崔淑英， 邵玉濤， 王躍偉， 宋 剛

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

膨脹式尾管懸掛器是將膨脹套管技術(shù)應(yīng)用于尾管固井方面的一個(gè)器具，與實(shí)體膨脹管相似，它也是通過液壓或機(jī)械力將具有一定塑性的膨脹尾管本體進(jìn)行徑向膨脹，使其與上一級(jí)套管緊緊錨固在一起，從而實(shí)現(xiàn)膨脹尾管懸掛。

隨著近年來深井、超深井、大斜度井、水平井、分支井、小井眼小間隙井等鉆井技術(shù)的不斷興起，尾管固井已成為一種必備的工藝技術(shù)[1]。尾管懸掛器是尾管固井的專用器具，其性能的優(yōu)劣直接影響固井施工的成敗。

傳統(tǒng)卡瓦式尾管懸掛器的不足：

(1)外露零件多，入井過程易出現(xiàn)懸掛器碰損,且在尾管下入遇阻時(shí)，由于尾管懸掛器自身結(jié)構(gòu)的原因?qū)﹂_泵循環(huán)或活動(dòng)尾管等措施都有限制，降低了井下解阻的能力[2]。

(2)過流面積小。尾管懸掛器必須具有足夠的過流面積方能保證施工安全，否則，會(huì)引起漏失、水泥返高不夠、環(huán)空氣侵等復(fù)雜情況的發(fā)生[3]。傳統(tǒng)卡瓦式尾管懸掛器與膨脹式尾管懸掛器懸掛效果對比圖見圖1。

(3)固井后套管環(huán)空水泥密封性能差。常規(guī)卡瓦式尾管懸掛器無論是機(jī)械式或液壓式坐掛后后均不具備密封功能，為提高尾管頂部封固質(zhì)量一般在常規(guī)懸掛器的頂部增加一套封隔器，但是封隔器在施工中存在提前坐封的潛在風(fēng)險(xiǎn)[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，多達(dá)45%～60%的常器坐掛后均會(huì)出現(xiàn)水力泄漏[1]。

圖1 卡瓦式尾管懸掛與膨脹尾管懸掛效果示意圖Fig.1 Diagram of slip type liner suspension and expandable liner suspension

針對傳統(tǒng)卡瓦式尾管懸掛器的不足，以及隨著膨脹套管技術(shù)的不斷進(jìn)步，國外許多公司積極探索將膨脹套管技術(shù)應(yīng)用于尾管懸掛器上。膨脹式尾管懸掛器與傳統(tǒng)卡瓦式尾管懸掛器相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)過流面積大，尾管與上層套管之間的環(huán)空間隙僅為固定到尾管外側(cè)的橡膠環(huán)被壓縮后的厚度；(2)密封性好，通過膨脹錐頭的移動(dòng)，將尾管進(jìn)行膨脹，固定到尾管外側(cè)的橡膠環(huán)被擠壓到上層套管的內(nèi)壁上，被壓縮后的橡膠環(huán)同時(shí)起到密封和提供尾管懸掛力的兩個(gè)作用。膨脹式尾管懸掛器國外比較有代表性的有里德公司的HETS-LH懸掛器、TIW公司的XPAK懸掛器、哈利伯頓公司的VersaFlex懸掛器和威德福公司的EXR懸掛器等[4]。國內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段，石油領(lǐng)域大直徑規(guī)格的膨脹式尾管懸掛器有應(yīng)用成功的案例，但是地質(zhì)鉆探領(lǐng)域卻未引進(jìn)相關(guān)技術(shù)和服務(wù),原因大致如下：(1)石油領(lǐng)域鉆井規(guī)格與地質(zhì)鉆探領(lǐng)域鉆孔規(guī)格相差較大，沒有可以直接用于地質(zhì)方面的膨脹尾管；(2)地質(zhì)鉆探與石油鉆井相比經(jīng)費(fèi)較少，直接引進(jìn)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行鉆探服務(wù)的費(fèi)用高昂，不適用于地質(zhì)鉆探領(lǐng)域。由于以上原因，若想在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域應(yīng)用膨脹管技術(shù)，則需該領(lǐng)域的技術(shù)人員從基礎(chǔ)開始進(jìn)行研究。

