提高膨脹波紋管在彎曲井眼中應(yīng)用可靠性研究

劉鵬 陶興華 胡彥峰 涂玉林

中國石化石油工程技術(shù)研究院

鉆井過程中為了能夠快速有效地封隔易坍塌等復(fù)雜地層，安全順利鉆至目的層，國內(nèi)外研發(fā)了膨脹波紋管技術(shù)。膨脹波紋管是將圓管加工成型為異型管，在井下利用液壓和膨脹工具將其恢復(fù)至圓管，管體通過與井壁間的摩擦力直接固定在井壁上，作為臨時(shí)套管封隔復(fù)雜地層，而且封隔段不減少原井眼尺寸［1］。膨脹波紋管技術(shù)在直井段的應(yīng)用基本成熟，但在彎曲井眼中受井眼條件的影響，國內(nèi)尚未有成功應(yīng)用的案例，國外雖然成功進(jìn)行過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但在應(yīng)用規(guī)模和應(yīng)用成功率等方面還有待提高［2］。

目前，膨脹波紋管在彎曲井眼中應(yīng)用面臨的主要難題包括：(1)井眼對(duì)膨脹過程的影響規(guī)律不明確，井眼準(zhǔn)備時(shí)間長，井眼質(zhì)量難以保證；(2)水力膨脹過程中管串承壓能力不穩(wěn)定；(3)配套工具強(qiáng)度和應(yīng)對(duì)復(fù)雜情況的能力需要提高。

針對(duì)上述難題開展了相關(guān)研究，為提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可靠性提供解決思路，擴(kuò)大膨脹波紋管的應(yīng)用范圍，解決地層漏失、坍塌等復(fù)雜情況，縮短處理復(fù)雜情況時(shí)間，保障后續(xù)鉆進(jìn)順利進(jìn)行，并為膨脹波紋管實(shí)現(xiàn)單一井徑技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

與直井段相比，膨脹波紋管在彎曲井段中應(yīng)用，除了受井徑影響外，還受井斜角變化率、方位角變化率等多因素制約，對(duì)應(yīng)用段的井眼條件要求更高；膨脹過程中管串受井眼約束更大，對(duì)管串性能要求更高；管串在井下的膨脹狀態(tài)更難以掌控，要求配套工具的可靠性更高、功能更齊全；應(yīng)對(duì)彎曲井眼中的復(fù)雜情況，施工工藝應(yīng)具有針對(duì)性。因此，膨脹波紋管在彎曲井眼中應(yīng)用的關(guān)鍵是明確井眼條件對(duì)膨脹性能的影響規(guī)律，提高應(yīng)用段的井眼質(zhì)量，增強(qiáng)管串整體承壓能力，研發(fā)新型配套工具，完善施工工藝等。

目前國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的膨脹波紋管為?241 mm、?216 mm 和?149 mm 這 3 種型號(hào)，其中?149 mm膨脹波紋管尺寸小，膨脹困難，應(yīng)用難度更大。國內(nèi)大部分定向井和水平井的井眼軌跡設(shè)計(jì)中，井斜角變化率小于 30(°)/30 m，方位角變化率小于 20(°)/30 m［3］，本研究主要針對(duì)此井眼條件和?149 mm膨脹波紋管。為方便研究，將膨脹波紋管的端面分成凹槽處、凸棱處和圓弧端面3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 膨脹波紋管端面Fig.1 End of expandable bellow

1.1 井眼準(zhǔn)備

1.1.1 井眼條件對(duì)膨脹性能的影響

通過模擬計(jì)算和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，模擬膨脹波紋管在不同井眼條件下的受力情況和膨脹狀態(tài)。利用有限元計(jì)算軟件建立井眼、膨脹波紋管和焊縫模型，分析井徑、井斜角變化率、方位角變化率等變化時(shí)，管串外徑隨膨脹壓力的變化規(guī)律，求取管體最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的變化情況［4］。地面采用彎曲鋼管模擬彎曲井眼，驗(yàn)證膨脹波紋管在彎曲井眼中的膨脹狀態(tài)。

通過模擬分析得出：井徑和方位角變化率對(duì)膨脹過程的影響較大，井斜角變化率的影響較小(見圖2)。井徑越小、井斜角變化率越大、方位角變化率越大對(duì)膨脹過程的約束越大；在相同壓力條件下，膨脹外徑越小，越不利于進(jìn)行機(jī)械膨脹和后續(xù)的鉆進(jìn)作業(yè)。因此，在井眼準(zhǔn)備過程中，要重點(diǎn)控制井徑和方位的變化，井眼盡量保持圓滑。

