓦式尾管懸掛器與膨脹式尾管懸掛器懸掛效果對比圖見圖1。

(3)固井后套管環(huán)空水泥密封性能差。常規(guī)卡瓦式尾管懸掛器無論是機械式或液壓式坐掛后后均不具備密封功能，為提高尾管頂部封固質(zhì)量一般在常規(guī)懸掛器的頂部增加一套封隔器，但是封隔器在施工中存在提前坐封的潛在風險[2]。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，多達45%～60%的常器坐掛后均會出現(xiàn)水力泄漏[1]。

圖1 卡瓦式尾管懸掛與膨脹尾管懸掛效果示意圖Fig.1 Diagram of slip type liner suspension and expandable liner suspension

針對傳統(tǒng)卡瓦式尾管懸掛器的不足，以及隨著膨脹套管技術的不斷進步，國外許多公司積極探索將膨脹套管技術應用于尾管懸掛器上。膨脹式尾管懸掛器與傳統(tǒng)卡瓦式尾管懸掛器相比具有如下優(yōu)點：(1)過流面積大，尾管與上層套管之間的環(huán)空間隙僅為固定到尾管外側的橡膠環(huán)被壓縮后的厚度；(2)密封性好，通過膨脹錐頭的移動，將尾管進行膨脹，固定到尾管外側的橡膠環(huán)被擠壓到上層套管的內(nèi)壁上，被壓縮后的橡膠環(huán)同時起到密封和提供尾管懸掛力的兩個作用。膨脹式尾管懸掛器國外比較有代表性的有里德公司的HETS-LH懸掛器、TIW公司的XPAK懸掛器、哈利伯頓公司的VersaFlex懸掛器和威德福公司的EXR懸掛器等[4]。國內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段，石油領域大直徑規(guī)格的膨脹式尾管懸掛器有應用成功的案例，但是地質(zhì)鉆探領域卻未引進相關技術和服務,原因大致如下：(1)石油領域鉆井規(guī)格與地質(zhì)鉆探領域鉆孔規(guī)格相差較大，沒有可以直接用于地質(zhì)方面的膨脹尾管；(2)地質(zhì)鉆探與石油鉆井相比經(jīng)費較少，直接引進相關技術進行鉆探服務的費用高昂，不適用于地質(zhì)鉆探領域。由于以上原因，若想在地質(zhì)鉆探領域應用膨脹管技術，則需該領域的技術人員從基礎開始進行研究。

勘探技術研究所自2008年開始著手研究小口徑膨脹套管護壁技術，現(xiàn)已研制成功多種規(guī)格的膨脹套管，分別可在?76、96、122 mm規(guī)格的裸孔內(nèi)進行護壁，其中?76、96 mm兩種規(guī)格的膨脹套管已經(jīng)在四川、廣西、福建、山東、甘肅等多個工地進行了成功的應用，挽救了多個即將面臨報廢的鉆孔，為施工方挽回了巨大的經(jīng)濟損失。膨脹式尾管懸掛技術作為膨脹套管技術的一個延伸，勘探技術研究所也進行了較為深入的研究，并取得了一定的成果[5-6]。

1 結構原理

膨脹式尾管懸掛器自上而下主要由外套管、送入工具、橡膠環(huán)(已硫化至膨脹管外壁)、膨脹管、膨脹錐頭、尾管、注漿塞組成。膨脹錐頭內(nèi)置于膨脹管內(nèi),液壓力推動膨脹錐頭自下而上移動，膨脹后的膨脹管壓縮橡膠環(huán)，壓縮橡膠產(chǎn)生懸掛力將膨脹管懸掛到外套管內(nèi)壁上，而尾管與膨脹管通過絲扣連接，進而將尾管懸掛。膨脹管懸掛后通徑僅減小橡膠壓縮后的厚度及膨脹管壁厚，橡膠環(huán)壓縮后能夠完全將環(huán)空間隙密封，防止發(fā)生水力泄漏。膨脹尾管懸掛器結構原理見圖2。

圖2結構原理圖

Fig.2Structuraldiagram

2 工作原理

膨脹式尾管懸掛器的基本工作原理：

(1)利用鉆桿連接送入工具將膨脹式尾管懸掛器送入到位。

(2)向尾管懸掛器內(nèi)注入水泥，水泥通過注漿塞進入尾管與孔壁的環(huán)空間隙，進行固井。

(3)投入膠塞，注入清水或泥漿，液壓力推動膠塞下行，膠塞下行過程中刮除尾管內(nèi)壁水泥，完成替漿。

(4)替漿完畢，繼續(xù)加大泵壓，膨脹頭在液壓力的作用下由下而上運動，運動過程中膨脹管向外膨脹，將橡膠環(huán)壓縮到外套管上，實現(xiàn)尾管懸掛。

