趙新學(xué)，陳鵬，2，王木樂，郭偉成，馬文濤，王世紅，郭永勝

（1.濱州學(xué)院機電工程學(xué)院，山東 濱州 256600；2.遼寧工業(yè)大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001；3.中國石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001；4.中國石化中原石油工程有限公司工程服務(wù)管理中心，河南 濮陽 457001；5.中國石化中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，河南 濮陽 457001；6.中國石化中原油田分公司地面工程搶維修中心，河南 濮陽 457001）

0 引言

普光氣田氣藏埋深5 500～7 000 m，H2S 平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)14.28%，CO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.02%，腐蝕環(huán)境非常惡劣［1-3］。普光氣田投產(chǎn)過程中，受地震影響，部分氣井存在套管變形的情況，變形后的套管強度會下降［4-7］；同時受高酸性油氣田開發(fā)特征的影響，在開發(fā)后期易出現(xiàn)腐蝕穿孔或套管漏失的現(xiàn)象［8-10］。為了保證正常開發(fā)，需要對氣井套管漏失和變形損傷部位進行修補。解決該類問題的有效方法之一是膨脹管補貼技術(shù)［11］。膨脹管補貼技術(shù)不僅能夠可靠地補貼加固損傷套管，而且套管內(nèi)徑變化小、承壓能力高，一次套管補貼加固施工長度達幾百米，可以有效補貼套管漏失部位和炮眼，對產(chǎn)層損害低，確保氣井的正常生產(chǎn)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在常規(guī)開發(fā)井套管補貼用膨脹管材料［12-13］、膨脹工具［14］、膨脹補貼工藝［15］、膨脹力數(shù)值模擬［16-18］、現(xiàn)場施工應(yīng)用［19-20］等方面開展了大量研究，為常規(guī)油氣田的修井技術(shù)選擇提供了參考。但普光氣田氣藏深，地層壓力高，開發(fā)環(huán)境酸性程度強，生產(chǎn)套管深度在5 500～7 000 m，套管管徑大，對膨脹管補貼工藝技術(shù)要求極高，并且補貼后膨脹管的各項性能指標(biāo)，尤其是抗內(nèi)壓、抗外擠強度均需滿足普光氣田的生產(chǎn)要求。針對上述問題，本文在優(yōu)選抗硫膨脹管材質(zhì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了?177.8 mm 套管補貼用抗硫膨脹管，并對膨脹后膨脹管的接口區(qū)域螺紋耐壓性能、硫化橡膠密封性能和懸掛力進行測試和分析，旨在為普光氣田膨脹管補貼尋求更好的施工工藝，提高套變井補貼質(zhì)量，同時還可為川東北乃至其他高酸性氣田的后期開發(fā)提供技術(shù)儲備。

1 抗硫膨脹管管材的選擇

膨脹管補貼加固套管尤為關(guān)鍵的技術(shù)之一是膨脹管材料的制造。強度高、塑性變形大和加工硬化率高是膨脹管材料必備的性能，通常膨脹后膨脹管的各項性能要與普通套管相當(dāng)。前期國內(nèi)外均開展了膨脹管材料的研究［21-22］，結(jié)果表明：目前部分套管材質(zhì)可用作膨脹管材料，如K-55，L-80，N-80，S-95 和P-110 級套管，并且膨脹后管材的性能可以達到API 標(biāo)準(zhǔn)要求［23］，但是在抗硫膨脹管材料方面，國內(nèi)外的研究報道相對較少。在普光氣田高含H2S 的條件下，膨脹管材質(zhì)還需具備較好的防止硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的性能。另外，普光氣田高酸性的工況環(huán)境對膨脹管材質(zhì)有較強的腐蝕性，易發(fā)生電化學(xué)腐蝕失重，影響套管補貼修復(fù)效果。

本文采用的管材是中原油田分公司與天津大學(xué)研發(fā)的抗硫膨脹管材質(zhì)。通過研究金屬材料的晶相結(jié)構(gòu)，在分析不銹鋼材質(zhì)及性能的基礎(chǔ)上，添加了鉬、鋁、稀土等元素后形成，其化學(xué)成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)見文獻［21］。通過力學(xué)性能測試和NACE 標(biāo)準(zhǔn)工況、模擬工況腐蝕評價試驗，得出管材抗硫性能和腐蝕速率分別滿足NACE TM0177—1996 和RP0775—2005 標(biāo)準(zhǔn)的要求［13］。

