徐樹斌，吳 翔

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074）

地質(zhì)勘探應(yīng)用膨脹管時(shí)膨脹力問(wèn)題的研究

徐樹斌，吳 翔

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074）

膨脹管技術(shù)是近年來(lái)鉆井工程領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)新興的技術(shù)，該技術(shù)可以把常規(guī)套管固井導(dǎo)致的縮徑問(wèn)題降到最低限度。它既能極大地降低建井成本，又具有很好的環(huán)保效果。膨脹管技術(shù)在地質(zhì)勘探中的深孔護(hù)壁方面具有很好的前景。在理論計(jì)算公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行膨脹力實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，選擇合適的計(jì)算膨脹力的理論公式;根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)膨脹管在地質(zhì)勘探上的可行性進(jìn)行分析;利用潤(rùn)滑措施來(lái)降低膨脹過(guò)程中的摩擦力，從面達(dá)到降低膨脹力的目的，并且對(duì)潤(rùn)滑措施的效果進(jìn)行了理論分析。

膨脹套管;膨脹力;實(shí)驗(yàn);潤(rùn)滑;地質(zhì)勘探

0 引言

膨脹管技術(shù)是指利用坐放裝置將鋼制套管下到井下后，在井下通過(guò)冷擠擴(kuò)張的方法使套管達(dá)到要求的尺寸。就其本質(zhì)而言，是一個(gè)使套管徑向尺寸發(fā)生機(jī)械變化的過(guò)程。當(dāng)膨脹管下入到適當(dāng)?shù)纳疃群螅谝簤夯驒C(jī)械壓力/拉力，或二者的共同作用下，擴(kuò)管錐在膨脹管內(nèi)向自由端移動(dòng)，擴(kuò)管錐外的膨脹管隨擴(kuò)管錐的前進(jìn)擴(kuò)展，使管柱變形。擴(kuò)實(shí)體膨脹管時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)通常用液壓從下向上推動(dòng)擴(kuò)管錐進(jìn)行擴(kuò)管（如圖1所示）。

膨脹管技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有以下幾方面［1］:

（1）用于多種類型的油井建井，能滿足大位移井、側(cè)鉆井、水平井、多分支井對(duì)井眼和套管尺寸的要求;

（2）用于深井、超深井和深水井的完井，降低表層套管和隔水管的尺寸，實(shí)現(xiàn)單一井徑的建井，減小常規(guī)套管的錐度效應(yīng);

（3）用于老井側(cè)鉆時(shí)，可降低重鉆成本，使套管的內(nèi)徑損失最小;

（4）可以把改換鉆柱的次數(shù)控制到最低程度，使作業(yè)者能以較大的井眼尺寸鉆入更深的地層;

圖1 膨脹管示意圖

（5）節(jié)省鉆井時(shí)間和完井費(fèi)用;

（6）能封隔膨脹性頁(yè)巖層和漏失層，防治井眼縮徑。

我國(guó)目前正在進(jìn)行的深部找礦中，鉆探施工面臨著很大的困難。由于地層條件是未知的，鉆遇嚴(yán)重漏失地層時(shí)，需要套管護(hù)壁。若此時(shí)的鉆孔尺寸達(dá)到終孔設(shè)計(jì)尺寸，常規(guī)套管固井就會(huì)產(chǎn)生縮徑，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。而膨脹管技術(shù)就可以很好地解決這一問(wèn)題，但是地質(zhì)勘探中的設(shè)備與石油鉆井設(shè)備相比，能力比較弱。因此，膨脹力的大小成為了制約膨脹管在地質(zhì)勘探中使用的主要因素。

1 膨脹力

1.1 理論計(jì)算

膨脹管在膨脹的過(guò)程中，很重要的一個(gè)問(wèn)題是要達(dá)到預(yù)定的膨脹幅度，需要在膨脹工具上施加多大的膨脹力?確定膨脹管成型所需要的膨脹力，對(duì)膨脹工業(yè)設(shè)計(jì)、膨脹工具設(shè)計(jì)及施工作業(yè)都具有非常重要的指導(dǎo)意義。