(5)膨脹過程完畢后，將膨脹頭、中心管和送入工具一起提出井外，實現(xiàn)丟手。

(6)最后，下入鉆頭，將注漿塞打通，完成整個固井過程。

3 關鍵技術

根據(jù)工作原理，膨脹式尾管懸掛器固井工藝過具有如下4項關鍵技術。

3.1 雙級復合膠塞替漿技術

水泥通過鉆桿、中心管、尾管，最后進入孔內(nèi)，因此，注完水泥后在鉆桿、中心管和尾管內(nèi)壁不可避免地會有水泥殘留，如果不將這些殘留在內(nèi)壁的水泥清除，必然會影響尾管懸掛器的后續(xù)使用，同時影響尾管內(nèi)徑大小。如何有效地替除殘留水泥是膨脹式尾管懸掛器需要解決的關鍵問題之一。

依據(jù)鉆桿、中心管和尾管的不同內(nèi)徑，設計大、中、小三種膠塞。大膠塞外徑略大于尾管內(nèi)徑，中膠塞外徑略大于鉆桿內(nèi)徑，同理，小膠塞外徑略大于中心管內(nèi)徑。替漿時，先將中膠塞與小膠塞組成的一級復合膠塞投入鉆桿，一級復合膠塞下行過程中刮除鉆桿內(nèi)壁殘留水泥，行至鉆桿下接頭時，中膠塞落到鉆桿接頭上無法繼續(xù)下行，繼續(xù)加大泵壓，連接中膠塞和小膠塞的銷釘剪斷，小膠塞通過中心管，刮除中心管內(nèi)壁水泥，然后小膠塞與大膠塞復合組成二級復合膠塞。增大泵壓，將大膠塞上的懸掛銷釘剪斷，二級復合膠塞下行過程中刮除殘留在尾管內(nèi)部的水泥，行至注漿塞端面時停止，替漿過程完畢。雙級復合膠塞示意見圖3。

3.2 防返漿精準固井技術

水泥通過尾管進入尾管與孔壁環(huán)空間隙后，需要防止過量水泥進入到橡膠環(huán)之間，從而影響膨脹管的懸掛，因此，需要提前計算固井所需的水泥劑量。將水泥泵入孔內(nèi)后，進行替漿，替漿過程中孔口泥漿泵始終對膨脹尾管內(nèi)的液體進行加壓，以推動橡膠塞向下運行，從而將尾管內(nèi)泥漿全部替入孔內(nèi)的環(huán)空間隙。替漿完畢后尾管內(nèi)壓力下降，孔內(nèi)壁與尾管間的壓力大于尾管內(nèi)的壓力，在壓力差的作用下，水泥會部分返回尾管內(nèi)部，直至內(nèi)外壓力平衡。為防止返漿現(xiàn)象的發(fā)生，我們將注漿塞設計成單向閥的形式，尾管內(nèi)部壓力大于外部壓力時單向閥打開，水泥進入孔壁間隙，而尾管外部壓力大于內(nèi)部壓力時單向閥閉合，從而防止外部水泥返回尾管內(nèi)部，因此理論計算的水泥劑量與實際需求劑量基本吻合，既可使尾管與孔壁環(huán)空間隙充滿水泥，又可防止過量水泥進入橡膠環(huán)。

圖3 雙級復合膠塞

3.3 高壓反向膨脹懸掛技術

膨脹管依靠膨脹錐頭在管內(nèi)的移動而膨脹，而膨脹錐頭需要在高壓液體的推動下移動，如何建立起高壓環(huán)境推動膨脹錐頭是實現(xiàn)膨脹管膨脹的關鍵技術。專門設計的高壓組合密封(見圖4)置于膨脹錐頭下方，膨脹前向中心管內(nèi)投球，投球將中心管下端封閉，繼續(xù)增大泵壓，中心管上的爆破孔爆破，泥漿通過爆破孔進入膨脹頭下方與高壓密封之間的空間，高壓密封能夠承受高達30 MPa的液壓力，在高壓的作用下膨脹錐頭自下而上移動，其錐頭的大端在移動過程中將膨脹管膨脹。膨脹后的膨脹管不能直接懸掛到上層套管，膨脹管懸掛的關鍵技術是在膨脹管外側硫化厚度、長度適中的橡膠環(huán)，橡膠具有可壓縮性，適當?shù)膲嚎s量可以提供膨脹管足夠的懸掛力，從而將膨脹后的尾管懸掛到上層套管上。

3.4 攔簧懸掛倒扣丟手技術

為能順利將膨脹錐頭提出孔外，完成膨脹后的丟手，需滿足以下3個條件：(1)需在膨脹錐頭上設計懸掛部位。(2)需要確保丟手前膨脹管膨脹完畢，且膨脹錐頭已懸掛。(3)丟手過程不能對其他零部件的連接牢固性造成影響。

圖4高壓組合密封

Fig.4Highpressurecombinedseal

基于以上3點，為實現(xiàn)順利丟手，進行了下列設計：

(1)設計了可懸掛階梯變徑膨脹錐頭(見圖5)，其上端的懸掛端可順利進入攔簧，攔簧固定在送入工具下接頭內(nèi)部，送入工具下接頭絲扣為倒扣，膨脹完畢后正轉鉆桿，下接頭的絲扣松開，上提鉆桿可將膨脹錐頭提出，除此處絲扣設計為倒扣外，其余絲扣均為正扣連接，因此可保證丟手過程不對其他零部件的連接造成影響。

