黃滿良 黃華寧 張飆 袁照永 胡金銅 李民

1.大港油田公司石油工程研究院；2.大港油田公司井下作業(yè)公司

膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)修補(bǔ)套損套漏井、封堵射孔炮眼、對(duì)套管薄弱部位實(shí)施加固的一項(xiàng)新技術(shù)［1-3］，其基本原理就是利用輸送管柱（常用N80加厚油管）將膨脹管柱下到待補(bǔ)貼的設(shè)計(jì)位置，再通過地面設(shè)備實(shí)施正打壓，作用在膨脹頭上，膨脹頭在壓力的作用下，向上運(yùn)動(dòng)使膨脹管直徑脹大并通過膨脹管兩端的錨定密封原件與原井套管實(shí)現(xiàn)錨定和密封，達(dá)到補(bǔ)貼的目的?；诖?，膨脹管的最大下入深度，應(yīng)與輸送管柱的材料強(qiáng)度，施工過程的壓力，補(bǔ)貼施工管柱與原井套管的環(huán)空中的液面位置、膨脹管本身的材料強(qiáng)度有關(guān)，但由于膨脹管柱位于整個(gè)施工管柱的最下端，且長度一般不是很大，其強(qiáng)度應(yīng)該能滿足要求，故其對(duì)下入深度的影響可予以忽略。通過對(duì)施工管柱的力學(xué)分析，推導(dǎo)出下入深度、液面位置與施工壓力的關(guān)系式，最后繪出其匹配關(guān)系圖，利用該圖可以求出任一工況下的膨脹管的最大下深度，方便地運(yùn)用于膨脹管補(bǔ)貼的施工工藝設(shè)計(jì)和選井。

1 施工管柱

膨脹管補(bǔ)貼施工中，施工管柱示意圖如圖1所示，施工深度為L，施工管柱與原井套管環(huán)空的液面位置為H，施工使用?73 mm加厚油管（內(nèi)徑62 mm），鋼級(jí)為N80，施工壓力為p。

圖1 補(bǔ)貼施工管柱示意圖Fig. 1 Schematic pipe string during the construction of patching

2 作用在加厚油管上的最大載荷計(jì)算

作用在加厚油管上的最大載荷發(fā)生在油管的頂端，最大載荷由油管自身重力G、施工壓力作用在油管下端的拉力FP、油管內(nèi)的液體作用在油管上的拉力FL和油套環(huán)空的液體作用在油管柱上的浮力Ff等4部分載荷組成。

油管自重力為

施工壓力作用在油管下端的拉力為

油管內(nèi)液體作用在油管上的拉力Fl為

油套環(huán)空的液面位置對(duì)油管柱產(chǎn)生浮力，當(dāng)H≥L時(shí)，井中流體對(duì)膨脹管輸送管柱無浮力作用，即Ff=0；當(dāng)H≤L時(shí)

所以作用在油管上的最大載荷Fmax為

當(dāng)H≥L時(shí)

當(dāng)H≤L時(shí)

式中，G為油管自重力，N；ρG為油管的線密度，kg/m；L為油管長度即膨脹管下入深度，m；g為重力加速度，m/s2；FP為補(bǔ)貼施工壓力p作用在有關(guān)柱下端的拉力，N；d為油管內(nèi)徑，mm；FL為油管內(nèi)液體作用在其底堵位置的拉力，N；ρli為油管內(nèi)液體密度，kg/m3；Ff油套環(huán)空的液體作用在管柱上的浮力，N；D為加厚油管管體外徑，mm；ρlo為油套環(huán)空液體的密度，kg/m3；H油套環(huán)空液面位置，m。

3 施工管柱強(qiáng)度校核

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，油管強(qiáng)度應(yīng)滿足下式，即

式中，m為安全系數(shù)，取1.3；FS為油管柱抗滑扣載荷，N；σS為油管材料的最小屈服強(qiáng)度，N/m2。

據(jù)此得出滿足膨脹管補(bǔ)貼施工管柱強(qiáng)度的校核

公式，當(dāng)H≥L時(shí)，

當(dāng)H≤L時(shí)，

將已知數(shù)據(jù)： ?73 mm加厚油管，N80油管的最小屈服σS=552 MPa，油管的線密度ρG=9.58 kg/m，油管內(nèi)的液體密度ρli=1000 kg/m3，重力加速度g=9.8 m/s2，油套環(huán)空的液體密度ρlo=1000 kg/m3代入（10）式和（11）式，并整理得到滿足膨脹管施工管柱強(qiáng)度要求的下入深度與施工壓力和液面位置之間的關(guān)系式，當(dāng)H≥L時(shí)，

