实体膨胀管实物膨胀评价装置设计

潘志勇，燕 铸，宋生印，上官丰收，冯耀荣，申昭熙，王新虎，黄永章

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065；2.中国石油技术开发公司，北京100028；3.川庆钻探工程有限公司工程技术研究院，西安710021） ＊

·设计计算·

实体膨胀管实物膨胀评价装置设计

潘志勇1，燕 铸2，宋生印1，上官丰收1，冯耀荣1，申昭熙1，王新虎1，黄永章3

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065；2.中国石油技术开发公司，北京100028；3.川庆钻探工程有限公司工程技术研究院，西安710021）＊

针对现有简易膨胀试验装置存在的膨胀力小、膨胀速度慢、膨胀过程和现场实际不一致等问题，设计了专业的实体膨胀管实物膨胀评价装置。该装置可模拟油田现场井下膨胀情况，对膨胀管进行膨胀检测和评价，且可在单纯的机械拉力或单纯的水压或两者共同作用下对膨胀管进行膨胀试验。利用该装置还可进行钢管膨胀变形规律研究、膨胀管材料选择和开发、膨胀锥优化设计、膨胀工艺研究等，在保证膨胀管产品质量的同时将大力促进实体膨胀管的国产化。

评价装置；实体膨胀管；膨胀；膨胀锥；试验

实体膨胀管技术是油气井工程领域内的重大新技术之一，广泛应用于钻井、完井和修井作业中［1－2］。目前，实体膨胀管技术主要由国外的Enventure公司、Weatherford公司、Baker Hughes公司和Halliburton公司所垄断，其中Enventure公司已经研制生产出了∅108.0～∅339.7mm系列规格的实体膨胀管，并于2007－12在大斜度井和水平井中进行了成功应用。近年来，我国也开始了对实体膨胀管技术的研究［3－8］。

实体膨胀管技术有很多关键技术，例如材料、膨胀接头、密封、润滑以及膨胀锥的结构等都属于商业秘密，国外对该技术严格保密，国内很难引进，而该技术服务由国外石油公司所垄断，国内使用该技术要付出高昂的代价，因此迫切需要开发具有自主知识产权的实体膨胀管技术。

膨胀起胀装置是制约膨胀试验和膨胀作业开展的重要因素之一。国外现场膨胀作业中无起胀过程，而是直接将事先已制作好的膨胀腔通过螺纹连接在膨胀管上进行膨胀作业，其中膨胀锥事先装在膨胀腔内，膨胀腔的内径等于膨胀管膨胀后的内径。由于膨胀腔利用可钻材料制成，和膨胀管的螺纹连接很难保证良好密封；另外，每次膨胀作业必须使用1个膨胀腔，造成较大浪费。国内的膨胀管试验主要通过固定膨胀锥后机械拉伸膨胀管进行，膨胀过程中膨胀管端部处于固定约束状态，这和井下实际作业状态不同。

国外实体膨胀管已在国内的胜利油田、大港油田、塔里木油田等现场使用，但由于国内无对膨胀管进行膨胀评价的装备，所以无法了解膨胀管质量的好坏，进而造成安全隐患。国内已有单位试制出实体膨胀管，但由于缺乏专业的膨胀检测评价装备无法马上推广应用。

1 相关装置分析

目前，国内外还未见膨胀管实物膨胀评价专业装置的技术研究及报道，已发表和使用的有关装置主要有如下几种：

1） 《实体膨胀管膨胀设备》［9］介绍了一种使用液压驱动膨胀锥进行膨胀的装置，这种装置适合油田现场小膨胀率的作业，如果进行大膨胀率（膨胀率约30%）的膨胀试验，单靠液压力很难驱动膨胀锥向前运动。

2） 《基于丝杠传动的实体膨胀管》［10］介绍了一种基于丝杠传动的实体膨胀管膨胀装置，它采用螺杆传动驱动膨胀锥进行膨胀，设计的膨胀方式是自上而下，由于膨胀锥需要很大的驱动力，而滑动丝杆传动效率低，而且油田现场采用的是自下而上的方式进行膨胀，该装置使用受到限制。

3） 《钻井实体膨胀管纵向金属流动的试验研究》［11］中试验装置采用固定膨胀锥后机械拉伸膨胀管进行，膨胀过程中膨胀管端部采用固定约束，膨胀过程中不能保证膨胀锥中心轴线与管子中心轴线重合，试验结果与实际有偏差。

4） 《API L80套管的膨胀性能试验研究》［12］中试验使用压缩试验机推动膨胀锥进行膨胀，膨胀过程中管子要承受很大的压力，管子受力状态与油田现场实际明显不同，试验结果与实际有较大偏差，而且管子较长时膨胀过程中管子可能产生屈曲。

5） 《膨胀管系统受力及运动分析》［13］对膨胀管使用液压进行膨胀进行了理论受力分析，该理论装置只能在液压的作用下推动膨胀锥进行膨胀作业，大钩悬挂加压管柱和膨胀管于井筒内，膨胀锥不能在大钩单独的拉力作用下进行膨胀，大钩和加压管柱对膨胀锥的作用力是液压膨胀过程中产生的一种可能为拉也可能为压的辅助力。

2 技术分析

2009－03，中国石油集团石油管工程技术研究院开始研究实体膨胀管实物膨胀评价装置，于2010－05完成最终的设计，目前已进入装置的制造阶段，并已获授权中国实用新型专利专利，专利号：ZL201020242182.0。利用该装置不仅可对膨胀管进行实物膨胀检测评价，同时还可开展钢管膨胀机理或膨胀变形规律研究、膨胀管材料选择或开发、膨胀锥优化设计、膨胀工艺研究等，该装置在推动膨胀管技术不断进步的同时将推进实体膨胀管国产化。2.1 结构

