新型旋轉(zhuǎn)推進(jìn)式液壓滾珠套管整形器

關(guān) 元，艾鵬先，孟 琪，冉 東，劉玉雪

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

隨著油田生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)工作的深入，油井地層環(huán)境發(fā)生了巨大變化。再加上完井和固井，以及經(jīng)常性的修井施工等多種因素，會(huì)引起油氣井的套管損壞。如油氣井套管的變形、穿孔、破裂和破損[1]。油田油氣井經(jīng)常受到地層高壓擠壓、地應(yīng)力的變化、巖層沉陷和重力等因素的影響，導(dǎo)致油氣井套管的損壞[2]。在油田生產(chǎn)過(guò)程中，套管變形還會(huì)造成嚴(yán)重后果，例如注入和生產(chǎn)系統(tǒng)不完善、產(chǎn)量快速下降以及對(duì)管柱磨損的影響，從而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。因此，重視油氣田變形套管的套管整形技術(shù)，對(duì)于減少油氣田的損失，改善注入和生產(chǎn)體系，可持續(xù)發(fā)展油氣田，具有十分重要的意義。

1 套管整形器的工作原理和方案設(shè)計(jì)

如圖1所示。工作時(shí)，用管柱將本套管整形器下放至油氣井中套管發(fā)生變形部位；然后通過(guò)地面壓力車(chē)將壓力液注入管柱，從而推出整形器錨定系統(tǒng)中的的卡瓦機(jī)構(gòu)，將本套管整形器鎖定在套管的內(nèi)壁上；最后壓力液繼續(xù)對(duì)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸開(kāi)始工作，推動(dòng)整形器的液壓缸里面整形桿一邊旋轉(zhuǎn)一邊向下移動(dòng)，整形桿末端的整形頭上多排整形球滾動(dòng)并且擠壓套管套變部位，實(shí)現(xiàn)套管直徑整形回復(fù)正常狀態(tài)。

圖1 新型旋轉(zhuǎn)推進(jìn)式液壓滾珠整形器

2 套管整形器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述套管整形器的功能要求，本文提出了一種新型旋轉(zhuǎn)推進(jìn)式液壓滾珠整形器，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。該整形器主要由錨定系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)和整形頭三部分構(gòu)成。

圖2 液壓整形器總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 錨定系統(tǒng)

錨定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其作用主要是保證設(shè)計(jì)的新型旋轉(zhuǎn)推進(jìn)式液壓滾珠整形器在整形修復(fù)套管的過(guò)程中固定及承受整個(gè)修復(fù)裝置的上頂力。它主要由上接頭、彈簧座、彈簧、鍥形體、中心管、卡瓦座、卡瓦牙、卡簧、下接頭、壓力閥內(nèi)芯、壓力閥彈簧和壓力閥外套組成。

錨定系統(tǒng)的工作原理是：錨定鍥形體在壓力液的推動(dòng)作用下向下運(yùn)動(dòng)，使整形器的錨定卡瓦張開(kāi)，錨定在油氣井套管的內(nèi)壁上，從而達(dá)到錨定。在壓力液卸壓的時(shí)候，卡瓦在彈力作用下收縮，達(dá)到解除錨定狀態(tài)。

圖3 錨定系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2.2 液壓推進(jìn)系統(tǒng)

液壓推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)液壓缸和液壓馬達(dá)的特性，在壓力液的作用下，在缸體內(nèi)實(shí)現(xiàn)整形桿的往復(fù)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)整形頭對(duì)產(chǎn)生變形的套管進(jìn)行整形修復(fù)。

推進(jìn)旋轉(zhuǎn)液壓缸如圖4和圖5所示。工作原理為：由于整形桿的旋轉(zhuǎn)與往復(fù)運(yùn)動(dòng)在同一壓力液的作用下，當(dāng)整形桿的旋轉(zhuǎn)扭矩過(guò)于大時(shí)，壓力液的壓力作用會(huì)調(diào)節(jié)推動(dòng)整形桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)壓力液的推動(dòng)力大于整形桿扭矩時(shí)，整形桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)占主要作用，也就是“推不動(dòng)則轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)不動(dòng)則推”。

圖4 旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的基本結(jié)構(gòu)

圖5 液壓缸的旋轉(zhuǎn)部件

2.3 套管整形器整形頭

整形頭是錐形結(jié)構(gòu)，如圖6所示。整形頭固定在整形桿末端。整形頭上有多排條形槽，每個(gè)條形槽內(nèi)有數(shù)十個(gè)整形圓球，整形圓球在條形槽內(nèi)可以上下自由移動(dòng)。工作時(shí)整形頭在整形桿的帶動(dòng)下做前進(jìn)旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，由于變形套管的擠壓力使得整形圓球逐漸上移，從而使本套管套管整形器的整形頭外徑變大，整形圓球直到條形槽臺(tái)階部分，此時(shí)套管整形器的整形頭到達(dá)最大外徑。

圖6 套管整形器整形頭

3 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)目前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中套管的應(yīng)用現(xiàn)狀，并基于套管變形的問(wèn)題，原創(chuàng)性地提出了一種新型旋轉(zhuǎn)推進(jìn)式液壓滾珠套管整形器，并給出以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：1）首次提出一種新型的旋轉(zhuǎn)液壓缸液壓滾珠整形器的設(shè)計(jì)方案。2）研制的旋轉(zhuǎn)液壓缸液壓滾珠整形器，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液壓控制可靠。該工具采用卡瓦固定，保證了整形過(guò)程中的平穩(wěn)性；并可根據(jù)具體工況調(diào)整更換相關(guān)部分工具，具備較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。