?149 mm膨脹波紋管未成型前圓管的外徑為168 mm，通過模擬膨脹波紋管在彎曲井眼中的膨脹試驗(yàn)（見圖3）得出：井徑小于168 mm時(shí)，膨脹過程應(yīng)力集中明顯，管串容易失效，與空氣中自由膨脹狀態(tài)相比，膨脹外徑明顯減小，增大了后續(xù)機(jī)械膨脹的難度；井徑大于178 mm后，管體與井壁間的摩擦力明顯降低，不利于管體在井壁的固定；井徑位于168～178 mm時(shí)，管體的膨脹外徑滿足機(jī)械膨脹的要求，管體與井壁間的摩擦力滿足管串懸掛的要求。井斜角變化率小于30(°)/30 m，方位角變化率小于20(°)/30 m時(shí)，管體膨脹時(shí)的受力情況均低于管體的強(qiáng)度。

圖2 井眼條件對(duì)膨脹外徑的影響Fig.2 The influence of well conditions on expansion diameter

1.1.2 膨脹波紋管應(yīng)用井段井眼準(zhǔn)備

膨脹波紋管施工前需要對(duì)應(yīng)用井段進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，擴(kuò)眼作業(yè)本身存在風(fēng)險(xiǎn)，在復(fù)雜地層中，更容易造成漏失、掉塊、卡鉆等復(fù)雜情況，而且處理時(shí)間越長井下風(fēng)險(xiǎn)越大［5］。為了減少井眼準(zhǔn)備時(shí)間，提高井眼質(zhì)量，對(duì)于復(fù)雜情況基本明確的地層，可采用隨鉆擴(kuò)眼方式。目前此類擴(kuò)眼工具主要有2類：一類為基于雙心擴(kuò)眼理論的隨鉆定向擴(kuò)眼鉆頭，例如CSDR鉆頭［6］，針對(duì)復(fù)雜地層明確的井段，鉆進(jìn)過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)井眼軌跡和井徑的控制；另一類為可控式隨鉆擴(kuò)眼工具，例如RipTide擴(kuò)眼工具，可在鉆頭鉆穿復(fù)雜地層后，通過地面信號(hào)控制，進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼作業(yè)。對(duì)于其他突發(fā)復(fù)雜情況，可在鉆穿復(fù)雜地層后，進(jìn)行鉆后擴(kuò)眼。

圖3 模擬彎曲井眼中的膨脹波紋管膨脹試驗(yàn)Fig.3 Expansion test of expansion bellows in simulated bending well

隨鉆定向擴(kuò)眼鉆頭可以實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成定向和擴(kuò)眼作業(yè)，鉆頭在設(shè)計(jì)過程中主要面臨的難題是減小或消除鉆頭的不平衡力，提高井眼軌跡和井徑精度的控制能力。為此，在鉆頭設(shè)計(jì)過程中形成了一系列提高鉆頭穩(wěn)定性的方法，包括：增加了預(yù)擴(kuò)段，減少了主擴(kuò)段和總的雙心載荷；優(yōu)化布齒方式，將相鄰切削齒對(duì)稱分布，布置在接觸弧尖滅位置，使不平衡力最小；將預(yù)擴(kuò)段的刀翼與已擴(kuò)井眼的接觸范圍擴(kuò)大至180°以上，平衡擴(kuò)眼作業(yè)時(shí)的受力；采用階梯擴(kuò)眼結(jié)構(gòu)，使不同空間的不平衡力互相平衡。根據(jù)上述方法，設(shè)計(jì)和加工出了?146 mm/?170 mm 隨鉆定向擴(kuò)眼鉆頭,如圖4所示。

圖4 隨鉆定向擴(kuò)眼鉆頭Fig.4 Directional reaming bit while drilling

可控式隨鉆擴(kuò)眼工具通過地面控制擴(kuò)眼部分的伸出和縮回，對(duì)已鉆井眼進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)［7］。RipTide擴(kuò)眼工具與鉆頭同時(shí)入井，正常鉆進(jìn)時(shí)，擴(kuò)眼部分充當(dāng)鉆桿的功能，鉆遇復(fù)雜地層時(shí)，首先用鉆頭鉆穿復(fù)雜層段，然后利用射頻識(shí)別標(biāo)簽(RFID)傳輸?shù)孛嬷噶睿ㄟ^電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵伸出切削齒翼并鎖定［8］進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)，擴(kuò)眼完成后再通過地面指令將切削齒翼收回。