當(dāng)H≤L時(shí)，

4 強(qiáng)度校核圖版

4.1 圖版繪制

式（12）、（13）所代表的不等式相交于直線H=L，在給定不同p值的情況下，所代表的不等式可以用直線簇的形式繪制在一張圖上。在圖2的左上區(qū)為H＞L，即環(huán)空液面在補(bǔ)貼位置以下的區(qū)域；右下區(qū)為H＜L，即環(huán)空液面在補(bǔ)貼位置以上的區(qū)域。

圖2 膨脹管下入深度與膨脹壓力及液面位置匹配圖Fig. 2 The matching map between the setting depth of expandable tabular and the expansion pressure and liquid level

4.2 圖版使用情況

（1）可以進(jìn)行找出在任何的H、L組合下，施工管柱所能承受的最大內(nèi)壓。

（2）可以校核任何的H、L、p組合下的施工管柱強(qiáng)度是否安全。

（3）因?yàn)樵谂蛎浌苎a(bǔ)貼前業(yè)界均要求施工管柱承壓達(dá)到45 MPa，據(jù)此可以找出在不同的H條件下，膨脹管補(bǔ)貼的對(duì)應(yīng)的最大深度。

4.3 圖版應(yīng)用舉例

例1 ，某井在進(jìn)行膨脹管補(bǔ)貼前施工管柱進(jìn)行了45 MPa內(nèi)壓試壓，合格。該井液面在2000 m，補(bǔ)貼施工壓力不大于45 MPa，試找出該井可進(jìn)行膨脹管補(bǔ)貼的最大深度。

解：從縱軸2000的位置做出橫軸的平行線與直線p=45 MPa相交（A點(diǎn)），從該點(diǎn)做橫軸的垂線，該垂線與橫軸的交點(diǎn)，L=3360 m即為本井可施工膨脹管補(bǔ)貼的最大深度。

例2，某井液面位置在2000 m，該補(bǔ)貼施工的位置在1520 m，進(jìn)行膨脹管補(bǔ)貼，判斷管柱強(qiáng)度是否安全。

解：如圖2，H=2000，L=1520 m的2條直線的交點(diǎn)（B點(diǎn)）位于H＞L區(qū)域，p=45 MPa直線與縱軸所包含的區(qū)域內(nèi)，故該井進(jìn)行膨脹管補(bǔ)貼管柱強(qiáng)度安全。

5 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

（1）找到一種用圖表求解膨脹管補(bǔ)貼管柱最大下入深度的方法，直觀、方便。

（2）由于H＞L區(qū)域與H＜L區(qū)域的工況忽略浮力影響的結(jié)果相同，因而在當(dāng)H＜L時(shí)，亦可采用H＞L對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行各項(xiàng)應(yīng)用，并且由于忽略了浮力的作用，其結(jié)果應(yīng)是偏于安全的。

（3）圖2可以適用于任何一種工況下?73 mm加厚油管的強(qiáng)度校核或其他與強(qiáng)度相關(guān)的求解。

［1］胡彪，何世明，劉愛民，王歡.實(shí)體膨脹管在封隔深井側(cè)鉆井復(fù)雜泥巖段的應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2014，43（6）：84-88.HU Biao, HE Shiming, LIU Aimin, WANG Huan.Application of bulged tube in deep sidetracking well’s comples mudstone ［J］. Journal of Oil Field Equipment,2014, 43（6）: 84-88.

［2］白強(qiáng)，李德君，劉強(qiáng)，宋生印，上官豐收. 實(shí)體膨脹管膨脹過程幾何參數(shù)變化試驗(yàn)研究［J］.石油礦場機(jī)械，2014，43（7）：45-49.BAI Qiang, LI Dejun, LIU Qiang, SONG Shengуin,SHANG GUAN Fengshou. Experiment studу for the change of geometric paramiters of solid expandable tubular ［J］. Journal of Oil Field Equipment, 2014, 43（7）:45-49.

［3］董成林.實(shí)體膨脹管大塑性變形有限元分析［J］石油礦場機(jī)械，2014，43（3）：43-47.DONG Chenglin.Finite element analуsis for severe plastic deformation of solid expandable tube ［J］. Journal of Oil Field Equipment, 2014, 43（3）:43-47.

［4］采油技術(shù)手冊(cè)編寫組.采油技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1977.Technical manual compilation group. Manual of Oil Production Technologу ［M］. Beijing: Petroleum Chemical Industrу Press, 1977.