表1 是抗硫膨脹管膨脹前后及腐蝕試驗后材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率試驗結(jié)果。從表中可以得出：相對于膨脹前，膨脹后試樣的屈服強度增加了64.7%，抗拉強度增加了20.2%，延伸率降低了31.9%；同時膨脹后試樣在模擬工況腐蝕試驗后，管材的屈服強度、抗拉強度和延伸率相對于膨脹后均有所升高，其中屈服強度增加了14.8%，抗拉強度增加了1.8%，延伸率增加了3.9%。結(jié)果表明，膨脹管膨脹后及模擬工況腐蝕試驗后仍能保持較好的塑性性能。

表1 膨脹管膨脹前后及腐蝕試驗后力學(xué)性能對比Table 1 Comparison of mechanical properties of expandable pipe before and after expansion and after corrosion testing

2 抗硫膨脹管尺寸

根據(jù)普光氣田投產(chǎn)管柱特點，生產(chǎn)管柱大多采用外徑為177.8 mm 的套管，結(jié)合膨脹管補貼技術(shù)原理，待膨脹管膨脹后壓縮硫化橡膠，使其緊貼在套管內(nèi)壁上，承受一定的懸掛力。在設(shè)計膨脹管尺寸時，需注意硫化橡膠的壓縮比，如果壓縮比過小，膨脹管懸掛力不夠，可能使補貼后的膨脹管掉落井內(nèi)；如果壓縮比過大，會增加膨脹施工的工作壓力，可能會出現(xiàn)卡鉆的問題。因此，依據(jù)普光氣田套管外徑177.8 mm，壁厚12.7 mm，內(nèi)徑152.4 mm，結(jié)合膨脹管膨脹系統(tǒng)懸掛力和膨脹力要求，采用聚丙氟抗硫橡膠，確定了膨脹率為9.74%，硫化帶寬度為50.0 mm，厚度為4.7 mm，壓縮比為33%。在優(yōu)化熱處理及煉制工藝的基礎(chǔ)上，完成了膨脹管的煉制與加工，具體的管體尺寸如表2 所示。

表2 膨脹管結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 The structure dimensions of expandable pipe mm

3 抗硫膨脹管膨脹過程數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

為了研究膨脹過程中膨脹管的變形和受力情況，需要進行膨脹過程的數(shù)值模擬和分析。膨脹管的膨脹過程是一種高度的非線性行為［24］，通常將膨脹過程視為剛?cè)峤佑|問題來分析，即假設(shè)膨脹管為柔性體，膨脹工具為剛體。庫侖摩擦模型用于模擬膨脹工具與膨脹管之間的摩擦行為。膨脹管膨脹過程幾何模型見圖1a，對膨脹工具和膨脹管應(yīng)用4 節(jié)點軸對稱PLANE182 單元離散化進行網(wǎng)格劃分，用來提升單元對大變形的適應(yīng)性和求解精度；膨脹管接觸表面采用接觸單元CONTA172 劃分，應(yīng)用目標(biāo)接觸單元TARGE169 對膨脹工具進行網(wǎng)格劃分，形成的接觸單元及有限元網(wǎng)格模型見圖1b。

圖1 膨脹過程的幾何模型和有限元模型Fig.1 Geometric and finite element model in expansion process

計算用膨脹管和膨脹工具尺寸見表2，為節(jié)省計算時間，膨脹管長度設(shè)計為500.0 mm，膨脹工具與膨脹管內(nèi)壁的摩擦因數(shù)為0.10，錐角為10°，膨脹管的彈性模量和泊松比分別為53 GPa，0.26，膨脹工具的彈性模量和泊松比分別為220 GPa，0.30。

3.2 計算結(jié)果分析

1）徑向變形量。圖2 中膨脹管膨脹過程中徑向位移相對比較均勻，無跳躍現(xiàn)象發(fā)生，說明膨脹管膨脹運行比較平穩(wěn)，膨脹過程中最大徑向變形量為11.88 mm，膨脹完成后徑向變形量稍有回彈，總體膨脹率約為9.7%。

圖2 膨脹管膨脹過程不同時刻的徑向變形Fig.2 Radial deformation diagram of expandable pipe at different time in expansion process