目前的計(jì)算方法主要有主應(yīng)力法求膨脹力和塑性理論求膨脹力。

1.1.1 主應(yīng)力法求膨脹力［2］

式中:F——膨脹力;R1——膨脹前管材中徑的1/2;t——壁厚;σs——管材屈服極限;B——比例系數(shù)。

式中:μ——摩擦系數(shù);α——膨脹錐錐角;R2——膨脹后管材中徑的1/2;l——膨脹錐定徑帶長(zhǎng)度。

進(jìn)一步推導(dǎo)，所需泥漿泵的壓力:

1.1.2 塑性理論求膨脹力［3］

1.2 膨脹力實(shí)驗(yàn)研究

1.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

針對(duì)地質(zhì)勘探中的膨脹管技術(shù)，研究鋼管在徑向膨脹時(shí)的膨脹力，驗(yàn)證上一節(jié)中的理論公式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的公式計(jì)算膨脹力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出膨脹力的大小，為膨脹管技術(shù)在地質(zhì)勘探中的可行性分析提供依據(jù)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)選用了1根直縫管和2根無(wú)縫管，考慮到地質(zhì)勘探中泥漿泵所提供的壓力較低，同時(shí)鉆機(jī)的提升力也較小，選擇屈服強(qiáng)度低的管材可以降低管材膨脹所需的力，使其在地質(zhì)勘探中更容易應(yīng)用。

管材的基本參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)管材基本參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)，膨脹錐［4］用45鋼加工，并進(jìn)行淬火處理來(lái)提高表面硬度，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 膨脹錐結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備是天水紅山試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的WE1000型1000 kN液壓力萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）在膨脹錐表面用記號(hào)筆劃下刻度，方便記錄不同膨脹率時(shí)所需的膨脹力大小;

（2）記錄下鋼管的內(nèi)徑尺寸和膨脹錐與鋼管的初始接觸刻度;

（3）將膨脹錐置于鋼管內(nèi)，放到試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，給膨脹錐加壓，記錄鋼管與膨脹錐接觸的不同刻度下所需要的力;

（4）將膨脹錐的定徑區(qū)壓入到鋼管內(nèi)一段距離后，將膨脹錐取出，測(cè)量出現(xiàn)在鋼管的內(nèi)徑和壁厚。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將1號(hào)鋼管（直縫管）放到試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)加載力為12 kN時(shí)，鋼管開始膨脹，當(dāng)把力加到83.5 kN時(shí)，鋼管在焊縫處破裂，如圖3（a）所示。將2、3號(hào)管材放到試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，管材沒(méi)有發(fā)生破裂，且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以聽(tīng)到管材外壁上鐵銹崩落的聲音，管材膨脹后如圖3（b）所示。

2、3號(hào)管材膨脹后內(nèi)徑與壁厚如表2、3所示。

1.2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

將2、3號(hào)管材的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與2種公式的理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，關(guān)系如圖4、5所示。

圖3 管材實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 2號(hào)管膨脹后的內(nèi)徑和壁厚

表3 3號(hào)管膨脹后的內(nèi)徑和壁厚

圖4 2號(hào)管材實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

圖5 3號(hào)管材實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

1.2.6 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)圖4和圖5可以看出，公式（1）、（4）計(jì)算出的理論值與實(shí)際測(cè)量值誤差較大。這可能與實(shí)驗(yàn)方案有關(guān)，公式（1）和（4）都是基于膨脹錐以自下而上的方式膨脹的，而本次實(shí)驗(yàn)采取的是自上而下的膨脹方式。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，管材發(fā)生振動(dòng)，載荷出現(xiàn)跳動(dòng)，這說(shuō)明管材的內(nèi)壁在加工過(guò)程中某些地方?jīng)]有被車床車光滑，造成摩擦系數(shù)變大，這也可能是誤差較大的原因。此外，管材的均勻度不高，在膨脹過(guò)程中發(fā)生不均勻變形，使膨脹力升高，產(chǎn)生誤差。公式（4）的計(jì)算值比公式（1）的誤差要小些，模型的可靠性要高些。

