機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工藝技術(shù)的研究與應(yīng)用

范加興

（中油遼河油田公司鉆采工藝研究院鉆修所，遼寧盤錦124000）

0 引言

隨著油田開發(fā)時(shí)間的增長(zhǎng)，套管容易發(fā)生變形。為了保證油田的產(chǎn)量，須通過套管整形技術(shù)來修復(fù)套管。梨形脹管器整形技術(shù)，主要依靠管柱自身的重力對(duì)變形井段進(jìn)行修復(fù)，由于管柱重力有限，特別當(dāng)變形井段離井口較近時(shí)，管柱較輕，無法實(shí)施整形施工［1-2］。液壓整形技術(shù)，利用液缸的推力及管柱自重的合力，對(duì)變形井段進(jìn)行修復(fù)，雖然克服了當(dāng)管柱較輕時(shí)，無法施工的難題，但是液壓整形技術(shù)單次整形的長(zhǎng)度有限，對(duì)于長(zhǎng)變形段，特別是變形幅度時(shí)大時(shí)小的情況，就需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的作業(yè)時(shí)間［3-5］。為了解決長(zhǎng)變形段套管整形問題，綜合梨形脹管器整形技術(shù)和液壓整形技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了新工藝的研究。本文主要介紹機(jī)械液壓復(fù)合套管整形技術(shù)工具的主要部件結(jié)構(gòu)及工作原理和相關(guān)理論計(jì)算，并通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)新工藝技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 新型機(jī)械液壓復(fù)合套管整形技術(shù)

1.1 整形工具結(jié)構(gòu)及工作原理

新型機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工具主要由高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭、加長(zhǎng)管柱（選配）、液壓增力器、水力錨、安全泄壓裝置等部分組成（見圖1）。工具按照高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭、加長(zhǎng)管柱（選配）、液壓增力器、水力錨、安全泄壓裝置由下往上依次連接后和加厚油管連接下入到施工井段。首先開泵，對(duì)于泵壓大于壓力閥值的情況，首先水力錨錨爪張開并錨定在套管的內(nèi)壁上，液壓增力器對(duì)高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭施加垂直向下的作用力，高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭內(nèi)的芯軸桿向下運(yùn)動(dòng)，使徑向活塞沿徑向擠脹同時(shí)脹頭本體向下運(yùn)動(dòng)對(duì)縮徑井段進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于泵壓小于壓力閥值，管柱即能下行的情況，將高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭當(dāng)作梨形整形器使用，采用蹾壓方式進(jìn)行套管整形［6-8］。

圖1 機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工具Fig.1 Mechanical?hydraulic compound casing shaping tool

1.1.1 高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭

高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由圓錐引鞋脹頭、高強(qiáng)度鋼珠、多級(jí)圓柱本體、提升短節(jié)等構(gòu)成。該多級(jí)脹頭依靠徑向活塞推力使套管發(fā)生塑性變形，利用工具徑向密布的鋼珠對(duì)發(fā)生塑性變形的套管進(jìn)行碾壓，將其修復(fù)成圓形。工具分為三級(jí)，每級(jí)直徑相差2 mm。

圖2 高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭Fig.2 Multistage expansion head of high strength alloy steel

1.1.2 加長(zhǎng)管柱

為了避免錨定管柱下入射孔井段，高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭上面連接了一段加長(zhǎng)管柱。加長(zhǎng)管柱為鉆鋌、鉆桿等高強(qiáng)度管材。加長(zhǎng)管柱長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況決定，原則是水力錨爪不能通過套管射孔頂界。

1.1.3 液壓增力器

液壓增力器也叫增力液缸。遵循帕斯卡定律，液壓作用在活塞截面積上通過活塞桿輸出載荷，通常采用多級(jí)液缸串聯(lián)的形式以達(dá)到輸出較大載荷的效果［9-10］。液壓增力器結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由提升短節(jié)、活塞、活塞桿、液缸、推力短節(jié)等構(gòu)成。

圖3 液壓增力器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure diagram of the hydraulic booster