圖5 可懸掛階梯變徑膨脹錐頭

(2)根據(jù)膨脹錐頭懸掛端與一級錐面之間的長度，確定回收腔的長度，以保證膨脹錐頭進入回收腔前懸掛端已進入攔簧。若設計不合理，膨脹完畢后懸掛端未進入攔簧，由于缺乏錐面的密封，膨脹錐頭與膨脹套管之間僅通過O形圈密封，膨脹過程O形圈易發(fā)生磨損，因此膨脹完畢后壓力下降，膨脹錐頭有可能掉入尾管下端，無法實現(xiàn)膨脹錐頭的回收，造成丟手失敗。攔簧懸掛示意見圖6。

圖6 攔簧懸掛示意圖

4 技術參數(shù)

4.1 膨脹試驗

目前研制出了?168/127 mm規(guī)格的膨脹式尾管懸掛器，室內(nèi)試驗參數(shù)見表1。

試驗數(shù)據(jù)表明：尾管懸掛器膨脹管的膨脹力隨著壁厚的增加而增加。膨脹后軸向長度有一定的收縮量，且壁厚越小，軸向收縮量越大。

表1 ?168/127 mm膨脹式尾管懸掛器技術參數(shù)

建立了3種不同管壁厚的有限元分析模型(見圖7)，分析壁厚不同受力后壁厚變化與管軸向位移變化的關系。有限元分析結果顯示壁厚越小膨脹后軸向收縮量越大，分析結果見圖8。

從有限元分析結果可以看出，其膨脹過程中壁厚與軸向收縮量的關系與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)相吻合，壁厚越小，軸向位移越大，即軸向收縮量越大。考慮到膨脹管的連接，在膨脹力可以接受的范圍內(nèi)，壁厚越大越好。

4.2 懸掛試驗

膨脹頭向上或向下運動，將膨脹管向外膨脹，硫化到膨脹管外壁上的橡膠環(huán)被壓縮到膨脹管與外管之間，從而實現(xiàn)懸掛。因此，懸掛力的大小與橡膠環(huán)的參數(shù)密切相關，不同規(guī)格橡膠環(huán)產(chǎn)生懸掛力的試驗結果見表2和表3，橡膠參數(shù)示意見圖9。

圖7 膨脹過程應力云圖Fig.7 Stress cloud map of expansion process

圖8 軸向位移與壁厚關系圖

表2 壓縮量為2 mm時橡膠環(huán)與懸掛力的關系Table 2 Relationship between rubber ring and suspension force with compression 2mm

表3 壓縮量為3 mm時橡膠環(huán)與懸掛力的關系Table 3 Relationship between rubber ring and suspension force with 3mm compression

從表2和表3可看出，橡膠寬度和間隔相同的情況下，橡膠環(huán)數(shù)越多所產(chǎn)生的懸掛力越大。在橡膠寬度和間隔相同的情況下橡膠與外管的交接長度越長產(chǎn)生的懸掛力越大。

圖9 橡膠參數(shù)示意圖

5 野外試驗

使用1500 m水井鉆打孔對膨脹尾管懸掛工藝進行野外試驗。根據(jù)試驗樣品的長度在空地上打出深度為6 m、直徑為194 mm的孔，將?168 mm的套管下入?194 mm的孔內(nèi)，在套管與孔壁的間隙注入水泥，水泥將外套管固定好以后，下入直徑為151 mm的鉆頭繼續(xù)向下打進3 m深。鉆孔完畢后下入膨脹尾管系統(tǒng)，然后按照固井工藝流程進行固井作業(yè)。丟手完畢后，進行懸掛力測試，緩慢對膨脹管加壓，壓力達到15 MPa后，受鉆機限制壓力無法繼續(xù)上升，保持該壓力30 min，膨脹管未出現(xiàn)松動。懸掛力達到400 kN，已經(jīng)滿足預期設計要求。圖10和圖11分別是野外試驗中懸掛器下入和測試懸掛力過程圖。

6 結論

(1)從懸掛效果看，膨脹式尾管懸掛器與常規(guī)卡瓦式懸掛器相比過流面積大、密封效果好、能夠適應更小的環(huán)空間隙。從經(jīng)濟效益看，可以節(jié)省大量泥漿用量、水泥用量和套管用量。

(2)在研究過程中發(fā)現(xiàn)，膨脹管材是限制該項研究和應用的一大重要因素，我國必須研究出更加適用于膨脹的材質(zhì)，才能使該項研究有更廣闊的發(fā)展空間。

(3)深井和超深井的高溫是考驗尾管懸掛器的一個重要因素。尾管懸掛器的密封元件為橡膠，研究更耐高溫的密封元件，是促進膨脹式尾管懸掛器更快發(fā)展的又一重要因素。