勘探技術(shù)研究所自2008年開始著手研究小口徑膨脹套管護(hù)壁技術(shù)，現(xiàn)已研制成功多種規(guī)格的膨脹套管，分別可在?76、96、122 mm規(guī)格的裸孔內(nèi)進(jìn)行護(hù)壁，其中?76、96 mm兩種規(guī)格的膨脹套管已經(jīng)在四川、廣西、福建、山東、甘肅等多個(gè)工地進(jìn)行了成功的應(yīng)用，挽救了多個(gè)即將面臨報(bào)廢的鉆孔，為施工方挽回了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。膨脹式尾管懸掛技術(shù)作為膨脹套管技術(shù)的一個(gè)延伸，勘探技術(shù)研究所也進(jìn)行了較為深入的研究，并取得了一定的成果[5-6]。

1 結(jié)構(gòu)原理

膨脹式尾管懸掛器自上而下主要由外套管、送入工具、橡膠環(huán)(已硫化至膨脹管外壁)、膨脹管、膨脹錐頭、尾管、注漿塞組成。膨脹錐頭內(nèi)置于膨脹管內(nèi),液壓力推動(dòng)膨脹錐頭自下而上移動(dòng)，膨脹后的膨脹管壓縮橡膠環(huán)，壓縮橡膠產(chǎn)生懸掛力將膨脹管懸掛到外套管內(nèi)壁上，而尾管與膨脹管通過絲扣連接，進(jìn)而將尾管懸掛。膨脹管懸掛后通徑僅減小橡膠壓縮后的厚度及膨脹管壁厚，橡膠環(huán)壓縮后能夠完全將環(huán)空間隙密封，防止發(fā)生水力泄漏。膨脹尾管懸掛器結(jié)構(gòu)原理見圖2。

圖2結(jié)構(gòu)原理圖

Fig.2Structuraldiagram

2 工作原理

膨脹式尾管懸掛器的基本工作原理：

(1)利用鉆桿連接送入工具將膨脹式尾管懸掛器送入到位。

(2)向尾管懸掛器內(nèi)注入水泥，水泥通過注漿塞進(jìn)入尾管與孔壁的環(huán)空間隙，進(jìn)行固井。

(3)投入膠塞，注入清水或泥漿，液壓力推動(dòng)膠塞下行，膠塞下行過程中刮除尾管內(nèi)壁水泥，完成替漿。

(4)替漿完畢，繼續(xù)加大泵壓，膨脹頭在液壓力的作用下由下而上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中膨脹管向外膨脹，將橡膠環(huán)壓縮到外套管上，實(shí)現(xiàn)尾管懸掛。

(5)膨脹過程完畢后，將膨脹頭、中心管和送入工具一起提出井外，實(shí)現(xiàn)丟手。

(6)最后，下入鉆頭，將注漿塞打通，完成整個(gè)固井過程。

3 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)工作原理，膨脹式尾管懸掛器固井工藝過具有如下4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 雙級(jí)復(fù)合膠塞替漿技術(shù)

水泥通過鉆桿、中心管、尾管，最后進(jìn)入孔內(nèi)，因此，注完水泥后在鉆桿、中心管和尾管內(nèi)壁不可避免地會(huì)有水泥殘留，如果不將這些殘留在內(nèi)壁的水泥清除，必然會(huì)影響尾管懸掛器的后續(xù)使用，同時(shí)影響尾管內(nèi)徑大小。如何有效地替除殘留水泥是膨脹式尾管懸掛器需要解決的關(guān)鍵問題之一。

依據(jù)鉆桿、中心管和尾管的不同內(nèi)徑，設(shè)計(jì)大、中、小三種膠塞。大膠塞外徑略大于尾管內(nèi)徑，中膠塞外徑略大于鉆桿內(nèi)徑，同理，小膠塞外徑略大于中心管內(nèi)徑。替漿時(shí)，先將中膠塞與小膠塞組成的一級(jí)復(fù)合膠塞投入鉆桿，一級(jí)復(fù)合膠塞下行過程中刮除鉆桿內(nèi)壁殘留水泥，行至鉆桿下接頭時(shí)，中膠塞落到鉆桿接頭上無法繼續(xù)下行，繼續(xù)加大泵壓，連接中膠塞和小膠塞的銷釘剪斷，小膠塞通過中心管，刮除中心管內(nèi)壁水泥，然后小膠塞與大膠塞復(fù)合組成二級(jí)復(fù)合膠塞。增大泵壓，將大膠塞上的懸掛銷釘剪斷，二級(jí)復(fù)合膠塞下行過程中刮除殘留在尾管內(nèi)部的水泥，行至注漿塞端面時(shí)停止，替漿過程完畢。雙級(jí)復(fù)合膠塞示意見圖3。

3.2 防返漿精準(zhǔn)固井技術(shù)