1.1.4 水力錨

水力錨的結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由提升短節(jié)、壓片、錨爪等組成。錨爪數(shù)量和整形井段的深度有關(guān)。井越淺，需要錨爪的數(shù)量越多。單個(gè)錨爪可以提供15 kN 左右的錨定力。水力錨為單向錨爪，依靠液壓錨定，啟動(dòng)壓力為1.5 MPa 左右。啟動(dòng)壓力的具體數(shù)值一般通過室內(nèi)試驗(yàn)確定［11-12］。

圖4 水力錨結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of the hydraulic anchor

1.1.5 安全泄壓裝置

安全泄壓裝置結(jié)構(gòu)如圖5 所示。由提升短節(jié)、鎖緊環(huán)、支撐桿、推力彈簧、泄壓孔等組成［13］。安全泄壓裝置有2 種工作狀態(tài)。當(dāng)本體凸鍵處于短軌道時(shí)，泄壓孔被關(guān)閉，油套不連通，水力錨錨爪張開。當(dāng)本體凸鍵處于長(zhǎng)軌道時(shí)，泄壓孔被打開，油套連通，水力錨錨爪收攏［14-16］。

圖5 安全泄壓裝置示意Fig.5 Structure diagram of the safety relief device

1.2 理論計(jì)算

1.2.1 液壓增力器推力

根據(jù)帕斯卡定律，密閉液體上的壓強(qiáng)，能夠大小不變地向各個(gè)方向傳播，即液壓增力器每個(gè)液缸獲得了相同大小的壓強(qiáng)。液壓缸提供的推力由液體作用面積決定。推力大小由公式（1）確定：

式中：F——增力器推力，kN；P——泵車提供的壓力，MPa；N——增力器液缸級(jí)數(shù)，無量綱；R——增力器液缸內(nèi)圓半徑，mm；r1——增力器活塞通孔半徑，mm；ri-i≥2，增力器活塞外圓半徑，mm。

7 in（1 in=25.4 mm，下同）的液壓增力器，液缸7 級(jí)，外徑150 mm，壁厚15 mm，則內(nèi)徑為120 mm；活塞外圓半徑70 mm，活塞通孔直徑20 mm。假設(shè)每一級(jí)液缸結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，當(dāng)泵車提供1 MPa 壓力時(shí)，產(chǎn)生的推力F≈55.7 kN。

1.2.2 活塞桿強(qiáng)度校核

由歐拉公式得活塞桿的臨界力：

式中：Fcr——活塞桿臨界力，N；E——活塞桿材料彈性模量，Pa；I——慣性矩，m4；l——活塞桿長(zhǎng)度，m。

5? in 液缸活塞桿長(zhǎng)度600 mm，活塞桿外徑50 mm，活塞桿內(nèi)孔內(nèi)徑15 mm。活塞桿材料彈性模量E取為200 GPa。活塞桿橫截面慣性矩I=其中D為活塞桿外徑，d為活塞桿通孔內(nèi)徑。

將以上數(shù)據(jù)代入式（2）得：Fcr=1668 kN。這個(gè)數(shù)值即為5? in 液缸活塞桿能夠提供的最大推力，大于這個(gè)力，活塞桿即發(fā)生變形。圖6 所示即為泵壓過大，造成下推力大于活塞桿臨界力，致使活塞桿發(fā)生了變形。

圖6 活塞桿變形Fig.6 Piston rod deformation

1.2.3 壓力閥值

式中：P閥——壓力閥值，MPa；G——管柱懸重，取200 kN；F——1 MPa 泵壓對(duì)應(yīng)的液缸推力，取55.7 kN/MPa。

計(jì)算得：P=3.59 MPa。也就是說如果液壓整形泵車打壓3.59 MPa，就能順利整形。為了提高整形的效率，也可以利用管柱的重力機(jī)械整形。

1.3 技術(shù)參數(shù)

5? in 套管，內(nèi)徑121.36 mm，套管整形后套管內(nèi)徑可以恢復(fù)到?114～116 mm；

7 in 套管，內(nèi)徑159.4 mm，套管整形后套管內(nèi)徑可以恢復(fù)到?150～154 mm。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 待整形井基本情況

