地質勘探應用膨脹管時膨脹力問題的研究

徐樹斌，吳 翔

（中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074）

地質勘探應用膨脹管時膨脹力問題的研究

徐樹斌，吳 翔

（中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074）

膨脹管技術是近年來鉆井工程領域出現的一項新興的技術，該技術可以把常規套管固井導致的縮徑問題降到最低限度。它既能極大地降低建井成本，又具有很好的環保效果。膨脹管技術在地質勘探中的深孔護壁方面具有很好的前景。在理論計算公式的基礎上進行膨脹力實驗，根據實驗結果和理論計算結果對比，選擇合適的計算膨脹力的理論公式;根據實驗數據對膨脹管在地質勘探上的可行性進行分析;利用潤滑措施來降低膨脹過程中的摩擦力，從面達到降低膨脹力的目的，并且對潤滑措施的效果進行了理論分析。

膨脹套管;膨脹力;實驗;潤滑;地質勘探

0 引言

膨脹管技術是指利用坐放裝置將鋼制套管下到井下后，在井下通過冷擠擴張的方法使套管達到要求的尺寸。就其本質而言，是一個使套管徑向尺寸發生機械變化的過程。當膨脹管下入到適當的深度后，在液壓或機械壓力/拉力，或二者的共同作用下，擴管錐在膨脹管內向自由端移動，擴管錐外的膨脹管隨擴管錐的前進擴展，使管柱變形。擴實體膨脹管時，現場通常用液壓從下向上推動擴管錐進行擴管（如圖1所示）。

膨脹管技術優勢主要有以下幾方面［1］:

（1）用于多種類型的油井建井，能滿足大位移井、側鉆井、水平井、多分支井對井眼和套管尺寸的要求;

（2）用于深井、超深井和深水井的完井，降低表層套管和隔水管的尺寸，實現單一井徑的建井，減小常規套管的錐度效應;

（3）用于老井側鉆時，可降低重鉆成本，使套管的內徑損失最小;

（4）可以把改換鉆柱的次數控制到最低程度，使作業者能以較大的井眼尺寸鉆入更深的地層;

圖1 膨脹管示意圖

（5）節省鉆井時間和完井費用;

（6）能封隔膨脹性頁巖層和漏失層，防治井眼縮徑。

我國目前正在進行的深部找礦中，鉆探施工面臨著很大的困難。由于地層條件是未知的，鉆遇嚴重漏失地層時，需要套管護壁。若此時的鉆孔尺寸達到終孔設計尺寸，常規套管固井就會產生縮徑，達不到設計要求。而膨脹管技術就可以很好地解決這一問題，但是地質勘探中的設備與石油鉆井設備相比，能力比較弱。因此，膨脹力的大小成為了制約膨脹管在地質勘探中使用的主要因素。

1 膨脹力

1.1 理論計算

膨脹管在膨脹的過程中，很重要的一個問題是要達到預定的膨脹幅度，需要在膨脹工具上施加多大的膨脹力?確定膨脹管成型所需要的膨脹力，對膨脹工業設計、膨脹工具設計及施工作業都具有非常重要的指導意義。

目前的計算方法主要有主應力法求膨脹力和塑性理論求膨脹力。

1.1.1 主應力法求膨脹力［2］

式中:F——膨脹力;R1——膨脹前管材中徑的1/2;t——壁厚;σs——管材屈服極限;B——比例系數。

式中:μ——摩擦系數;α——膨脹錐錐角;R2——膨脹后管材中徑的1/2;l——膨脹錐定徑帶長度。

進一步推導，所需泥漿泵的壓力:

1.1.2 塑性理論求膨脹力［3］

1.2 膨脹力實驗研究

1.2.1 實驗目的

針對地質勘探中的膨脹管技術，研究鋼管在徑向膨脹時的膨脹力，驗證上一節中的理論公式，根據實驗結果選擇合適的公式計算膨脹力。通過實驗測出膨脹力的大小，為膨脹管技術在地質勘探中的可行性分析提供依據。

1.2.2 實驗材料與設備

本實驗選用了1根直縫管和2根無縫管，考慮到地質勘探中泥漿泵所提供的壓力較低，同時鉆機的提升力也較小，選擇屈服強度低的管材可以降低管材膨脹所需的力，使其在地質勘探中更容易應用。

