實體膨脹管實物膨脹評價裝置設計

潘志勇，燕 鑄，宋生印，上官豐收，馮耀榮，申昭熙，王新虎，黃永章

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065；2.中國石油技術開發公司，北京100028；3.川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院，西安710021） ＊

·設計計算·

實體膨脹管實物膨脹評價裝置設計

潘志勇1，燕 鑄2，宋生印1，上官豐收1，馮耀榮1，申昭熙1，王新虎1，黃永章3

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065；2.中國石油技術開發公司，北京100028；3.川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院，西安710021）＊

針對現有簡易膨脹試驗裝置存在的膨脹力小、膨脹速度慢、膨脹過程和現場實際不一致等問題，設計了專業的實體膨脹管實物膨脹評價裝置。該裝置可模擬油田現場井下膨脹情況，對膨脹管進行膨脹檢測和評價，且可在單純的機械拉力或單純的水壓或兩者共同作用下對膨脹管進行膨脹試驗。利用該裝置還可進行鋼管膨脹變形規律研究、膨脹管材料選擇和開發、膨脹錐優化設計、膨脹工藝研究等，在保證膨脹管產品質量的同時將大力促進實體膨脹管的國產化。

評價裝置；實體膨脹管；膨脹；膨脹錐；試驗

實體膨脹管技術是油氣井工程領域內的重大新技術之一，廣泛應用于鉆井、完井和修井作業中［1－2］。目前，實體膨脹管技術主要由國外的Enventure公司、Weatherford公司、Baker Hughes公司和Halliburton公司所壟斷，其中Enventure公司已經研制生產出了?108.0～?339.7mm系列規格的實體膨脹管，并于2007－12在大斜度井和水平井中進行了成功應用。近年來，我國也開始了對實體膨脹管技術的研究［3－8］。

實體膨脹管技術有很多關鍵技術，例如材料、膨脹接頭、密封、潤滑以及膨脹錐的結構等都屬于商業秘密，國外對該技術嚴格保密，國內很難引進，而該技術服務由國外石油公司所壟斷，國內使用該技術要付出高昂的代價，因此迫切需要開發具有自主知識產權的實體膨脹管技術。

膨脹起脹裝置是制約膨脹試驗和膨脹作業開展的重要因素之一。國外現場膨脹作業中無起脹過程，而是直接將事先已制作好的膨脹腔通過螺紋連接在膨脹管上進行膨脹作業，其中膨脹錐事先裝在膨脹腔內，膨脹腔的內徑等于膨脹管膨脹后的內徑。由于膨脹腔利用可鉆材料制成，和膨脹管的螺紋連接很難保證良好密封；另外，每次膨脹作業必須使用1個膨脹腔，造成較大浪費。國內的膨脹管試驗主要通過固定膨脹錐后機械拉伸膨脹管進行，膨脹過程中膨脹管端部處于固定約束狀態，這和井下實際作業狀態不同。

國外實體膨脹管已在國內的勝利油田、大港油田、塔里木油田等現場使用，但由于國內無對膨脹管進行膨脹評價的裝備，所以無法了解膨脹管質量的好壞，進而造成安全隱患。國內已有單位試制出實體膨脹管，但由于缺乏專業的膨脹檢測評價裝備無法馬上推廣應用。

1 相關裝置分析

目前，國內外還未見膨脹管實物膨脹評價專業裝置的技術研究及報道，已發表和使用的有關裝置主要有如下幾種：

1） 《實體膨脹管膨脹設備》［9］介紹了一種使用液壓驅動膨脹錐進行膨脹的裝置，這種裝置適合油田現場小膨脹率的作業，如果進行大膨脹率（膨脹率約30%）的膨脹試驗，單靠液壓力很難驅動膨脹錐向前運動。

