旋轉式膨脹系統總體設計

李慶德 (中石油大慶鉆探工程公司定額造價中心，黑龍江 大慶 163458)

旋轉式膨脹系統總體設計

李慶德 (中石油大慶鉆探工程公司定額造價中心，黑龍江 大慶 163458)

根據旋轉式膨脹的工作原理，對可用于尾管懸掛和套管修補的旋轉式膨脹系統的整體結構進行了設計。設計了旋轉式膨脹系統的總體結構，旋轉式膨脹系統主要由懸掛機構、脫接機構、膨脹機構、中心管、鉆桿、剪切環幾部分組成，并設計了與之相符的工藝流程，對進一步的旋轉式膨脹系統的研究提供了一定的參考和依據。

旋轉式膨脹系統；尾管懸掛；套管修補

膨脹管技術就是在井眼中將管柱徑向膨脹至塑性變形區域，以達到“節省”井眼直徑、縮小鉆孔尺寸的一種新興技術，被認為是21世紀石油鉆采行業最具發展前景的技術之一，該技術可以改善現有井身結構以及增大完井井眼直徑、提高固井質量、解決修井難題、降低成本、提高經濟效益[1-2]，可有效應用于鉆井、完井、固井、修井等方面[3]。

膨脹管技術于20世紀80年代末期由殼牌石油公司首創，目前世界上提供膨脹管技術和膨脹產品的公司主要包括威德福、Enventure、哈里伯頓、斯倫貝謝公司等。膨脹管技術早期的膨脹工具主體是一個膨脹錐，在井下通過冷擠擴張的方法將膨脹管脹開，這種方式需要的軸向力大且管材在膨脹后有較大的軸向縮短。威德福公司開發的旋轉式膨脹技術，克服了膨脹后管子長度縮短現象，把脹管所需要的力降低了90%，由于是滾動摩擦，摩擦力大大減小，對套管內徑的不規則性具有很好的適應能力[4-6]。

旋轉式膨脹技術與可膨脹尾管懸掛器施工工具一起使用時，可用來膨脹可膨脹篩管和其他不注水泥尾管，也可用來膨脹更長的實體管套管修補系統。由于其技術保密性強，可供參考的國內外研究文獻很少，國內科研機構在跟蹤國外發展狀況的同時，僅限于理論及實驗室的研究。下面，筆者根據旋轉式膨脹的工作原理，對可用于尾管懸掛和套管修補的旋轉式膨脹系統的整體結構進行了設計。

1 設計方案及結構原理

旋轉式膨脹系統主要由懸掛機構、脫接機構、膨脹機構、中心管、鉆桿、剪切環幾部分組成，總體結構如圖1所示。懸掛機構連接在中心的上部，脫接機構連接在中心管下部，中心管為中空管，鉆桿從中心管中通過，鉆桿下面連接膨脹機構。下井時脫接機構下面連接膨脹管，膨脹機構緊貼膨脹管內壁，且膨脹機構最大外徑比中心管的內徑大，因此中心管可卡在膨脹機構上，又因為懸掛機構、脫接機構都連接在中心管上，因此中心管連同懸掛機構、脫接機構及膨脹管隨鉆桿下到目的層位。到達預定位置后，先啟動懸掛機構使懸掛機構錨定在套管內壁上，位于懸掛機構上方有一個剪切環通過銷釘與鉆桿相連，懸掛機構錨定后下壓鉆具，剪切環碰到懸掛機構的錐體后繼續下壓鉆具剪斷剪切環上的銷釘，利用鉆桿向膨脹機構注入液體打壓并帶動膨脹機構旋轉將膨脹管脹開，使膨脹管脹開的部分緊貼在套管內壁上，膨脹結束后通過脫接機構的動作使膨脹管與脫接機構脫離，由于膨脹管最上端用于連接脫接機構的部位還沒膨脹，再次啟動膨脹機構將膨脹管最上端用于連接脫接機構的部位脹開，最后解除錨定，起鉆。起鉆時鉆桿連同懸掛機構、脫接機構及膨脹機構一起收回到地面。