水泥通過尾管進(jìn)入尾管與孔壁環(huán)空間隙后，需要防止過量水泥進(jìn)入到橡膠環(huán)之間，從而影響膨脹管的懸掛，因此，需要提前計(jì)算固井所需的水泥劑量。將水泥泵入孔內(nèi)后，進(jìn)行替漿，替漿過程中孔口泥漿泵始終對膨脹尾管內(nèi)的液體進(jìn)行加壓，以推動(dòng)橡膠塞向下運(yùn)行，從而將尾管內(nèi)泥漿全部替入孔內(nèi)的環(huán)空間隙。替漿完畢后尾管內(nèi)壓力下降，孔內(nèi)壁與尾管間的壓力大于尾管內(nèi)的壓力，在壓力差的作用下，水泥會(huì)部分返回尾管內(nèi)部，直至內(nèi)外壓力平衡。為防止返漿現(xiàn)象的發(fā)生，我們將注漿塞設(shè)計(jì)成單向閥的形式，尾管內(nèi)部壓力大于外部壓力時(shí)單向閥打開，水泥進(jìn)入孔壁間隙，而尾管外部壓力大于內(nèi)部壓力時(shí)單向閥閉合，從而防止外部水泥返回尾管內(nèi)部，因此理論計(jì)算的水泥劑量與實(shí)際需求劑量基本吻合，既可使尾管與孔壁環(huán)空間隙充滿水泥，又可防止過量水泥進(jìn)入橡膠環(huán)。

圖3 雙級(jí)復(fù)合膠塞

3.3 高壓反向膨脹懸掛技術(shù)

膨脹管依靠膨脹錐頭在管內(nèi)的移動(dòng)而膨脹，而膨脹錐頭需要在高壓液體的推動(dòng)下移動(dòng)，如何建立起高壓環(huán)境推動(dòng)膨脹錐頭是實(shí)現(xiàn)膨脹管膨脹的關(guān)鍵技術(shù)。專門設(shè)計(jì)的高壓組合密封(見圖4)置于膨脹錐頭下方，膨脹前向中心管內(nèi)投球，投球?qū)⒅行墓芟露朔忾]，繼續(xù)增大泵壓，中心管上的爆破孔爆破，泥漿通過爆破孔進(jìn)入膨脹頭下方與高壓密封之間的空間，高壓密封能夠承受高達(dá)30 MPa的液壓力，在高壓的作用下膨脹錐頭自下而上移動(dòng)，其錐頭的大端在移動(dòng)過程中將膨脹管膨脹。膨脹后的膨脹管不能直接懸掛到上層套管，膨脹管懸掛的關(guān)鍵技術(shù)是在膨脹管外側(cè)硫化厚度、長度適中的橡膠環(huán)，橡膠具有可壓縮性，適當(dāng)?shù)膲嚎s量可以提供膨脹管足夠的懸掛力，從而將膨脹后的尾管懸掛到上層套管上。

3.4 攔簧懸掛倒扣丟手技術(shù)

為能順利將膨脹錐頭提出孔外，完成膨脹后的丟手，需滿足以下3個(gè)條件：(1)需在膨脹錐頭上設(shè)計(jì)懸掛部位。(2)需要確保丟手前膨脹管膨脹完畢，且膨脹錐頭已懸掛。(3)丟手過程不能對其他零部件的連接牢固性造成影響。

圖4高壓組合密封

Fig.4Highpressurecombinedseal

基于以上3點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)順利丟手，進(jìn)行了下列設(shè)計(jì)：

(1)設(shè)計(jì)了可懸掛階梯變徑膨脹錐頭(見圖5)，其上端的懸掛端可順利進(jìn)入攔簧，攔簧固定在送入工具下接頭內(nèi)部，送入工具下接頭絲扣為倒扣，膨脹完畢后正轉(zhuǎn)鉆桿，下接頭的絲扣松開，上提鉆桿可將膨脹錐頭提出，除此處絲扣設(shè)計(jì)為倒扣外，其余絲扣均為正扣連接，因此可保證丟手過程不對其他零部件的連接造成影響。

圖5 可懸掛階梯變徑膨脹錐頭

(2)根據(jù)膨脹錐頭懸掛端與一級(jí)錐面之間的長度，確定回收腔的長度，以保證膨脹錐頭進(jìn)入回收腔前懸掛端已進(jìn)入攔簧。若設(shè)計(jì)不合理，膨脹完畢后懸掛端未進(jìn)入攔簧，由于缺乏錐面的密封，膨脹錐頭與膨脹套管之間僅通過O形圈密封，膨脹過程O形圈易發(fā)生磨損，因此膨脹完畢后壓力下降，膨脹錐頭有可能掉入尾管下端，無法實(shí)現(xiàn)膨脹錐頭的回收，造成丟手失敗。攔簧懸掛示意見圖6。

