油水井液压胀管整形修复工具设计.pdf

石 油机械 ． C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1年第3 9卷第 8期 ●应 用技术 油水 井液压胀管整形修复工具设计 曲晓建 李玉坤 卜 凡俭 李 鹏 段洪焱 刘 波4 I ．中国石 油管道投产运行公 司2 ．中国石 油大学 华 东 3 ．胜利油田分公 司胜利采 油厂4 ．中原特 种车辆有 限公 司 摘要 常规套管整形修复技术存在成功率低 、施工风险大和施工周期长等 问题。为此，研制 了油水井液压胀管整形工具。它由机械锚、胀管增压器和分瓣式胀管器 等组成，可将井 口液压力 转化成机械力，作用于分瓣式胀管器的分瓣锥体上 ，变形套管在分瓣锥体 径向扩 张力的作用下膨 胀，发 生塑性变形 ，进而复原。地面试验表 明，油水 井液压胀 管整形工具 能够完成既定 的动作， 具有很 强的修复功能。 关键词套管损坏 液压胀管 整形工具 塑性变形 修复 0 引 言 据不完全统计 ，胜利油田现有待修及更新套损 井 占总井数的 3 0 ％左 右 ，并且还 以每年 5 0 0多 口 的速度递增 』 。 目前，国内外对变形套管的修复采用的是以梨 形整形器整形、井下爆破整形、偏心旋转整形和磨 靴等为代表的套变修复技术l_ 4 J 。由于套管损坏井的 情况千差万别和一些修井工具本身的缺陷，所以这 些常规的套管整形技术存在成功率低 、施工风险大 和施工周期长等问题 。为此，笔者根据油田套管修 复作业的实际需要进行技术攻关 ，将井口可控 的液 压力转换为套管的径向膨胀力 ，使套管发生永久塑 性变形 ，达到整形修复缩径套管的 目的。 1 工作原理 利用金属冷塑性变形特点 ，将井 口液压力在井 底增大，并转换为径向机械力 ，对套管内部进行挤 压，使其发生永久塑性变形 ，从而使膨胀套管内、 外径扩大，达到对缩径套管扩径 的目的 。 修复作业时 ，先将管柱与胀管整形工具连接， 然后下放到套管内，当胀管整形工具遇到一定的阻 力时 ，即判断为该处的套管发生缩径变形 ，随后机 械锚内锥体下移 ，将卡瓦顶出机械锚壳体 ，支撑整 形工具 ；地面液压缸组将地面水泥车的液压力转换 成轴向机械推力，通过 2级增压之后再作用于液压 胀管器下接头 ，并通过它将推力传递到分瓣式胀管 器的内、外锥体上 ，锥体将轴向推力转化成径向扩 张力 ，变形套管在分瓣锥体径向扩张力的作用下膨 胀 ，发生塑性变形 ，进而复原 一 。当液压胀管器 达到额定工作行程后卸压 ，可 自由地上提或下放管 柱。如果下放管柱仍然无法通过套管变形部位 ，可 以继续加压 ，重复上述过程。整形过程中如果整形 工具遇卡，井 口卸压 ，震击机械锚 ，使其 卡瓦松 开，上提管柱 ，分瓣锥体的内外锥体相对滑动 自动 收缩解 卡 。 2 主要结构 液压胀管整形工具 由机械锚、胀管增压器和分 瓣式胀管器 3部分构成 。这 3部分的连接关系为 最上部为机械锚 ，最下部为分瓣式胀管器 ，中间段 为胀管增压器。它们通过钻杆螺纹连接。 2 ． 1 机 械锚 机械锚 的作用是在液压膨胀管整形工具工作 时 ，将该工具 固定在套管上 ，其结构如图 1所示。 机械锚主要为整个修井工具提供支撑 ，承受修 复套管时的液压反力。机械锚的工作原理是 利用 油水井液压胀管整形修复工具已获国家实用新型专利，专利号 Z L 2 0 0 7 2 0 1 5 7 3 9 3 ， 2 。 2 0 1 1年第3 9卷第8期 曲晓建等油水井液压胀管整形修复工具设计 一 6 7一 卡瓦与锥体的相对运动实现径 向扩大 ，使卡瓦能够 紧紧地抓住套管内壁 ，从而起到支撑的作用 。震击 套筒可以为工具解卡时提供震击力 ，使工具顺利解 卡。机械锚的上 、下接头采用油 田现场常见的钻杆 螺纹接头 ，并且可以多级连接 ，提供更加牢固可靠 的支撑 力。 