1.1膨脹機構

根據自適應旋轉膨脹的原理[7]，膨脹機構由膨脹頭和限壓閥組成。

圖1 系統總體示意圖

1)膨脹頭結構原理 膨脹頭主要由膨脹頭本體、活塞、滾輪、滾輪軸、軸承、壓蓋、壓蓋螺栓、鍵等組成(見圖2)。滾輪安裝在滾輪軸上，軸承在滾輪轉動時起支撐和使滾輪自由轉動的作用，滾輪軸2端與2個活塞接觸，活塞向內面向膨脹頭本體的中心孔，本體外面有壓蓋將滾輪軸封蓋住。

圖2 膨脹機構結構示意圖

在膨脹作業時，膨脹頭上部與鉆柱相連，下部與限壓閥聯接。通過鉆機將整套系統送入井中預定位置。懸掛機構錨定在套管內壁后，通過地面液壓系統將液體通過鉆柱內孔打入膨脹頭主體中心孔內，此時液體壓力沒有達到限壓閥設定的額定壓力，限壓閥關閉。活塞在液壓作用下沿徑向向外運動，同時帶動滾輪軸組件運動，從而使滾輪在滾輪軸帶動下沿徑向推出，使滾輪對膨脹管內壁產生擠壓。隨著液體壓力的增加，滾輪對膨脹管內壁的壓力也隨之增加，當壓力超過膨脹管的屈服應力時，接觸面產生塑性變形。當塑性區擴展，整個壁厚都進入塑性變形，則膨脹管緊貼在套管內壁上。在向鉆柱內注入液體的同時鉆柱不停地旋轉，使膨脹管被均勻地膨脹開。當液壓達到限壓閥設定的額定壓力時，限壓閥開啟，壓力驟降，滾輪縮回，限壓閥復位，當膨脹頭在鉆具帶動下沿軸向走一個位移運動到膨脹管下一個位置時，液體壓力再次升高，將下一個位置脹開。如此周而復始，形成了一個連續的膨脹作業，完成對膨脹管的膨脹。膨脹過程中，膨脹管所受的扭矩和軸向力通過脫接機構和中心管傳遞到懸掛機構上，進而傳遞到套管內壁上。膨脹管脹開后貼在套管內壁上，通過膨脹頭本體上的鍵與脫接機構配合使脫接機構與膨脹管脫離。由于膨脹管最上端用于連接脫接機構的部位還沒膨脹，再次啟動膨脹作業將該部位脹開。

2)限壓閥結構原理 限壓閥主要由泄壓孔、閥芯、彈簧、限壓閥本體組成(見圖2)。其上面連接膨脹頭，限壓閥在小于設定的額定壓力時關閉，液體不能流過，從而使膨脹機構中產生液體壓力將膨脹管脹開。當達到設定的額定壓力時，限壓閥閥芯下移，壓縮彈簧，自泄壓孔泄壓，從而使壓力驟降，膨脹頭的滾輪縮回，限壓閥復位，當膨脹頭在鉆具帶動下沿軸向走一個位移運動到膨脹管下一個位置時，液體壓力再次升高，將下一個位置脹開。如此周而復始，形成了一個連續的膨脹作業。

1.2懸掛機構

膨脹過程中膨脹管受到扭矩與軸向力，需要設計了一個懸掛機構與一個膨脹管脫接機構連同膨脹機構聯合作業。現在有多種懸掛和錨定方法[8-10]，但不能直接應用于本系統。筆者根據旋轉式膨脹方式的需要設計了可配合膨脹機構進行膨脹作業的懸掛機構。

懸掛機結構示意圖如圖3所示，主要由弓形彈簧、轉環、壓帽、換向軌道、錐體、卡瓦組成。換向軌道開在中心外壁上，轉環位于弓形彈簧最下端，由壓帽蓋住，轉環內有換向銷釘。錐體固定在中心管上，卡瓦連接在弓形彈簧的上端，弓形彈簧最大外徑大于套管內徑。

轉環內有換向銷釘，當工具下井過程中，換向銷釘位于換向軌道的短軌道內，由于短軌道對換向銷釘的限制，連接在弓形彈簧上端的卡瓦不能和錐體接觸。鉆桿自中心管通過與膨脹機構相連，當下到預定層位，上提鉆具指定的位移，由于弓形彈簧與套管內壁有摩擦而保持不動，中心管被鉆桿和膨脹機構帶動上移，當換向軌道最下端的齒結構到達轉環位置時，轉環發生轉動，換向銷釘換到長軌道中，這時再下放鉆具，中心管下行，由于長軌道比短軌道長，下放一定位移后錐體接觸到弓形彈簧上端的卡瓦，卡瓦沿錐體斜面撐開緊貼在套管內部上，進一步下壓鉆具直到剪斷鉆桿上剪切環的銷釘，使卡瓦表面的牙嵌入套管內壁，從而使懸掛機構錨定在套管內壁上。需要解除錨定時，上提鉆桿，膨脹機構帶動中心管上移，中心管帶動錐體上移使卡瓦收回，解除錨定。