实体膨胀管实物膨胀评价装置管端起胀结构如图1所示，膨胀结构如图2所示。

图1 管端起胀结构

评价装置由加载框架、膨胀锥、油缸、水压系统和传感器构成。加载框架由槽钢Ⅱ、封堵Ⅰ和封堵Ⅱ构成框架结构，膨胀管位于加载框架的前端，由槽钢Ⅰ和V形块Ⅰ固定，使膨胀管中心线与加载框架中心线同轴。槽钢Ⅰ固定在槽钢Ⅱ上，膨胀管后端由固定在挡板上的支撑块固定，挡板由挡块固定在槽钢Ⅱ上。膨胀锥位于膨胀管中、前端，膨胀锥后端通过过渡接头与油缸活塞杆连接。油缸位于加载框架后端，由槽钢Ⅰ和V形块Ⅱ固定，使油缸中心线与加载框架中心线同轴。油缸活塞杆穿过挡板和支撑块中心设置的孔与油缸连接。伸缩位移传感器位于油缸内，前端伸入油缸活塞杆的中心孔中，后端固定在封堵Ⅱ上。膨胀管前端由管堵堵管，膨胀管外管堵上设有高压注水管和耳座。设在封堵Ⅰ外的传感器通过螺母、单耳螺杆由销钉与耳座连接。

图2 膨胀结构

2.2 工作原理

膨胀管管端起胀时，膨胀管被上、下V形块固定，同时另一端由挡板挡住；而后膨胀锥在油缸活塞杆拉力作用下缓慢向前移动，完成膨胀管管端的起胀。

起胀过程完成后，退出膨胀锥，拧下活塞杆使其退回油缸内；而后拆卸膨胀管上部V形块和槽钢，拆卸膨胀管端部挡板；然后伸出活塞杆与膨胀锥连接。把管堵焊接在膨胀管起胀端，销钉连接单耳螺杆和耳座，装好传感器和螺母，通上高压水，于是膨胀锥可在活塞杆拉力和高压水推力或任意一种方式下完成膨胀管的膨胀过程。

2.3 主要技术参数

试样直径 ∅90～∅340mm

试样长度 ≤5m

膨胀速度 0～9m／min

轴向拉伸载荷 0～1 000kN

水压系统压力 0～70MPa

水压系统排量 0～16m3／h

装置长度 ≤15m

2.4 结构特点

膨胀管膨胀评价时已起胀端部采用铰接方式固定，轴向固定，径向自由，保证了膨胀管在膨胀过程中受力状态与油田作业现场实际吻合。膨胀过程可采用3种方式进行膨胀：①单纯依靠活塞杆拉力拉动膨胀锥进行膨胀；②单纯依靠高压水压力推动膨胀锥进行膨胀；③联合前2种力移动膨胀锥进行膨胀。为了进行不同膨胀率的检测评价，需准备多种规格的膨胀锥。

3 试验

选取规格为∅114.3mm×5.21mm N80的套管试样在实验室分别进行膨胀率为20.5%和25.5%的膨胀试验。试验采用活塞杆牵引膨胀锥进行膨胀，管端初始膨胀后的形貌如图3；管体膨胀过程中的形貌如图4；活塞杆牵引力与膨胀锥水平位移关系如图5。在整个膨胀过程中，评价装置运行平稳、工作可靠，能满足实体膨胀管的评价要求。

图3 管端初始膨胀

4 结论

1） 实体膨胀管实物膨胀评价装置能模拟现场情况对膨胀管进行实物膨胀检测和评价，保证了膨胀管产品使用的安全性和可靠性。

2） 评价装置可采用3种方式对膨胀管进行膨胀，并且该装置结构简单、成本较低，具有广泛的应用前景。

3） 利用评价装置还可进行膨胀管产品开发和膨胀工艺优化设计。

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Design of Expansion Evaluation Device for Solid Expandable Tube

PAN Zhi－yong1，YAN Zhu2，SONG Sheng－yin1，SHANGGUAN Feng－shou1，FENG Yao－rong1，SHEN Zhao－xi1，WANG Xin－hu1，HUANG Yong－zhang3
（1.Tubular Goods Research Center，CNPC，Xi’an710065，China；2.China Petroleum Technology ＆Development Corporation，Beijing100028，China；3.CCDC Changqing Engineering Technology Research Institute，Xi’an710021，China）

In consideration of the problems of current simple devices as low expansion force and low expansion speed and expansion process that didn’t match the reality and etc.，an expansion evaluation device for solid expandable tube was designed.The solid expandable tube can be checked and evaluated by expansion simulating oil field reality.The solid expandable tube can be expanded by only machine tensile or only hydraulic pressure or the combination of machine tensile and hydraulic pressure.Some other works can be carried out by making use of evaluation device，for example research on deformation law for expandable tube and choice and development on expandable tube’s material and optimization design on the expansion cone and study on expansion technology and etc.The evaluation device will make a great role on promoting expandable tube quality and advance the localization process of solid expandable tube industry of china.

evaluation device；solid expandable tube；expansion；expansion cone；test

1001－3482（2012）11－0027－04

TE931.2

A

2012－05－03

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目（2011A－4208）

潘志勇（1976－），男，湖北天门人，工程师，硕士，主要从事石油管材方面的研究和技术服务工作，E－mail：panzy＠cnpc.com.cn。