圖6 攔簧懸掛示意圖

4 技術(shù)參數(shù)

4.1 膨脹試驗(yàn)

目前研制出了?168/127 mm規(guī)格的膨脹式尾管懸掛器，室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)見表1。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：尾管懸掛器膨脹管的膨脹力隨著壁厚的增加而增加。膨脹后軸向長度有一定的收縮量，且壁厚越小，軸向收縮量越大。

表1 ?168/127 mm膨脹式尾管懸掛器技術(shù)參數(shù)

建立了3種不同管壁厚的有限元分析模型(見圖7)，分析壁厚不同受力后壁厚變化與管軸向位移變化的關(guān)系。有限元分析結(jié)果顯示壁厚越小膨脹后軸向收縮量越大，分析結(jié)果見圖8。

從有限元分析結(jié)果可以看出，其膨脹過程中壁厚與軸向收縮量的關(guān)系與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，壁厚越小，軸向位移越大，即軸向收縮量越大?？紤]到膨脹管的連接，在膨脹力可以接受的范圍內(nèi)，壁厚越大越好。

4.2 懸掛試驗(yàn)

膨脹頭向上或向下運(yùn)動(dòng)，將膨脹管向外膨脹，硫化到膨脹管外壁上的橡膠環(huán)被壓縮到膨脹管與外管之間，從而實(shí)現(xiàn)懸掛。因此，懸掛力的大小與橡膠環(huán)的參數(shù)密切相關(guān)，不同規(guī)格橡膠環(huán)產(chǎn)生懸掛力的試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3，橡膠參數(shù)示意見圖9。

圖7 膨脹過程應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud map of expansion process

圖8 軸向位移與壁厚關(guān)系圖

表2 壓縮量為2 mm時(shí)橡膠環(huán)與懸掛力的關(guān)系Table 2 Relationship between rubber ring and suspension force with compression 2mm

表3 壓縮量為3 mm時(shí)橡膠環(huán)與懸掛力的關(guān)系Table 3 Relationship between rubber ring and suspension force with 3mm compression

從表2和表3可看出，橡膠寬度和間隔相同的情況下，橡膠環(huán)數(shù)越多所產(chǎn)生的懸掛力越大。在橡膠寬度和間隔相同的情況下橡膠與外管的交接長度越長產(chǎn)生的懸掛力越大。

圖9 橡膠參數(shù)示意圖

5 野外試驗(yàn)

使用1500 m水井鉆打孔對膨脹尾管懸掛工藝進(jìn)行野外試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)樣品的長度在空地上打出深度為6 m、直徑為194 mm的孔，將?168 mm的套管下入?194 mm的孔內(nèi)，在套管與孔壁的間隙注入水泥，水泥將外套管固定好以后，下入直徑為151 mm的鉆頭繼續(xù)向下打進(jìn)3 m深。鉆孔完畢后下入膨脹尾管系統(tǒng)，然后按照固井工藝流程進(jìn)行固井作業(yè)。丟手完畢后，進(jìn)行懸掛力測試，緩慢對膨脹管加壓，壓力達(dá)到15 MPa后，受鉆機(jī)限制壓力無法繼續(xù)上升，保持該壓力30 min，膨脹管未出現(xiàn)松動(dòng)。懸掛力達(dá)到400 kN，已經(jīng)滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。圖10和圖11分別是野外試驗(yàn)中懸掛器下入和測試懸掛力過程圖。

6 結(jié)論

(1)從懸掛效果看，膨脹式尾管懸掛器與常規(guī)卡瓦式懸掛器相比過流面積大、密封效果好、能夠適應(yīng)更小的環(huán)空間隙。從經(jīng)濟(jì)效益看，可以節(jié)省大量泥漿用量、水泥用量和套管用量。

(2)在研究過程中發(fā)現(xiàn)，膨脹管材是限制該項(xiàng)研究和應(yīng)用的一大重要因素，我國必須研究出更加適用于膨脹的材質(zhì)，才能使該項(xiàng)研究有更廣闊的發(fā)展空間。

(3)深井和超深井的高溫是考驗(yàn)尾管懸掛器的一個(gè)重要因素。尾管懸掛器的密封元件為橡膠，研究更耐高溫的密封元件，是促進(jìn)膨脹式尾管懸掛器更快發(fā)展的又一重要因素。