1.2 提高膨脹波紋管焊縫可靠性

由于膨脹波紋管特殊的斷面形狀，管體間主要采用焊接方式連接。經(jīng)過前期大量實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，管體性能已經(jīng)穩(wěn)定，而焊縫受端頭形狀、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和焊接水平等因素的影響一直是管串中的薄弱環(huán)節(jié)［9］，所以焊縫的可靠性和穩(wěn)定性決定了管串的整體承壓能力。在前期焊接工藝滿足應(yīng)用要求的前提下，提高膨脹波紋管焊縫質(zhì)量主要措施為：減少焊口間的錯(cuò)邊量、減少人為因素的影響、形成焊縫質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法等。

1.2.1 端頭整形裝置

膨脹波紋管采用冷壓成型工藝，成型后管體間的形狀差異大，特別是凹槽處和凸棱處形狀差異更大，焊縫在膨脹過程中受力集中，容易失效。在不改變膨脹波紋管成型工藝的前提下，可以通過端頭整形方式，提高端頭形狀的一致性。但現(xiàn)有的整形工具基本只適用于圓形管，整形過程中容易出現(xiàn)模具卡死情況［10］，整形后的管體強(qiáng)度還會(huì)降低［11］，不滿足膨脹波紋管端頭整形的要求。

膨脹波紋管壁厚一般小于8 mm，成型后管體間平均錯(cuò)邊量為 2～3 mm，甚至達(dá)到 4～5 mm，嚴(yán)重影響了焊縫性能的穩(wěn)定性［12］。要實(shí)現(xiàn)錯(cuò)邊量基本不影響焊縫性能的目的，每個(gè)端頭間形狀差異應(yīng)小于1 mm，為此，研制了三瓣楔型整形裝置。

整形裝置主要由外模具、內(nèi)模具、液壓機(jī)構(gòu)、加熱裝置4部分組成，如圖5所示。內(nèi)模具分為上瓣、下瓣和楔型瓣，楔型瓣一端尺寸小，利于內(nèi)模具的進(jìn)入；另一端尺寸大，保證端頭整形的效果。端頭整形過程中，首先將端頭加熱至750～800 ℃，放入外模具內(nèi)，利用外模具夾緊和固定端頭，將楔形瓣尺寸小的一端與上、下瓣前端對(duì)齊，利用液壓機(jī)構(gòu)將內(nèi)模具緩慢推入。當(dāng)上、下瓣完全進(jìn)入端頭后，再推動(dòng)楔形瓣完全進(jìn)入端頭內(nèi)。整形結(jié)束后，先抽取楔形瓣，當(dāng)楔形瓣與上、下瓣產(chǎn)生相對(duì)位移后，取出內(nèi)模具。三瓣楔型結(jié)構(gòu)和楔形瓣后入先出的整形工藝，可極大降低模具被卡風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)200多個(gè)端頭整形未出現(xiàn)模具被卡情況，每個(gè)端頭的形狀誤差均小于1 mm。隨機(jī)抽取10個(gè)整形后端頭兩兩對(duì)焊后，進(jìn)行水力膨脹試驗(yàn)，膨脹壓力35 MPa時(shí)，管體和焊縫均保持密封完整性，表明焊縫的承壓能力穩(wěn)定，整形部位的管體性能也未受影響。

圖5 整形裝置的整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure of the shaping device

1.2.2 自動(dòng)焊接裝置

為了減少人為因素對(duì)焊縫性能的影響，提高焊接效率和焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性，研發(fā)了三維自動(dòng)焊接裝置。整個(gè)裝置由對(duì)管機(jī)構(gòu)、自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)3部分組成［13］。其中對(duì)管機(jī)構(gòu)主要用于管體的固定和旋轉(zhuǎn)，保證坡口間距滿足焊接要求。自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)控制對(duì)管機(jī)構(gòu)配合焊接機(jī)構(gòu)共同運(yùn)動(dòng)，始終保持焊槍垂直焊口，水平焊接時(shí)，還要保持焊槍位于焊口的上部。自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)控制焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡、焊接速度等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，保證焊縫質(zhì)量穩(wěn)定。

自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)由焊接電源、微型焊槍、焊接小車、高低調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成［14］，如圖6所示，特制微型焊槍，可以在凹槽狹小的空間內(nèi)完成焊接作業(yè)；焊接小車作為驅(qū)動(dòng)裝置，負(fù)載能力不低于40 kg，自動(dòng)調(diào)整位置和速度，始終保持勻速焊接；高低調(diào)整機(jī)構(gòu)可以根據(jù)焊接位置，自動(dòng)調(diào)節(jié)焊槍，保持焊絲與焊縫之間距離一致。