2） 《基于絲杠傳動的實體膨脹管》［10］介紹了一種基于絲杠傳動的實體膨脹管膨脹裝置，它采用螺桿傳動驅動膨脹錐進行膨脹，設計的膨脹方式是自上而下，由于膨脹錐需要很大的驅動力，而滑動絲桿傳動效率低，而且油田現場采用的是自下而上的方式進行膨脹，該裝置使用受到限制。

3） 《鉆井實體膨脹管縱向金屬流動的試驗研究》［11］中試驗裝置采用固定膨脹錐后機械拉伸膨脹管進行，膨脹過程中膨脹管端部采用固定約束，膨脹過程中不能保證膨脹錐中心軸線與管子中心軸線重合，試驗結果與實際有偏差。

4） 《API L80套管的膨脹性能試驗研究》［12］中試驗使用壓縮試驗機推動膨脹錐進行膨脹，膨脹過程中管子要承受很大的壓力，管子受力狀態與油田現場實際明顯不同，試驗結果與實際有較大偏差，而且管子較長時膨脹過程中管子可能產生屈曲。

5） 《膨脹管系統受力及運動分析》［13］對膨脹管使用液壓進行膨脹進行了理論受力分析，該理論裝置只能在液壓的作用下推動膨脹錐進行膨脹作業，大鉤懸掛加壓管柱和膨脹管于井筒內，膨脹錐不能在大鉤單獨的拉力作用下進行膨脹，大鉤和加壓管柱對膨脹錐的作用力是液壓膨脹過程中產生的一種可能為拉也可能為壓的輔助力。

2 技術分析

2009－03，中國石油集團石油管工程技術研究院開始研究實體膨脹管實物膨脹評價裝置，于2010－05完成最終的設計，目前已進入裝置的制造階段，并已獲授權中國實用新型專利專利，專利號：ZL201020242182.0。利用該裝置不僅可對膨脹管進行實物膨脹檢測評價，同時還可開展鋼管膨脹機理或膨脹變形規律研究、膨脹管材料選擇或開發、膨脹錐優化設計、膨脹工藝研究等，該裝置在推動膨脹管技術不斷進步的同時將推進實體膨脹管國產化。2.1 結構

實體膨脹管實物膨脹評價裝置管端起脹結構如圖1所示，膨脹結構如圖2所示。

圖1 管端起脹結構

評價裝置由加載框架、膨脹錐、油缸、水壓系統和傳感器構成。加載框架由槽鋼Ⅱ、封堵Ⅰ和封堵Ⅱ構成框架結構，膨脹管位于加載框架的前端，由槽鋼Ⅰ和V形塊Ⅰ固定，使膨脹管中心線與加載框架中心線同軸。槽鋼Ⅰ固定在槽鋼Ⅱ上，膨脹管后端由固定在擋板上的支撐塊固定，擋板由擋塊固定在槽鋼Ⅱ上。膨脹錐位于膨脹管中、前端，膨脹錐后端通過過渡接頭與油缸活塞桿連接。油缸位于加載框架后端，由槽鋼Ⅰ和V形塊Ⅱ固定，使油缸中心線與加載框架中心線同軸。油缸活塞桿穿過擋板和支撐塊中心設置的孔與油缸連接。伸縮位移傳感器位于油缸內，前端伸入油缸活塞桿的中心孔中，后端固定在封堵Ⅱ上。膨脹管前端由管堵堵管，膨脹管外管堵上設有高壓注水管和耳座。設在封堵Ⅰ外的傳感器通過螺母、單耳螺桿由銷釘與耳座連接。

圖2 膨脹結構

2.2 工作原理

膨脹管管端起脹時，膨脹管被上、下V形塊固定，同時另一端由擋板擋?。欢笈蛎涘F在油缸活塞桿拉力作用下緩慢向前移動，完成膨脹管管端的起脹。

起脹過程完成后，退出膨脹錐，擰下活塞桿使其退回油缸內；而后拆卸膨脹管上部V形塊和槽鋼，拆卸膨脹管端部擋板；然后伸出活塞桿與膨脹錐連接。把管堵焊接在膨脹管起脹端，銷釘連接單耳螺桿和耳座，裝好傳感器和螺母，通上高壓水，于是膨脹錐可在活塞桿拉力和高壓水推力或任意一種方式下完成膨脹管的膨脹過程。