管材的基本參數如表1所示。

表1 實驗管材基本參數

本次實驗，膨脹錐［4］用45鋼加工，并進行淬火處理來提高表面硬度，其結構如圖2所示。

圖2 膨脹錐結構圖

實驗所采用的設備是天水紅山試驗機有限公司生產的WE1000型1000 kN液壓力萬能試驗機。

1.2.3 實驗步驟

（1）在膨脹錐表面用記號筆劃下刻度，方便記錄不同膨脹率時所需的膨脹力大小;

（2）記錄下鋼管的內徑尺寸和膨脹錐與鋼管的初始接觸刻度;

（3）將膨脹錐置于鋼管內，放到試驗機內，給膨脹錐加壓，記錄鋼管與膨脹錐接觸的不同刻度下所需要的力;

（4）將膨脹錐的定徑區壓入到鋼管內一段距離后，將膨脹錐取出，測量出現在鋼管的內徑和壁厚。

1.2.4 實驗結果

將1號鋼管（直縫管）放到試驗機上進行實驗時，當加載力為12 kN時，鋼管開始膨脹，當把力加到83.5 kN時，鋼管在焊縫處破裂，如圖3（a）所示。將2、3號管材放到試驗機上進行實驗過程中，管材沒有發生破裂，且在實驗過程中可以聽到管材外壁上鐵銹崩落的聲音，管材膨脹后如圖3（b）所示。

2、3號管材膨脹后內徑與壁厚如表2、3所示。

1.2.5 實驗數據處理

將2、3號管材的實驗數據與2種公式的理論計算值進行對比，關系如圖4、5所示。

圖3 管材實驗結果

表2 2號管膨脹后的內徑和壁厚

表3 3號管膨脹后的內徑和壁厚

圖4 2號管材實測值與理論值對比

圖5 3號管材實測值與理論值對比

1.2.6 實驗分析

通過圖4和圖5可以看出，公式（1）、（4）計算出的理論值與實際測量值誤差較大。這可能與實驗方案有關，公式（1）和（4）都是基于膨脹錐以自下而上的方式膨脹的，而本次實驗采取的是自上而下的膨脹方式。在實驗過程中，管材發生振動，載荷出現跳動，這說明管材的內壁在加工過程中某些地方沒有被車床車光滑，造成摩擦系數變大，這也可能是誤差較大的原因。此外，管材的均勻度不高，在膨脹過程中發生不均勻變形，使膨脹力升高，產生誤差。公式（4）的計算值比公式（1）的誤差要小些，模型的可靠性要高些。

2 潤滑降低膨脹力

由公式（3）可以算出2號管材需要12.8 MPa的泵壓，3號管材需要26.9 MPa的泵壓，而這樣的泵壓遠遠超過地質勘探現場泥漿泵所能提供的泵壓。為了使膨脹管技術在地質勘探中應用，需要采取措施來降低膨脹力。

2.1 潤滑措施簡介［5］

膨脹力的大小與管材的性質、膨脹程度、膨脹錐的角度、膨脹錐和膨脹管之間的摩擦系數、膨脹速度等有關。這里主要介紹利用潤滑措施來減小膨脹力。

膨脹錐與膨脹管內表面的接觸壓力遠遠高于普通機械傳動中接觸表面間的壓力，機器軸承中，接觸面壓通常只有20～50 MPa，有分析結果表明，為了使套管被擴張變形，膨脹工具與套管內壁間的接觸面可以高達500～800 MPa。膨脹錐發生彈性變形，套管發生塑性變形，套管表面發生壓擠而轉變為和膨脹錐表面相貼合的形狀。這種高的接觸表面間壓力，給膨脹時的潤滑帶來一定的困難。

在鋼管壓力加工中，所采用的成熟潤滑方法有:化學處理法、樹脂膜法、油潤滑法。各種潤滑法的特點見表4。

表4 鋼管壓力加工中各種潤滑方法的特點

通過分析，認為在膨脹管作業中可以采用化學處理法結合油潤滑法進行潤滑。化學處理法抗粘接性好，潤滑性好，且適合于碳素鋼和低合金鋼。同時采用油潤滑法可以使潤滑狀態從邊界摩擦轉變為邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態，或純流體摩擦狀態，從而大大降低膨脹過程中的摩擦力。

