摘 要

摘　要：梨形脹管器整形技術是一種高效率的套管修復技術，整形力的大小是工具優化設計和現場施工參數設計的重要依據。為此，在YAW-200壓力試驗機上對常用尺寸的油層套管進行壓扁，

摘　要：梨形脹管器整形技術是一種高效率的套管修復技術，整形力的大小是工具優化設計和現場施工參數設計的重要依據。為此，在YAW-200壓力試驗機上對常用尺寸的油層套管進行壓扁，然后由YS32-500型的四方柱萬能液壓試驗機提供整形力，由小到大依次下入梨形脹管器對變形套管(C110)進行了3次膨脹整形，得到了不同尺寸梨形脹管器整形所需的整形力、梨形脹管器的磨損量、變形套管的回彈量的測試數據，進而對其測試結果進行分析和評價，找到了梨形脹管器外徑與整形力、變形套管的回彈量、梨形脹管器的磨損量之間的關系。實驗結果表明：梨形脹管器外徑級差的合理性決定了整形力的大小、變形套管的回彈量、梨形脹管器的磨損量，同時，為了減少卡鉆事故并兼顧整形效率，梨形脹管器的單次整形量不宜過大。該研究成果為優化梨形脹管器結構和整形施工參數提供了重要的實驗數據。

關鍵詞：梨形脹管器  套管  變形  整形  修復  整形力  回彈量  磨損量

An experimental investigation into parameters optimization of reshaping casing by pear-shaped casing swage

Abstract：Pear-shaped casing swage repair technology is highly efficient in repairing deformed casing and the valuc of repairing force is a very lmportant parameter for designing and optimizing the casing swage and structure parameters．In view of this，the collapse experiments were performed on the YAW-200 pressure testing machine using one commonly-used production casing and then the reshaping test of deforreed casing(C110)was performed from small to large by using three pear shaped casing swages with different diameters．The universal YS32-500 hydraulic testing machine was used to provide the reshaping force in the repairing process．The reshaping toree and wear extent of each pear shaped casing swage as well as the spring back value of deformed casing have been obtained by the above repairing tests·On this basis，through the analysis and evaluation of testing resuits，the correlation was made clear between reshaping force，spring back value of deformed casing as well as wear extent and the outside diameter of a pear-shaped casing swage.The size of reshaping force，the spring back value of deformed casing and wear extent of the swage will be determined by the ratlonality of outside diameter differential of the pear-shaped casing swage．Simuhaneously，thc repaired amount of deformed casing every time should not be too large for the sake of decreasing the drill pipe sticking accident and inereasing the efficiencv to repair detormed casing.The research results provide important experimental data for the optimization of tool structure and reshaping technological parameters．

Keywords：pear shaped casing swage，reshaping force，casing，deformed casing，reshaping，repair，spring back value．abrasion loss

國內外很多油氣田在生產一段時間后，因地質、工程和腐蝕等因素的影響，許多油氣井發生不同程度的套管變形^[1]。尤其在井下易垮塌地層、大型酸化壓裂后的地層、塑性蠕變嚴重的地層和固井質量較差的井眼都會使得大部分的石油套管受到呈橢圓形分布的非均勻載荷^[2]，從而使得變形后的套管截面為橢圓形^[3]，如川渝氣田的龍崗001-1井、龍崗001-2井、龍崗39井、龍崗l3井，塔里木油田的英深一井，塔河油田的TKll27井的套管均為鹽巖蠕變和塑性流動引起的套管變形，嚴重地影響油氣田的安全和效益。

為此，國內外研發了許多套管修復技術^[4]，而沖擊整形技術是修復油水井套管變形的常用修井技術，它是根據撞擊原理采用梨形脹管器對變形套管施加沖擊整形力進行擴徑。但是，目前的沖擊整形技術由于缺乏對沖擊整形力的準確控制，整形力過小導致整形失敗、整形力過大導致卡鉆事故或油水井水泥環的破壞或套管發生二次塑性破壞等情形時有發生^[5-6]。目前，國內外科技工作者在套管失效這一領域做了大量的研究工作，主要集中在套管失效機理的研究^[7-8]，檢測技術的研究^[9]，修復工藝^[10-14]，如梨形脹管器整形技術、套管補貼技術、膨脹管技術、套換套技術等，防治措施的研究^[15]及少數碾壓整形理論方面的研究，在碾壓成型理論方面的研究中，姜民政^[1]的成就最突出，他根據Hertz接觸理論建立了碾壓整形工具尖楔單邊受壓的塑性模型。此外，大量學者采用數值模擬和物理實驗的方法對實體膨脹管的修復技術進行了詳細的研究^[16-19]。