1 2 3 4 5 6 7 8 图 1 机 械 锚 结 构 示 意 图 1 一对接接头 ；2 一震击套筒 ；3 ～连接套筒 ；4 ～ 内 锥套简 ； 5 一壳体； 6 一锥体； 7 一卡瓦； 8 一锚体下接头。 2 ． 2 胀管增压器 由于分瓣 式胀 管 器需 要很 大 的液压 力 ，井 口通 常无法提供 ，而胀管增压器可实现井底 的液体增压 和推动活塞 ，把液压力转化为轴向推力 。液压胀管 器结构如图 2所示。 胀 管增 压器 主要 由 3大部 分 组成 上部 为卸 压 部分 ，在液缸移动 1个工作行程后能 自动卸压而停 止工作；中间为液缸 ，其作用是产生 向下的轴向推 力 ，图 2所示为二级液缸的结构示意图 ，实际工具 还可以根据需 要增加液缸 的数量 ，增 大 向下 的推 力；第 3部分为球座 ，主要起密封作用 ，正常下井 时可 以带着球下入 ，也可以下到位后再投球。 图 2胀 管 增 压 器 结 构 示 意 图 1 一上接头 ；2 一环套 ；3 一上油缸 ；4 一上 中心管 ；5 一活塞 ；6 一柱塞 ；7 一下 中心管 ；8 一下油缸 ；9 一下挡头 ；1 O 一下 接头 。 2 ． 3 分瓣式胀管器 液缸额定轴 向推力 6 8 0 k N； 分瓣式胀管器可将来 自胀管增压器的轴向推力 柱塞额定行程 3 0 0 fi l m； 转化为径向推力 ，通过分瓣作用于套管内壁 ，其结 液压胀管器与分瓣胀管器连接螺纹 2 I F 。 构 如 图 3所 示 。 图 3分 瓣 式 胀 管 器结 构 示 意 图 1 一上接头 ；2 一 内锥体 ；3 一环套 ；4 一外锥体 ；5 一保护器 。 分瓣锥体外锥面形状依据理论计算结果和室内 试验进行优化 ，在保证工具强度的前提下，能够达 到最佳的整形效果。工具前端 的保护器既可以保证 工具顺利进入变形 井段 ，还 可 以保证 锥体 的顺 利 收 回。 3 技术指标 液压胀管整形工具 的各部分可以根据需要单独 设计制造尺寸 ，胀管增压器 的增压级数需要根据井 深 、套管壁厚和钢级确定 ，其技术指标可以根据需 要 调 整 ，下 面 给 出了 1个试 验工 具 的技 术指 标 。 机 械锚 总 长 1 0 3 5 mm； 液 压机 构 总长 2 4 0 0 1T I I T I ； 胀管机构总长 7 2 7 m m； 液压胀管器刚体最大外径 1 1 4 m m； 额定工作压力 3 5 MP a ； 4 地面试验 为了确保液压胀管整形工具能够在井下正常工 作 ，在投入使用 之前对其进 行地面试验 。取 1段 N 8 0套 管短 节 ，直 径 1 3 9 ． 7 m m，壁厚 7 ． 7 2 m／ lq 。 用液压万能试验 机 5 0 t 沿套 管直径方 向挤压 ， 挤压处截面呈椭圆形 ，椭圆的短轴为 8 5 m m，如图 4所示。将挤压后 的套管接在一段 长 1 0 I l l 相 同规 格的套管上 ，水平放置于地面后 ，把液压胀管整形 图 4套 管缩径处截面 工具从一端放入该套管段 内，并与钻井液车相连 ， 钻井液车提供液压动力。钻井泵压力达到 2 8 M P a 时，工具开始动作并很快通过 ，此 时钻井泵卸压， 从另一端取 出工具。测量受挤压处套管的最小直径 为 1 3 7 ． 6 m m，如 图 5所示 。 通过试验可知 ，该工具能够完成既定动作 ，具 有很强的修复功能 ，但还需要进一步进行井下试验 石油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 8期 验证 ，目前正在等待具体的修井作业任务 ， 其实 际应用效果。 以验证 [2] [3] [ 4 ] 图5 修复后套管缩径处截面 [ 5 ] 5 结 论 1 油水井液压胀管整形工具以液压为动力 ， 还可实现多级增压 ，且便于控制。 2 工具具有复位和连续工作能力 ，一个工 作行程完成后能够通过一定 的动作可靠地转入下一 个工作行程 ，可 以实现长距离连续整形 。 