2.3 主要技術參數

試樣直徑 ?90～?340mm

試樣長度 ≤5m

膨脹速度 0～9m／min

軸向拉伸載荷 0～1 000kN

水壓系統壓力 0～70MPa

水壓系統排量 0～16m3／h

裝置長度 ≤15m

2.4 結構特點

膨脹管膨脹評價時已起脹端部采用鉸接方式固定，軸向固定，徑向自由，保證了膨脹管在膨脹過程中受力狀態與油田作業現場實際吻合。膨脹過程可采用3種方式進行膨脹：①單純依靠活塞桿拉力拉動膨脹錐進行膨脹；②單純依靠高壓水壓力推動膨脹錐進行膨脹；③聯合前2種力移動膨脹錐進行膨脹。為了進行不同膨脹率的檢測評價，需準備多種規格的膨脹錐。

3 試驗

選取規格為?114.3mm×5.21mm N80的套管試樣在實驗室分別進行膨脹率為20.5%和25.5%的膨脹試驗。試驗采用活塞桿牽引膨脹錐進行膨脹，管端初始膨脹后的形貌如圖3；管體膨脹過程中的形貌如圖4；活塞桿牽引力與膨脹錐水平位移關系如圖5。在整個膨脹過程中，評價裝置運行平穩、工作可靠，能滿足實體膨脹管的評價要求。

圖3 管端初始膨脹

4 結論

1） 實體膨脹管實物膨脹評價裝置能模擬現場情況對膨脹管進行實物膨脹檢測和評價，保證了膨脹管產品使用的安全性和可靠性。

2） 評價裝置可采用3種方式對膨脹管進行膨脹，并且該裝置結構簡單、成本較低，具有廣泛的應用前景。

3） 利用評價裝置還可進行膨脹管產品開發和膨脹工藝優化設計。

［1］ 陳功劍，李春福，王朋飛，等.可膨脹管技術及其在石油工業中的應用［J］.石油儀器，2009，23（2）：65－67.

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Design of Expansion Evaluation Device for Solid Expandable Tube

PAN Zhi－yong1，YAN Zhu2，SONG Sheng－yin1，SHANGGUAN Feng－shou1，FENG Yao－rong1，SHEN Zhao－xi1，WANG Xin－hu1，HUANG Yong－zhang3
（1.Tubular Goods Research Center，CNPC，Xi’an710065，China；2.China Petroleum Technology ＆Development Corporation，Beijing100028，China；3.CCDC Changqing Engineering Technology Research Institute，Xi’an710021，China）

In consideration of the problems of current simple devices as low expansion force and low expansion speed and expansion process that didn’t match the reality and etc.，an expansion evaluation device for solid expandable tube was designed.The solid expandable tube can be checked and evaluated by expansion simulating oil field reality.The solid expandable tube can be expanded by only machine tensile or only hydraulic pressure or the combination of machine tensile and hydraulic pressure.Some other works can be carried out by making use of evaluation device，for example research on deformation law for expandable tube and choice and development on expandable tube’s material and optimization design on the expansion cone and study on expansion technology and etc.The evaluation device will make a great role on promoting expandable tube quality and advance the localization process of solid expandable tube industry of china.

evaluation device；solid expandable tube；expansion；expansion cone；test

1001－3482（2012）11－0027－04

TE931.2

A

2012－05－03

中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發項目（2011A－4208）

潘志勇（1976－），男，湖北天門人，工程師，碩士，主要從事石油管材方面的研究和技術服務工作，E－mail：panzy＠cnpc.com.cn。