根據文獻分析可知，國內外學者對套管的失效機理和套管的修復技術研究較多，但針對沖擊整形修復技術的整形測試研究不夠，尤其對整形力大小的確定及其控制研究雖然卜分重要但明顯不足。因此，本文采用梨形脹管器對變形套管進行了整形測試研究，并對測試結果進行了詳細的分析和總結，為優化梨形脹管器的結構設計和現場施工參數提出了良好的建議。

1　梨形脹管器的整形測試研究

1．1　整形測試裝置及方法

整形實驗設備包括YAW-200壓力試驗機、YE-2533靜態應變儀、YS32-500型的四方柱萬能液壓試驗機、上下夾具、帶傳感器的配合接頭。其中壓力試驗機用于制備橢圓形套管；靜態應變儀用于測餐梨形脹管器整形過程中配合接頭上產生的壓應變；上下夾具分別用于固定脹管器和變形套管；四方柱萬能液壓試驗機用于施加整形力。故根據配合接頭上的壓應變，并結合胡克定律和配合接頭的幾何尺寸可以求得梨形脹管器整形時所需的整形力Fp即

s＝Ee  　　　　  (1)

Fp＝sA 　　　　   (2)

式中E為材料的楊氏模量，210GPa；s為整形過程產生的壓應力，MPa，A為配合接頭的橫截面積，2463mm²；e配合接頭上產生的壓應變。

該實驗主要分為2個階段，第1個階段是橢圓形套管的制備，其方法是將理想套管(C110×177.8×12.65)放在YAW-200壓力試驗機上進行壓扁實驗(圖l-a)，變形尺寸是基于現場套管變形數據(表1)；第2階段是用3只不同外徑的梨形脹管器對變形套管的整形測試，該實驗在YS32-500型的四方柱萬能液壓試驗機上完成(圖l-b)。

 

1．2　整形實驗的主要步驟

1)基于油田套管的變形尺寸制備相應的變形套管，通過壓力試驗機對圓套管的擠壓而得到(圖l-a)。

2)處理變形套管的表面，連接靜態應變儀(圖1-c)。

3)在萬能液壓試驗機(YS32-500)上安裝與梨形脹管器和變形套管相匹配的頂部、底部夾具(圖2)。

 

4)將一端開槽的變形套管固定于底部夾具(固定套管的軸向移動)并測量變形套管的初始尺寸(圖3)。

 

5)將帶配合接頭的梨形脹管器固定于頂部夾具，要求梨形脹管器處于變形套管中心(圖4)。

 

6)開始整形測試(圖5)。在整形的過程中要求梨形脹管器在套管變形處往得移動直到配合接頭上的壓應變趨于0為止，即梨形脹管器可以在變形套管內自由滑動，此時我們可以認為變形套管的內徑等于梨形脹管器的最大外徑，同時測量變形套管整形后的尺寸，完成l只梨形脹管器的整形實驗；第2只和第3只梨形脹管器重復上述步驟完成。

 

2　整形測試結果分析

2．1　梨形脹管器整形的測試結果

整形測試所用梨形脹管器的錐角均為l3°，其幾何參數見表2。整形對象是通過壓力試驗機壓扁的C110套管，變形套管的幾何參數詳見表1。梨形脹管器對變形套管的整形測試結果見表2。

 

 