2）最大等效應(yīng)力。圖3 為膨脹過程中不同時刻的等效應(yīng)力分布情況，膨脹過程的最大等效應(yīng)力為675 MPa，大于膨脹管材料的屈服強度275 MPa，發(fā)生了塑性變形；膨脹完成時，膨脹管存在殘余應(yīng)力，最大值在515 MPa 左右。模擬結(jié)果與管材力學(xué)性能的試驗結(jié)果相符合。

圖3 膨脹管膨脹過程不同時刻的等效應(yīng)力Fig.3 Equivalent stress diagram of expandable pipe at different time in expansion process

3）膨脹壓力隨時間的變化規(guī)律。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：當(dāng)膨脹工具開始啟動時，膨脹管膨脹所需壓力逐漸增加，待壓力達到膨脹管的屈服強度時，膨脹壓力趨于恒定值；膨脹后期，膨脹壓力逐漸降低；膨脹工具移出膨脹管后，膨脹壓力降為0。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于膨脹管與膨脹工具在無相對運動之前保持靜摩擦狀態(tài)，而隨著膨脹管與膨脹工具之間接觸面積和膨脹壓力的增加，靜摩擦力逐漸增加到最大值，此時膨脹工具與膨脹管將發(fā)生相對滑動，隨著滑動過程的逐步穩(wěn)定，膨脹壓力也趨于穩(wěn)定。

4 抗硫膨脹管膨脹系統(tǒng)性能測試

4.1 測試系統(tǒng)

抗硫膨脹管膨脹測試系統(tǒng)主要由膨脹管、底堵、膨脹室、硫化橡膠、螺紋連接、套管和水壓泵等組成，試驗中水壓泵通過中心管將水泵入發(fā)射室，加壓后推動膨脹工具向右運動脹大膨脹管內(nèi)徑，使外部的硫化橡膠壓縮緊貼在套管內(nèi)壁上（見圖4a）。試驗中所用套管是普光氣田套管（?177.8×12.7 mm），膨脹管為?134.6×6.7 mm，水壓泵最大壓力80 MPa，膨脹測試系統(tǒng)實物見圖4b。膨脹管膨脹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、膨脹原理、膨脹壓力大小在文獻［13］中已經(jīng)進行了闡述，不再贅述。本文主要對抗硫膨脹管膨脹后的螺紋連接、硫化橡膠的密封性能和硫化橡膠的懸掛力進行測試與分析。

圖4 膨脹管膨脹測試系統(tǒng)Fig.4 Expansion test system diagram of expandable pipe

4.2 測試方法

4.2.1 膨脹管螺紋連接密封性能測試

取一段膨脹后的膨脹管與套管，從套管側(cè)面打壓，將水注入螺紋連接處的封閉空間內(nèi)，持續(xù)加壓到一定值后觀察螺紋連接處是否漏水（見圖5a）；膨脹管膨脹后螺紋連接抗內(nèi)壓測試，將2 節(jié)膨脹后的膨脹管螺紋連接后，一端設(shè)置封堵，另一端連接水壓泵，水壓泵持續(xù)加壓到一定值后觀察螺紋連接處是否漏水（見圖5b）。

圖5 螺紋連接密封性能測試示意Fig.5 Schematic diagram of sealing performance test of threaded connection

4.2.2 膨脹管硫化橡膠密封性能測試

取一段膨脹后的膨脹管與套管，從套管側(cè)面通過水壓泵打水壓，注入硫化橡膠圈之間的封閉空間，持續(xù)加壓到一定值后觀察是否漏水。

4.2.3 膨脹管硫化橡膠懸掛力測試

取一段敞開式膨脹管與套管，中間包括2 組硫化橡膠圈，在液壓機上加壓到一定值，觀察硫化橡膠的運動情況，測試補貼后硫化橡膠的懸掛力。硫化橡膠懸掛力測試示意圖和實物圖見圖6a，6b。