對于膨脹管作業，除了選擇性能良好的潤滑劑，也要采用好的潤滑方式以減小膨脹過程中的摩擦與磨損。流體潤滑是金屬冷拔過程中最理想的潤滑狀態，當工作狀態為流體潤滑時，兩摩擦表面不直接接觸，由一層厚度約10倍于表面粗糙度的潤滑膜所隔開，依靠潤滑劑的壓力來平衡外載荷。此時，由于兩摩擦表面不直接接觸，產生的摩擦為潤滑劑分子之間的內摩擦，因此摩擦系數很小，約為0.001～0.02。井下的膨脹管作業也可以采用流體潤滑方法，發揮流體潤滑的作用。圖6所示為一種膨脹作業中的流體潤滑方案，在膨脹錐上面一段距離處增加密封環，然后在密封環與膨脹錐所形成的空間放置潤滑劑，當膨脹錐運動進行膨脹時，潤滑劑進入膨脹錐與管壁間的接觸面，當潤滑劑的壓力高達一定數值時，就可以在接觸面間保持流體潤滑膜，產生良好的潤滑作用。

圖6 膨脹錐與管壁間的流體潤滑方式

2.2 潤滑效果理論分析

按照上述分析結果，對內壁采取特殊處理形成固體潤滑膜后，潤滑效果好于不采取特殊潤滑效果的管材。根據資料鋼材之間有潤滑時的摩擦系數在0.05～0.1之間，這里選取摩擦系數為0.08，其余條件不變，按公式（4）對2、3號管材進行計算得出的膨脹力見表5。

表5 采取潤滑措施后的理論膨脹力

如果采取流體潤滑方式，則摩擦系數約為0.001～0.02，這里選取摩擦系數為0.02，按公式（4）對2、3號管材進行計算得出的膨脹力見表6。

表6 采取流體潤滑后的理論膨脹力

由表5和表6可知，采取固體潤滑后，2、3號管材的膨脹力分別下降了53.9%、42.4%，采取流體潤滑后，2、3號管材的膨脹力分別下降了72.7%、65.4%，潤滑效果明顯。

3 結論

本文在前人理論公式的基礎上，選用3種管材進行實驗，得出以下結論:

（1）根據實驗數據與理論值對比，基于塑性力解出的膨脹力比主應力法解出的膨脹力結果更精確;

（2）為使膨脹管滿足地質勘探設備的要求，可采取潤滑措施降低膨脹力，經理論分析，效果顯著。

［1］ 楊傳勇.國外膨脹管技術的發展及應用［J］.石油機械，2006，34（10）:74-77.

［2］ 林元華，張建兵，施太和，等.計算膨脹管膨脹力的新方程［J］.西南石油大學學報，2007，29（2）:154-156.

［3］ 龔龍祥，付建紅，林元華，等.膨脹管膨脹力的理論計算［J］.鉆采工藝，2006，29（4）:76-77.

［4］ 楊冬平，王德勇，高學仕，等.石油套管膨脹力仿真及膨脹體錐角設計［J］.管道技術與設備，2007，（2）.

［5］ 張建兵，韓勇，林元華.膨脹管潤滑措施分析［J］.石油機械，2007，35（7）:7-9.

［6］ 張建兵.油氣井膨脹管技術機理研究［D］.四川成都:西南石油學院，2003.

Experimental Study on Expansion Force of Expandable Tubular Used in Geological Exploration

XU Shu-bin，WU Xiang（China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China）

Expandable tubular technology presents a new and unique challenge to the drilling industry，which can solve the problem of diameter shrinkage in well cementation and reduce the construction cost with good environmental protection effect and good future prospect in geological exploration.Experiments of expansion force were made based on the theoretical formula.By the comparison between experimental data and theoretical results，reasonable theoretical formula was chosen;the feasibility of expandable tubular using in geological exploration was analyzed;the expansion friction was reduced by lubrication measures to lower the expansion force and the lubrication effect were analyzed in theory.

expandable tubular;expansion force;experiment;lubrication;geological exploration

P634.4;TE931+.2

A

1672-7428（2012）01-0014-04

2011-08-05

徐樹斌（1988-），男（漢族），江蘇如東人，中國地質大學（武漢）碩士研究生，地質工程專業，研究方向為定向井鉆井工藝，湖北省武漢市魯磨路388號，xushubin-719@163.com。