2 潤(rùn)滑降低膨脹力

由公式（3）可以算出2號(hào)管材需要12.8 MPa的泵壓，3號(hào)管材需要26.9 MPa的泵壓，而這樣的泵壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地質(zhì)勘探現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵所能提供的泵壓。為了使膨脹管技術(shù)在地質(zhì)勘探中應(yīng)用，需要采取措施來(lái)降低膨脹力。

2.1 潤(rùn)滑措施簡(jiǎn)介［5］

膨脹力的大小與管材的性質(zhì)、膨脹程度、膨脹錐的角度、膨脹錐和膨脹管之間的摩擦系數(shù)、膨脹速度等有關(guān)。這里主要介紹利用潤(rùn)滑措施來(lái)減小膨脹力。

膨脹錐與膨脹管內(nèi)表面的接觸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通機(jī)械傳動(dòng)中接觸表面間的壓力，機(jī)器軸承中，接觸面壓通常只有20～50 MPa，有分析結(jié)果表明，為了使套管被擴(kuò)張變形，膨脹工具與套管內(nèi)壁間的接觸面可以高達(dá)500～800 MPa。膨脹錐發(fā)生彈性變形，套管發(fā)生塑性變形，套管表面發(fā)生壓擠而轉(zhuǎn)變?yōu)楹团蛎涘F表面相貼合的形狀。這種高的接觸表面間壓力，給膨脹時(shí)的潤(rùn)滑帶來(lái)一定的困難。

在鋼管壓力加工中，所采用的成熟潤(rùn)滑方法有:化學(xué)處理法、樹脂膜法、油潤(rùn)滑法。各種潤(rùn)滑法的特點(diǎn)見(jiàn)表4。

表4 鋼管壓力加工中各種潤(rùn)滑方法的特點(diǎn)

通過(guò)分析，認(rèn)為在膨脹管作業(yè)中可以采用化學(xué)處理法結(jié)合油潤(rùn)滑法進(jìn)行潤(rùn)滑?；瘜W(xué)處理法抗粘接性好，潤(rùn)滑性好，且適合于碳素鋼和低合金鋼。同時(shí)采用油潤(rùn)滑法可以使?jié)櫥瑺顟B(tài)從邊界摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔缒Σ僚c流體摩擦的混合狀態(tài)，或純流體摩擦狀態(tài)，從而大大降低膨脹過(guò)程中的摩擦力。

對(duì)于膨脹管作業(yè)，除了選擇性能良好的潤(rùn)滑劑，也要采用好的潤(rùn)滑方式以減小膨脹過(guò)程中的摩擦與磨損。流體潤(rùn)滑是金屬冷拔過(guò)程中最理想的潤(rùn)滑狀態(tài)，當(dāng)工作狀態(tài)為流體潤(rùn)滑時(shí)，兩摩擦表面不直接接觸，由一層厚度約10倍于表面粗糙度的潤(rùn)滑膜所隔開，依靠潤(rùn)滑劑的壓力來(lái)平衡外載荷。此時(shí)，由于兩摩擦表面不直接接觸，產(chǎn)生的摩擦為潤(rùn)滑劑分子之間的內(nèi)摩擦，因此摩擦系數(shù)很小，約為0.001～0.02。井下的膨脹管作業(yè)也可以采用流體潤(rùn)滑方法，發(fā)揮流體潤(rùn)滑的作用。圖6所示為一種膨脹作業(yè)中的流體潤(rùn)滑方案，在膨脹錐上面一段距離處增加密封環(huán)，然后在密封環(huán)與膨脹錐所形成的空間放置潤(rùn)滑劑，當(dāng)膨脹錐運(yùn)動(dòng)進(jìn)行膨脹時(shí)，潤(rùn)滑劑進(jìn)入膨脹錐與管壁間的接觸面，當(dāng)潤(rùn)滑劑的壓力高達(dá)一定數(shù)值時(shí)，就可以在接觸面間保持流體潤(rùn)滑膜，產(chǎn)生良好的潤(rùn)滑作用。