人工焊接一道焊縫需要2 h以上，而自動(dòng)焊接裝置僅需15 min，焊接效率極大提高；自動(dòng)焊接裝置焊接操作簡單，受人為因素影響低，焊縫外形均勻，過渡平滑，承壓能力穩(wěn)定。

1.2.3 焊縫缺陷檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法

受膨脹波紋管特殊斷面形狀和井場(chǎng)條件的限制，常用的無損檢測(cè)方法無法滿足現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊縫缺陷檢測(cè)的要求［15］，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)一直缺少有效的焊縫質(zhì)量檢測(cè)手段。為此，引入數(shù)字化X射線平板成像技術(shù)，結(jié)合圖像處理軟件可快速識(shí)別焊縫缺陷的類型、大小和位置，檢測(cè)精度可達(dá)0.01 mm。為評(píng)價(jià)不同缺陷對(duì)焊縫承壓能力的影響，通過模擬分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，確定了5種常見缺陷類型在管體不同位置時(shí)缺陷尺寸變化對(duì)膨脹性能的影響規(guī)律。

研究過程中參考了GB 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》的相關(guān)規(guī)定：當(dāng)缺陷尺寸小于壁厚10%和超過壁厚80%的體積型缺陷不進(jìn)行評(píng)定［16］，因此，將缺陷徑向尺寸范圍限定在0.8～6.4 mm。密封失效壓力設(shè)定參考現(xiàn)場(chǎng)施工壓力，3種型號(hào)膨脹管的現(xiàn)場(chǎng)施工壓力均小于30 MPa，采用逼近法［17］，求取30 MPa壓力下單個(gè)不同缺陷的臨界失效尺寸(見表1)。

表1 不同缺陷在不同位置的臨界失效尺寸Table 1 Critical failure size of different defects at different positions

1.3 配套工具

膨脹波紋管水力膨脹后，還需要通過機(jī)械工具將管串的通徑擴(kuò)大至可通過原尺寸鉆頭，前期研制了端頭脹管器和球形脹管器，對(duì)于尺寸大于?216 mm的膨脹波紋管，現(xiàn)有脹管器的強(qiáng)度和膨脹效果滿足在彎曲井眼中的應(yīng)用要求［18］，但在?149 mm小尺寸井眼中，膨脹工具受空間尺寸限制，端頭脹管器軸承尺寸小,承載能力低；同時(shí)小尺寸膨脹波紋管膨脹變形載荷增加，對(duì)脹管器的強(qiáng)度提出了更高要求，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的滾壓型脹管器無法滿足應(yīng)用要求，需要將滾壓型向擠壓型轉(zhuǎn)換。

雖然膨脹波紋管的性能得到極大的提升，性能也越來越穩(wěn)定，但水力膨脹不充分或者管體出現(xiàn)破損的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，也存在著局部井眼條件不滿足應(yīng)用要求，導(dǎo)致機(jī)械膨脹困難等突發(fā)情況，為了應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜情況，研制了磨銑膨脹一體化工具，用于提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可靠性。

1.3.1 螺旋式脹管器

擠壓型脹管器以滑動(dòng)摩擦的形式擠壓膨脹波紋管，脹管作業(yè)時(shí)扭矩較大，而且也容易對(duì)管體形成切削作用。為此，設(shè)計(jì)螺旋式脹管器(圖7)，減少接觸面積，降低膨脹扭矩，防止脹管器與管體抱死；選擇摩擦因數(shù)低的金剛石材料作為脹管器表面(采用粉末冶金液相燒結(jié)中無壓浸漬法將聚晶金剛石固定到脹管器表面)，降低摩擦阻力。

圖7 螺旋式脹管器Fig.7 Spiral tube expander

為了減小扭矩，提高膨脹效果，降低工具壓降，對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如表2所示。3螺旋結(jié)構(gòu)脹管器具有較好的滿眼和修圓效果，但周向總接觸弧長較小，膨脹效果受影響大。4螺旋和5螺旋結(jié)構(gòu)水道當(dāng)量直徑相近，但5螺旋結(jié)構(gòu)周向總接觸弧長較大，摩擦力也較大。因此，選取4螺旋結(jié)構(gòu)脹管器，兼顧膨脹效果和摩擦力。

1.3.2 膨脹和修復(fù)一體化工具

現(xiàn)有的膨脹工具和磨銑工具一般只具有機(jī)械膨脹或磨銑的單一功能。膨脹工具在遇到破損段或尺寸小的管段難以通過；磨銑工具可以修整破損部分，但會(huì)損傷管壁，降低管體的強(qiáng)度。

