关 元，艾鹏先，孟 琪，冉 东，刘玉雪

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

随着油田生产和开发工作的深入，油井地层环境发生了巨大变化。再加上完井和固井，以及经常性的修井施工等多种因素，会引起油气井的套管损坏。如油气井套管的变形、穿孔、破裂和破损[1]。油田油气井经常受到地层高压挤压、地应力的变化、岩层沉陷和重力等因素的影响，导致油气井套管的损坏[2]。在油田生产过程中，套管变形还会造成严重后果，例如注入和生产系统不完善、产量快速下降以及对管柱磨损的影响，从而导致巨大的经济损失[3-5]。因此，重视油气田变形套管的套管整形技术，对于减少油气田的损失，改善注入和生产体系，可持续发展油气田，具有十分重要的意义。

1 套管整形器的工作原理和方案设计

如图1所示。工作时，用管柱将本套管整形器下放至油气井中套管发生变形部位；然后通过地面压力车将压力液注入管柱，从而推出整形器锚定系统中的的卡瓦机构，将本套管整形器锁定在套管的内壁上；最后压力液继续对旋转推进液压缸开始工作，推动整形器的液压缸里面整形杆一边旋转一边向下移动，整形杆末端的整形头上多排整形球滚动并且挤压套管套变部位，实现套管直径整形回复正常状态。

图1 新型旋转推进式液压滚珠整形器

2 套管整形器结构设计

基于上述套管整形器的功能要求，本文提出了一种新型旋转推进式液压滚珠整形器，其总体结构设计如图2所示。该整形器主要由锚定系统、旋转推进系统和整形头三部分构成。

图2 液压整形器总体结构图

2.1 锚定系统

锚定系统的结构如图3所示。其作用主要是保证设计的新型旋转推进式液压滚珠整形器在整形修复套管的过程中固定及承受整个修复装置的上顶力。它主要由上接头、弹簧座、弹簧、锲形体、中心管、卡瓦座、卡瓦牙、卡簧、下接头、压力阀内芯、压力阀弹簧和压力阀外套组成。

锚定系统的工作原理是：锚定锲形体在压力液的推动作用下向下运动，使整形器的锚定卡瓦张开，锚定在油气井套管的内壁上，从而达到锚定。在压力液卸压的时候，卡瓦在弹力作用下收缩，达到解除锚定状态。

图3 锚定系统的基本结构

2.2 液压推进系统

液压推进系统结合了传统液压缸和液压马达的特性，在压力液的作用下，在缸体内实现整形杆的往复推进和旋转的复合运动，带动整形头对产生变形的套管进行整形修复。

推进旋转液压缸如图4和图5所示。工作原理为：由于整形杆的旋转与往复运动在同一压力液的作用下，当整形杆的旋转扭矩过于大时，压力液的压力作用会调节推动整形杆做往复运动；当压力液的推动力大于整形杆扭矩时，整形杆的旋转运动占主要作用，也就是“推不动则转，转不动则推”。

图4 旋转推进液压缸的基本结构

图5 液压缸的旋转部件

2.3 套管整形器整形头

整形头是锥形结构，如图6所示。整形头固定在整形杆末端。整形头上有多排条形槽，每个条形槽内有数十个整形圆球，整形圆球在条形槽内可以上下自由移动。工作时整形头在整形杆的带动下做前进旋转的复合运动，由于变形套管的挤压力使得整形圆球逐渐上移，从而使本套管套管整形器的整形头外径变大，整形圆球直到条形槽台阶部分，此时套管整形器的整形头到达最大外径。

图6 套管整形器整形头

3 结论

本文针对我国目前页岩气开发中套管的应用现状，并基于套管变形的问题，原创性地提出了一种新型旋转推进式液压滚珠套管整形器，并给出以下结论和认识：1）首次提出一种新型的旋转液压缸液压滚珠整形器的设计方案。2）研制的旋转液压缸液压滚珠整形器，整体结构简单，液压控制可靠。该工具采用卡瓦固定，保证了整形过程中的平稳性；并可根据具体工况调整更换相关部分工具，具备较高的可靠性和经济性。