圖6 膨脹錐與管壁間的流體潤(rùn)滑方式

2.2 潤(rùn)滑效果理論分析

按照上述分析結(jié)果，對(duì)內(nèi)壁采取特殊處理形成固體潤(rùn)滑膜后，潤(rùn)滑效果好于不采取特殊潤(rùn)滑效果的管材。根據(jù)資料鋼材之間有潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)在0.05～0.1之間，這里選取摩擦系數(shù)為0.08，其余條件不變，按公式（4）對(duì)2、3號(hào)管材進(jìn)行計(jì)算得出的膨脹力見(jiàn)表5。

表5 采取潤(rùn)滑措施后的理論膨脹力

如果采取流體潤(rùn)滑方式，則摩擦系數(shù)約為0.001～0.02，這里選取摩擦系數(shù)為0.02，按公式（4）對(duì)2、3號(hào)管材進(jìn)行計(jì)算得出的膨脹力見(jiàn)表6。

表6 采取流體潤(rùn)滑后的理論膨脹力

由表5和表6可知，采取固體潤(rùn)滑后，2、3號(hào)管材的膨脹力分別下降了53.9%、42.4%，采取流體潤(rùn)滑后，2、3號(hào)管材的膨脹力分別下降了72.7%、65.4%，潤(rùn)滑效果明顯。

3 結(jié)論

本文在前人理論公式的基礎(chǔ)上，選用3種管材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論:

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值對(duì)比，基于塑性力解出的膨脹力比主應(yīng)力法解出的膨脹力結(jié)果更精確;

（2）為使膨脹管滿足地質(zhì)勘探設(shè)備的要求，可采取潤(rùn)滑措施降低膨脹力，經(jīng)理論分析，效果顯著。

［1］ 楊傳勇.國(guó)外膨脹管技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2006，34（10）:74-77.

［2］ 林元華，張建兵，施太和，等.計(jì)算膨脹管膨脹力的新方程［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（2）:154-156.

［3］ 龔龍祥，付建紅，林元華，等.膨脹管膨脹力的理論計(jì)算［J］.鉆采工藝，2006，29（4）:76-77.

［4］ 楊冬平，王德勇，高學(xué)仕，等.石油套管膨脹力仿真及膨脹體錐角設(shè)計(jì)［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2007，（2）.

［5］ 張建兵，韓勇，林元華.膨脹管潤(rùn)滑措施分析［J］.石油機(jī)械，2007，35（7）:7-9.

［6］ 張建兵.油氣井膨脹管技術(shù)機(jī)理研究［D］.四川成都:西南石油學(xué)院，2003.

Experimental Study on Expansion Force of Expandable Tubular Used in Geological Exploration

XU Shu-bin，WU Xiang（China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China）

Expandable tubular technology presents a new and unique challenge to the drilling industry，which can solve the problem of diameter shrinkage in well cementation and reduce the construction cost with good environmental protection effect and good future prospect in geological exploration.Experiments of expansion force were made based on the theoretical formula.By the comparison between experimental data and theoretical results，reasonable theoretical formula was chosen;the feasibility of expandable tubular using in geological exploration was analyzed;the expansion friction was reduced by lubrication measures to lower the expansion force and the lubrication effect were analyzed in theory.

expandable tubular;expansion force;experiment;lubrication;geological exploration

P634.4;TE931+.2

A

1672-7428（2012）01-0014-04

2011-08-05

徐樹斌（1988-），男（漢族），江蘇如東人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，研究方向?yàn)槎ㄏ蚓@井工藝，湖北省武漢市魯磨路388號(hào)，xushubin-719@163.com。