旋转式膨胀系统总体设计

2013-11-06李庆德中石油大庆钻探工程公司定额造价中心黑龙江大庆163458

长江大学学报(自科版) 2013年22期

李庆德 (中石油大庆钻探工程公司定额造价中心，黑龙江大庆 163458)

旋转式膨胀系统总体设计

李庆德 (中石油大庆钻探工程公司定额造价中心，黑龙江大庆 163458)

根据旋转式膨胀的工作原理，对可用于尾管悬挂和套管修补的旋转式膨胀系统的整体结构进行了设计。设计了旋转式膨胀系统的总体结构，旋转式膨胀系统主要由悬挂机构、脱接机构、膨胀机构、中心管、钻杆、剪切环几部分组成，并设计了与之相符的工艺流程，对进一步的旋转式膨胀系统的研究提供了一定的参考和依据。

旋转式膨胀系统；尾管悬挂；套管修补

膨胀管技术就是在井眼中将管柱径向膨胀至塑性变形区域，以达到“节省”井眼直径、缩小钻孔尺寸的一种新兴技术，被认为是21世纪石油钻采行业最具发展前景的技术之一，该技术可以改善现有井身结构以及增大完井井眼直径、提高固井质量、解决修井难题、降低成本、提高经济效益[1-2]，可有效应用于钻井、完井、固井、修井等方面[3]。

膨胀管技术于20世纪80年代末期由壳牌石油公司首创，目前世界上提供膨胀管技术和膨胀产品的公司主要包括威德福、Enventure、哈里伯顿、斯伦贝谢公司等。膨胀管技术早期的膨胀工具主体是一个膨胀锥，在井下通过冷挤扩张的方法将膨胀管胀开，这种方式需要的轴向力大且管材在膨胀后有较大的轴向缩短。威德福公司开发的旋转式膨胀技术，克服了膨胀后管子长度缩短现象，把胀管所需要的力降低了90%，由于是滚动摩擦，摩擦力大大减小，对套管内径的不规则性具有很好的适应能力[4-6]。

旋转式膨胀技术与可膨胀尾管悬挂器施工工具一起使用时，可用来膨胀可膨胀筛管和其他不注水泥尾管，也可用来膨胀更长的实体管套管修补系统。由于其技术保密性强，可供参考的国内外研究文献很少，国内科研机构在跟踪国外发展状况的同时，仅限于理论及实验室的研究。下面，笔者根据旋转式膨胀的工作原理，对可用于尾管悬挂和套管修补的旋转式膨胀系统的整体结构进行了设计。

1 设计方案及结构原理

旋转式膨胀系统主要由悬挂机构、脱接机构、膨胀机构、中心管、钻杆、剪切环几部分组成，总体结构如图1所示。悬挂机构连接在中心的上部，脱接机构连接在中心管下部，中心管为中空管，钻杆从中心管中通过，钻杆下面连接膨胀机构。下井时脱接机构下面连接膨胀管，膨胀机构紧贴膨胀管内壁，且膨胀机构最大外径比中心管的内径大，因此中心管可卡在膨胀机构上，又因为悬挂机构、脱接机构都连接在中心管上，因此中心管连同悬挂机构、脱接机构及膨胀管随钻杆下到目的层位。到达预定位置后，先启动悬挂机构使悬挂机构锚定在套管内壁上，位于悬挂机构上方有一个剪切环通过销钉与钻杆相连，悬挂机构锚定后下压钻具，剪切环碰到悬挂机构的锥体后继续下压钻具剪断剪切环上的销钉，利用钻杆向膨胀机构注入液体打压并带动膨胀机构旋转将膨胀管胀开，使膨胀管胀开的部分紧贴在套管内壁上，膨胀结束后通过脱接机构的动作使膨胀管与脱接机构脱离，由于膨胀管最上端用于连接脱接机构的部位还没膨胀，再次启动膨胀机构将膨胀管最上端用于连接脱接机构的部位胀开，最后解除锚定，起钻。起钻时钻杆连同悬挂机构、脱接机构及膨胀机构一起收回到地面。

1.1膨胀机构

根据自适应旋转膨胀的原理[7]，膨胀机构由膨胀头和限压阀组成。

图1 系统总体示意图

1)膨胀头结构原理膨胀头主要由膨胀头本体、活塞、滚轮、滚轮轴、轴承、压盖、压盖螺栓、键等组成(见图2)。滚轮安装在滚轮轴上，轴承在滚轮转动时起支撑和使滚轮自由转动的作用，滚轮轴2端与2个活塞接触，活塞向内面向膨胀头本体的中心孔，本体外面有压盖将滚轮轴封盖住。