由表2可知，外徑為l22mm、125mm、l28mm的梨形脹管器所需的整形力分別為469kN、697kN、1086kN；整形后變形套管的回彈量隨著梨形脹管器外徑的增加而增加，梨形脹管器的整形力隨著工具外徑的增加而急劇增加，整形力增加的原因：原始梨形脹管器的單次整形量(2mm、3mm、3mm)不合理；整形后套管發生回彈，每只工具整形后變形套管都有不同程度的回彈，從而進一步導致整形后脹管器的單次整形量(2mm、3.4mm、4.2mm)更加不合理。因此梨形脹管器的單次整形量不宜過大，應該適當減小梨形脹管器外徑的級差。

2．2　梨形脹管器的耐用性分析

由于在整形過程中梨形脹管器與套管內壁發生了較大的摩擦接觸，造成梨形脹管器發生了不同程度的磨損(圖6)。通過用游標卡尺對整形后梨形脹管器的磨損寬度和厚度進行測量，可以得到梨形脹管器的磨損量，其具體的磨損結果見表3。

 

 

由圖6和表3可知，整形后梨形脹管器工作面的磨損寬度和磨損厚度均隨著工具外徑的增加而增加；由圖7可知，梨形脹管器的磨損量隨著級差的增加而呈非線性增加，表明工具根據變形套管之間的級差對梨形脹管器的磨損量有很大的影響。因此，為了減小對工具的磨損，應該適當減小梨形脹管器之間的級差。

 

2．3　梨形脹管器與變形套管之間的級差分析

根據表2中的結果可得到梨形脹管器和套管之間形成的級差與整形力的關系曲線(圖8)，同理可得梨形脹管器和套管之間形成的級差與變形套管整形后的回彈量之間的關系曲線(圖8)。

 

結合圖7、8分析可以發現2個十分明顯的現象：①圖中第2個點與第3個點之間的斜率k2遠大于第1個點與第2個點之間的斜率k1，結合數據具體分析可得：在梨形脹管器的外徑為128mm時，其在整形的過程中所需的整形壓力、梨形工具磨損厚度、梨形工具磨損寬度、套管回彈量都顯著增加，由此判斷該組梨形脹管器的外徑級差存在缺陷，在整形過程中容易造成卡鉆等井下事故，應該更加合理的優化其整形級差；②外徑為l22mm的梨形脹管器對變形套管整形時其整形力、套管回彈量、工具磨損量均較小，由此認為2mm的單次整形量最合理。

根據測試結果可知，采用級差較大的梨形脹管器對變形套管進行修復具有較高的整形效率，但每次整形所需施加的鉆壓較大，整形后套管的回彈量較大，容易造成卡鉆事故，相反，采用級差較小的梨形脹管器對變形套管進行修復不會出現上述問題，但是其整形效率低，從而導致施工工期長、成本高。為了減少卡鉆事故并可兼顧整形工作效率，結合測試結果，同時考慮到變形套管回彈現象，推薦了一組合理的梨形脹管器外徑級差，建議結果見表4。

 

3　結論

1)本文采用了3只梨形脹管器對變形套管(C110)進行了整形測試，分別得到了3只梨形脹管器整形變形套管時所需的整形力，可為變形套管整形施工參數的優化提供可靠的理論指導，從而避免了因整形力過小而達不到整形目的和整形力過大而導致水泥環損壞或套管二次破壞的問題。

2)本文得到了梨形脹管器外徑與整形力、變形套管的回彈量、梨形脹管器的磨損量之間的關系。即整形力、變形套管回彈量和梨形脹管器的磨損量均隨梨形脹管器外徑的增加而增加。結合以上關系可知，梨形脹管器外徑級差的合理性決定了整形力的大小、變形套管的回彈量、梨形脹管器的磨損量。因此，為了減少卡鉆事故并可兼顧整形效率，梨形脹管器的單次整形量不宜過大，同時，優化設計梨形脹管器的外徑級差應該考慮套管回彈這一現象。該研究成果為優化梨形脹管器提供了重要的借鑒。

3)結合測試結果，推薦了一組合理的梨形脹管器外徑級差。

 

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本文作者：林元華  鄧寬海  曾德智  向俊科  王木樂

作者單位：“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

  西南石油大學石油管工程重點實驗室

  中國石化中原油田公司采油工程技術研究院