待修井換封作業(yè)時(shí)，下?105 mm 通井規(guī)通至1398.68 m 遇阻。該井油層套管鋼級(jí)為P110，套管內(nèi)徑121.36 mm，套管壁厚為9.17 mm。測(cè)井解釋結(jié)果見表1，根據(jù)測(cè)井結(jié)果該井的最大套管變形量為44.6 mm，變形幅度為36.7%。變形段長(zhǎng)度達(dá)到4 m。 該 井 套 管 變 形 位 置 1395.00～1399.00 m、1432.00～1435.00 m，與測(cè)井結(jié)果保持一致。

表1 待修井MFC 測(cè)井解釋成果（內(nèi)徑）Table 1 MFC logging interpretation results for a candidate workover well (inner diameter)

2.2 整形技術(shù)選擇分析

梨形脹管器主要依靠管柱的重力產(chǎn)生的沖擊力對(duì)變形套管進(jìn)行修復(fù)，對(duì)于井深不到2000 m、管柱懸重有限、套管鋼級(jí)高及套管變形幅度大的問題梨形脹管器工藝技術(shù)尚無在此井況下實(shí)施成功的先例。

液壓整形工藝技術(shù)要求液壓整形作業(yè)時(shí)，水力錨不能位于射孔井段。待修井的井況為：射孔井段1377.70～1434.80 m，縮徑井段 1395.00～1399.00、1432.00～1435.00 m。如果使用液壓整形工藝技術(shù)，水力錨必然位于射孔井段。液壓整形工藝技術(shù)就是犧牲作業(yè)時(shí)間贏得大的作用力。單次行程200 mm，一次液壓整形施工時(shí)間10 min 左右。嚴(yán)重變形井段反復(fù)整形次數(shù)為10 次左右。對(duì)于7 m 長(zhǎng)的縮徑井段需要的整形時(shí)間大約為58.3 h。

將梨形脹管器工藝和套管液壓整形工藝相結(jié)合創(chuàng)立機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工藝技術(shù)。利用式（3）計(jì)算壓力閥值，便宜使用機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工藝技術(shù)。

2.3 機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工藝技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工藝技術(shù)，分別下入?110、114、116 mm 機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工具。3 次整形后，?114 mm×2 m 整筒式通井規(guī)順利通過變形井段通至人工井底1527 m。作業(yè)時(shí)間縮短3 d，縮短幅度37.5%。針對(duì)套管鋼級(jí)高壁厚的特點(diǎn)，研制了專門針對(duì)高鋼級(jí)整形的高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭?，F(xiàn)場(chǎng)使用2 種脹頭（見圖7、圖8）。改進(jìn)后的高強(qiáng)度合金鋼多級(jí)脹頭能夠經(jīng)受住套管整形的壓力。針對(duì)縮徑幅度大難題，增加圓錐引鞋脹頭的長(zhǎng)度，以減小圓錐引鞋脹頭的錐度，同時(shí)下?110、114、116 mm 三個(gè)型號(hào)的整形脹頭，確保套管整形的成功率。針對(duì)縮徑段在射孔段以下20 m 的情況，采取中間連接高強(qiáng)度管柱的辦法。接鉆鋌6 根。成功解決了水力錨不能穿過射孔井段的問題。

圖7 改進(jìn)前的脹頭Fig.7 Expansion head before improvement

圖8 改進(jìn)后的脹頭Fig.8 Improved expansion head

3 結(jié)論

（1）機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工藝技術(shù)成功解決了P110 以上鋼級(jí)高強(qiáng)度套管長(zhǎng)變形段整形問題，快速高效。

（2）機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工藝技術(shù)壓力閥值公式的提出提高了該套管整形技術(shù)理論化程度。

（3）機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工藝技術(shù)目前已成功應(yīng)用10 井次，表明機(jī)械液壓復(fù)合套管整形工藝技術(shù)具有較好的推廣價(jià)值。