圖6 硫化橡膠懸掛力測試Fig.6 Suspension force test diagram of vulcanized rubber

4.3 測試結(jié)果分析

膨脹管螺紋連接抗外壓測試過程中，加壓到24 MPa 時出現(xiàn)泄壓，連接絲扣出現(xiàn)微小變形，但未泄露；繼續(xù)加壓至30 MPa，穩(wěn)壓10 min 后，未出現(xiàn)泄壓漏水，繼續(xù)加壓至34 MPa 時，螺紋連接絲扣完全變形，由此可知，膨脹管的螺紋連接承受的外壓極限值在30 MPa左右。螺紋連接抗內(nèi)壓測試過程中，持續(xù)加壓到50 MPa，保壓10 min，未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，由此可知，膨脹管螺紋連接的抗內(nèi)壓能力達到了50 MPa。

膨脹管硫化橡膠密封性測試過程中，分別加壓到24，26，30 MPa，每次加壓均穩(wěn)壓10 min，均無泄露情況發(fā)生，由此可以知，膨脹管硫化橡膠的密封壓力達到了30 MPa。

膨脹管硫化橡膠懸掛力測試過程中，第1 次加壓到30 MPa 時，膨脹管開始啟動，向前運動了約5.0 mm，第2 次加壓到28 MPa 時開始移動，再繼續(xù)加壓10 MPa 即可平穩(wěn)運動。由此可知，1 個硫化橡膠的懸掛力在14～15 MPa。硫化橡膠密封帶的壓縮比為30.4%時，1 組硫化橡膠的懸掛力接近15 MPa，相當(dāng)于200 kN 左右。在實際作業(yè)過程中，硫化橡膠懸掛力受許多因素影響，如硫化帶壓縮比、密封性能等，在膨脹管補貼施工作業(yè)中，一般會加大安全系數(shù)，硫化橡膠密封帶數(shù)量一般在10 組以上，因此懸掛力遠遠大于通常要求的600 kN。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

中原油田某儲氣庫注采井，在注氣投產(chǎn)前測井找漏發(fā)現(xiàn)一個寬15～30 mm、長約300 mm 的長條形套管裂紋，嚴(yán)重影響儲氣庫投產(chǎn)。該井套管裂紋位于2 532.2～2 533.7 m 井段，套管外徑177.8 mm、壁厚11.5 mm、內(nèi)徑154.8 mm。為使該井順利投產(chǎn)，項目組最終選定用抗硫膨脹管進行現(xiàn)場施工，所用抗硫膨脹管外徑為139.7 mm、內(nèi)徑為126.3 mm，膨脹工具外徑為137.7 mm，膨脹管膨脹率為9%。補貼施工設(shè)計總長度為16.0 m，施工段位于2 524.0～2 540.0 m。作業(yè)過程中膨脹工具的啟動壓力在28 MPa 左右，整個施工過程中的運行壓力在28～32 MPa，套管補貼加固完成后對井筒試壓27 MPa，30 min 無泄壓，滿足儲氣庫投產(chǎn)要求?？沽蚺蛎浌茉趦鈳熳⒉删某晒?yīng)用，說明抗硫膨脹管補貼技術(shù)能夠滿足施工工藝要求，同時也可為普光氣田后期開發(fā)解決類似問題提供了技術(shù)儲備。

6 結(jié)論

1）根據(jù)普光氣田外徑177.8 mm 套管，設(shè)計了抗硫膨脹管的結(jié)構(gòu)尺寸：膨脹管膨脹前外徑134.6 mm、內(nèi)徑121.2 mm，硫化帶外徑144.0 mm、寬度50.0 mm、厚度4.7 mm，膨脹工具外徑133.0 mm；膨脹管膨脹后外徑146.3 mm、內(nèi)徑133.0 mm。

2）建立了膨脹管膨脹過程非線性接觸有限元模型，分析了膨脹管膨脹后的徑向位移變化、殘余應(yīng)力分布和膨脹力變化的規(guī)律，為膨脹工具的優(yōu)化設(shè)計和套管補貼施工工藝的制定提供了依據(jù)。

3）開展了抗硫膨脹管膨脹后密封性能和硫化橡膠懸掛力測試，結(jié)果表明：膨脹管膨脹后螺紋連接抗外壓值達到了30 MPa，螺紋連接抗內(nèi)壓值為50 MPa，膨脹管硫化橡膠的密封壓力為30 MPa，膨脹后1 組硫化橡膠的懸掛力接近200 kN，上述數(shù)值可以為膨脹管現(xiàn)場施工參數(shù)的優(yōu)選提供參考。