1.3脫接機構

為了實施膨脹作業，需要一個脫接機構，將膨脹管連接到脫接機構上，連同其他機構下入井。膨脹管被膨脹后脫接機構與膨脹管分離。根據旋轉式膨脹方式的需要設計了一個特殊的脫接機構。脫接機構如圖4所示，主要由端蓋、擋環、彈簧、軸承、上牙嵌、下牙嵌、缸套、推環組成。缸套上面與端蓋相連，下面有螺紋與膨脹管相連，且缸套內壁上部與下部各有一組花鍵。下牙嵌和兩個擋環都固定在中心管上。上牙嵌可一方面與其下面的下牙嵌結合在一起，另一方面它的外側面開有鍵槽，可與缸套內壁上部的花鍵配合上下移動。

圖4 脫接機構示意圖

脫接機構連接膨脹管與其他機構一起下入到預定位置，使懸掛機構錨定在套管內壁上，當膨脹機構膨脹連接在缸套上的膨脹管時，推環在下彈簧作用下不與上牙嵌接觸，上牙嵌在上彈簧作用下和下牙嵌結合在一起。膨脹過程中膨脹管受到的扭矩與軸向力經膨脹管-缸套-缸套上部花鍵-上牙嵌-下牙嵌-中心管傳遞到懸掛機構，懸掛機構錨定在套管內壁上，因此膨脹過程中膨脹管保持不動被脹開。然后上提鉆桿，鉆桿帶動膨脹機構上移，當膨脹頭本體接觸到推環，帶動推環上移推動上牙嵌與下牙嵌脫離，同時膨脹頭上的鍵與缸套下部花鍵配合在一起。膨脹管膨脹后緊貼在套管內壁上，此時轉動鉆桿并帶動膨脹頭轉動，膨脹頭的鍵帶動缸套轉動使其與膨脹管脫離。

2 工藝流程

(1)將膨脹機構、懸掛機構及脫接機構總體組裝在一起，并將膨脹管連接在脫接機構上。

(2)用鉆桿將膨脹機構、懸掛機構、脫接機構連同膨脹管下入井。當到達預定位置后，采取上提與下放鉆具的方式使懸掛機構的卡瓦撐開錨定在套管內壁上，當進一步下壓鉆具，剪斷剪切環，從指重表顯示判斷坐掛完畢。

(3)自鉆桿向膨脹機構注入液體打壓，膨脹機構的滾輪組在液壓的驅動下沿徑向向外推出，邊轉動鉆具邊緩慢向下移動進行膨脹作業，則膨脹管被脹開并緊貼在套管內壁上。

(4)停止打壓，上提鉆具一定的距離，轉動鉆具指定圈數，則膨脹后的膨脹管與脫接機構脫離。

(5)因前面膨脹作業，膨脹管上端與脫接機構的連接部位沒有被膨脹。當膨脹管與脫接機構脫離后，再次啟動膨脹機構將膨脹管最上端用于連接脫接機構的部位脹開。

(6)停止打壓，上提鉆具，膨脹機構帶動中心管上移，中心管帶動錐體上移使卡瓦收回，解除錨定。

(7)起鉆，將膨脹機構、懸掛機構及脫接機構收回地面。

3 結論

(1)特殊的脫接機構設計可在膨脹過程中使膨脹管保持不動且不影響鉆具和膨脹機構實施膨脹作業，在膨脹管被脹開后又可使膨脹管與之脫離。

(2)懸掛機構操作簡單且不影響鉆具和膨脹機構實施膨脹作業，符合旋轉式膨脹作業的需要。

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[編輯] 洪云飛

TE921

A

1673-1409(2013)22-0083-04

2013-03-28

李慶德(1977-)，男，工程師，現主要從事鉆井工程定額造價方面的研究工作。