3 作业现场要求低 ，利用小修队 的设备就 可以实施套管整形修复作业。 4 该工具重复利用率 高，可节约大量加工 成本 。 参考文献 [ 1 ] 于家波 ．液压胀管式套管补贴工具及其应用 [ J ] 石油机械 ，2 0 0 4 ，3 2 特 刊 2 3 2 5 ． [ 6 ] [ 7 ] 唐 志军 ．膨 胀 管 技 术 及 应 用[ J ] ．河 南 石 油 ， 2 0 0 4，1 8 5 4 85 0 ． 王维星，武瑞霞，李在训，等 ．液压变径滚压套管 整形 技术[ J ]．石 油机 械 ，2 0 1 0 ，3 8 7 8 6 8 7． 杨春和，张春明，习玉光，等 ．套管修复的多功能 膨胀技术 [ J ]．国外油 田工程 ，2 0 0 8 ， 2 4 4 24 2 8 ． 韩中轩，练章华，杨斌，等 ．膨胀管中膨胀锥角 与液压力关系研 究 [ J ]．石油矿场机械 ，2 0 0 9 ，3 g 991 1 ． 潘志勇，上官丰收，宋生印，等 ．套管膨胀过程中 膨胀锥锥 角对驱 动力 的影响 [ J ]．石油机 械， 2 0 1 0 ，3 8 3 2 2 2 3 ，5 3 ． 张建兵 ，赵业荣 ，刘 硕琼 ，等 ．套管膨 胀后 的抗挤 强度计算 [ J ]．钻采 工艺，2 0 0 5 ，2 8 2 6 1 63 ． 第一作者简介 曲晓建 ，女 ，生于 1 9 7 3 年 ，1 9 9 6年毕 业于石油大学 华东 机械制造 工艺与设 备专业 ，现从 事 油气管道投产运行 等方 面的工作 ，任公 司副总 工程师 。地 址 0 6 5 0 0 1 河 北省 廊 坊 市 。电话 0 3 1 6 6 0 7 3 0 2 5 。E m a i l q u x i a o j i a n 1 9 7 3 1 6 3 ． t o m。 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 0 l 本文编辑丁莉萍 上接第 6 5页 3 结论及认识 1 研发的封隔器在液力作用下坐封 ，起 到 封隔作用 ，通过作业油管的上 、下往复运动产生负 压 ，为砂液循环提供动力。建立了捞砂理论模型 ， 得出采用该工艺管柱具有可行性的结论。 2 该捞砂工 艺管柱在扶余采 油厂现场试验 了2井 次 ，可有 效 清 除井 底 沉 砂，工 艺 成功 率 1 0 0 ％ ，有效率 1 0 0 ％ ，取得 了良好的试验效果。 3 与捞砂 泵 捞 砂 技 术 相 比，该 捞 砂 工 具 运 输方便 ；与传统冲砂工艺技术相比，传统冲砂作业 需配备泵车和罐车，施工费用高 ，而该捞砂工艺技 术具有施工简单 、工艺可靠 、无伤害 、无污染 、成 本低和效益高等特点。 4 该项技术可 以广泛地应用在各种 出砂量 较少 的油水井中，而且有效地延长了检泵周期 ，可 以在井况较好的油水井大面积推广应用 。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 陈强，常峰 ． 抽砂泵的应用及其抽砂效果分析 [ J ]．钻采工艺 ，2 0 0 3 ，2 6 5 7 6 7 8 ． 唐玉成 ，黄学宾 ，赵晓梅 ，等 ．新型旋转 式抽砂 泵 的研 制 与应 用 [ J ]．石油 机 械 ，2 0 1 0，3 8 1 0 5 35 4． 杨振威 ，曾凡芝，熊晓波 ．捞砂泵作业工艺技术 [ J ]．油气井测试 ，2 0 0 5，1 4 1 4 7 4 8 ． 作者简介 屈艳 飞 ，女 ，工程 师 ，生于 1 9 7 8年 ，2 0 0 1 年毕业于西南石油学院机械 系 ，现从事采 油机具 的研究工 作 。地址 1 3 8 0 0 0 吉林 省松 原市 。电话 0 4 3 8 6 3 3 7 5 8 1 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 2 9 本文编辑赵连禄