图2 膨胀机构结构示意图

在膨胀作业时，膨胀头上部与钻柱相连，下部与限压阀联接。通过钻机将整套系统送入井中预定位置。悬挂机构锚定在套管内壁后，通过地面液压系统将液体通过钻柱内孔打入膨胀头主体中心孔内，此时液体压力没有达到限压阀设定的额定压力，限压阀关闭。活塞在液压作用下沿径向向外运动，同时带动滚轮轴组件运动，从而使滚轮在滚轮轴带动下沿径向推出，使滚轮对膨胀管内壁产生挤压。随着液体压力的增加，滚轮对膨胀管内壁的压力也随之增加，当压力超过膨胀管的屈服应力时，接触面产生塑性变形。当塑性区扩展，整个壁厚都进入塑性变形，则膨胀管紧贴在套管内壁上。在向钻柱内注入液体的同时钻柱不停地旋转，使膨胀管被均匀地膨胀开。当液压达到限压阀设定的额定压力时，限压阀开启，压力骤降，滚轮缩回，限压阀复位，当膨胀头在钻具带动下沿轴向走一个位移运动到膨胀管下一个位置时，液体压力再次升高，将下一个位置胀开。如此周而复始，形成了一个连续的膨胀作业，完成对膨胀管的膨胀。膨胀过程中，膨胀管所受的扭矩和轴向力通过脱接机构和中心管传递到悬挂机构上，进而传递到套管内壁上。膨胀管胀开后贴在套管内壁上，通过膨胀头本体上的键与脱接机构配合使脱接机构与膨胀管脱离。由于膨胀管最上端用于连接脱接机构的部位还没膨胀，再次启动膨胀作业将该部位胀开。

2)限压阀结构原理限压阀主要由泄压孔、阀芯、弹簧、限压阀本体组成(见图2)。其上面连接膨胀头，限压阀在小于设定的额定压力时关闭，液体不能流过，从而使膨胀机构中产生液体压力将膨胀管胀开。当达到设定的额定压力时，限压阀阀芯下移，压缩弹簧，自泄压孔泄压，从而使压力骤降，膨胀头的滚轮缩回，限压阀复位，当膨胀头在钻具带动下沿轴向走一个位移运动到膨胀管下一个位置时，液体压力再次升高，将下一个位置胀开。如此周而复始，形成了一个连续的膨胀作业。

1.2悬挂机构

膨胀过程中膨胀管受到扭矩与轴向力，需要设计了一个悬挂机构与一个膨胀管脱接机构连同膨胀机构联合作业。现在有多种悬挂和锚定方法[8-10]，但不能直接应用于本系统。笔者根据旋转式膨胀方式的需要设计了可配合膨胀机构进行膨胀作业的悬挂机构。

悬挂机结构示意图如图3所示，主要由弓形弹簧、转环、压帽、换向轨道、锥体、卡瓦组成。换向轨道开在中心外壁上，转环位于弓形弹簧最下端，由压帽盖住，转环内有换向销钉。锥体固定在中心管上，卡瓦连接在弓形弹簧的上端，弓形弹簧最大外径大于套管内径。

转环内有换向销钉，当工具下井过程中，换向销钉位于换向轨道的短轨道内，由于短轨道对换向销钉的限制，连接在弓形弹簧上端的卡瓦不能和锥体接触。钻杆自中心管通过与膨胀机构相连，当下到预定层位，上提钻具指定的位移，由于弓形弹簧与套管内壁有摩擦而保持不动，中心管被钻杆和膨胀机构带动上移，当换向轨道最下端的齿结构到达转环位置时，转环发生转动，换向销钉换到长轨道中，这时再下放钻具，中心管下行，由于长轨道比短轨道长，下放一定位移后锥体接触到弓形弹簧上端的卡瓦，卡瓦沿锥体斜面撑开紧贴在套管内部上，进一步下压钻具直到剪断钻杆上剪切环的销钉，使卡瓦表面的牙嵌入套管内壁，从而使悬挂机构锚定在套管内壁上。需要解除锚定时，上提钻杆，膨胀机构带动中心管上移，中心管带动锥体上移使卡瓦收回，解除锚定。

1.3脱接机构

为了实施膨胀作业，需要一个脱接机构，将膨胀管连接到脱接机构上，连同其他机构下入井。膨胀管被膨胀后脱接机构与膨胀管分离。根据旋转式膨胀方式的需要设计了一个特殊的脱接机构。脱接机构如图4所示，主要由端盖、挡环、弹簧、轴承、上牙嵌、下牙嵌、缸套、推环组成。缸套上面与端盖相连，下面有螺纹与膨胀管相连，且缸套内壁上部与下部各有一组花键。下牙嵌和两个挡环都固定在中心管上。上牙嵌可一方面与其下面的下牙嵌结合在一起，另一方面它的外侧面开有键槽，可与缸套内壁上部的花键配合上下移动。

图4 脱接机构示意图

脱接机构连接膨胀管与其他机构一起下入到预定位置，使悬挂机构锚定在套管内壁上，当膨胀机构膨胀连接在缸套上的膨胀管时，推环在下弹簧作用下不与上牙嵌接触，上牙嵌在上弹簧作用下和下牙嵌结合在一起。膨胀过程中膨胀管受到的扭矩与轴向力经膨胀管-缸套-缸套上部花键-上牙嵌-下牙嵌-中心管传递到悬挂机构，悬挂机构锚定在套管内壁上，因此膨胀过程中膨胀管保持不动被胀开。然后上提钻杆，钻杆带动膨胀机构上移，当膨胀头本体接触到推环，带动推环上移推动上牙嵌与下牙嵌脱离，同时膨胀头上的键与缸套下部花键配合在一起。膨胀管膨胀后紧贴在套管内壁上，此时转动钻杆并带动膨胀头转动，膨胀头的键带动缸套转动使其与膨胀管脱离。