表2 不同螺旋結(jié)構(gòu)脹管器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of tube expanders with different spiral structures

一體化工具由本體、合金帶、水槽、水眼等部分構(gòu)成，如圖8所示。其結(jié)構(gòu)特征為：膨脹錐為整體式結(jié)構(gòu)，主要分為圓弧段、保徑段和接頭段3部分。本體位于同一圓弧面上，本體軸向上間隔分布n個(gè)環(huán)向合金帶，合金帶位于同一直線上，本體的圓弧面外徑大于合金面外徑，圓弧面還減少了工具與管體的接觸面積，減少了旋轉(zhuǎn)扭矩，防止黏卡。對(duì)于管體完整，有膨脹空間的部分，本體對(duì)其進(jìn)行膨脹為主；對(duì)于管體破損或膨脹空間受井眼限制的部分，合金帶對(duì)其部分磨銑后，本體再進(jìn)行膨脹，從而實(shí)現(xiàn)了以膨脹為主，磨銑為輔的目的。

圖8 膨脹和修復(fù)一體化工具結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structural diagram of expansion and restoration integrated tool

1.4 配套施工工藝

在入井前的準(zhǔn)備過程中，均采用端頭整形后的膨脹波紋管；每道焊縫均需要經(jīng)過檢測(cè)，不存在影響焊縫性能的缺陷才可入井；封隔段井眼條件需滿足膨脹波紋管的適用條件。

與直井段相比，彎曲井段膨脹波紋管的施工過程要考慮其特殊性［19-20］。下入過程中應(yīng)該增加循環(huán)次數(shù)，管串進(jìn)入彎曲井眼后，小排量進(jìn)行循環(huán)，防止球座被堵塞造成管柱內(nèi)壓力遠(yuǎn)小于環(huán)空內(nèi)壓力，將管串?dāng)D壓失效；下入到預(yù)定位置前也需要小排量循環(huán)，防止沉砂對(duì)球座坐封產(chǎn)生影響。投球作業(yè)時(shí)，通過小排量將球泵送到球座。水力膨脹過程中，采用階梯式打壓方式，延長穩(wěn)壓時(shí)間，使管串充分膨脹。機(jī)械膨脹時(shí)，在端頭位置增加短起下的次數(shù)，保證膨脹工具可以順利下入和起出。后續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，如果需要下入彎螺桿，根據(jù)模擬分析結(jié)果，1.5°以內(nèi)的彎螺桿可以順利通過，更大角度的彎螺桿能否通過還需要進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。如果彎螺桿下入過程中有遇阻現(xiàn)象，需上提變換方位后再緩慢下入。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在大牛地氣田PG22井和DPT-112井彎曲井眼的易坍塌地層中成功進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果見表3。PG22井在定向鉆進(jìn)過程中鉆遇100 m左右的煤及黑色泥巖地層，井眼坍塌嚴(yán)重?zé)o法后續(xù)鉆進(jìn)，側(cè)鉆3次后仍無法避開此地層。采用109.1 m長的?149 mm膨脹波紋管成功封隔了井斜角為59.72～73.69°的易坍塌井段。DPT-112井的復(fù)雜情況與PG22井相似，利用132.7 m長的?149 mm膨脹波紋管封隔了10段易坍塌煤層［21］。

表3 膨脹波紋管在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況Table 3 Field application of expandable bellow

3 結(jié)論

(1)明確了井眼條件對(duì)膨脹性能的影響規(guī)律，井徑和方位角變化率對(duì)膨脹過程的影響較大，在井眼準(zhǔn)備過程中重點(diǎn)控制井徑和方位的變化。

(2)利用隨鉆定向擴(kuò)眼鉆頭或可控式隨鉆擴(kuò)眼工具，可在鉆進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)定向和擴(kuò)眼目的，減少漏失、坍塌等復(fù)雜地層中進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了井眼準(zhǔn)備的時(shí)間。

(3)研制了端頭整形裝置和自動(dòng)焊接裝置，形成了焊縫缺陷檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法，將焊縫的承壓能力穩(wěn)定在30 MPa以上，提高了管串在彎曲井眼中應(yīng)用的可靠性。

(4)研發(fā)了螺旋式脹管器，具有高強(qiáng)度、低摩阻、高耐磨等特點(diǎn)，具備了單次膨脹100 m管串的能力，膨脹后管串通徑不小于原井眼尺寸。

(5)膨脹波紋管在彎曲井眼中成功進(jìn)行了應(yīng)用，單次封隔復(fù)雜地層的長度達(dá)到100 m以上，形成了膨脹波紋管封隔彎曲井眼復(fù)雜地層技術(shù)。