膨胀管补贴施工中最大下入深度的确定

黄满良 黄华宁 张飙 袁照永 胡金铜 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业公司

膨胀管补贴技术是近年来发展起来的一项修补套损套漏井、封堵射孔炮眼、对套管薄弱部位实施加固的一项新技术［1-3］，其基本原理就是利用输送管柱（常用N80加厚油管）将膨胀管柱下到待补贴的设计位置，再通过地面设备实施正打压，作用在膨胀头上，膨胀头在压力的作用下，向上运动使膨胀管直径胀大并通过膨胀管两端的锚定密封原件与原井套管实现锚定和密封，达到补贴的目的。基于此，膨胀管的最大下入深度，应与输送管柱的材料强度，施工过程的压力，补贴施工管柱与原井套管的环空中的液面位置、膨胀管本身的材料强度有关，但由于膨胀管柱位于整个施工管柱的最下端，且长度一般不是很大，其强度应该能满足要求，故其对下入深度的影响可予以忽略。通过对施工管柱的力学分析，推导出下入深度、液面位置与施工压力的关系式，最后绘出其匹配关系图，利用该图可以求出任一工况下的膨胀管的最大下深度，方便地运用于膨胀管补贴的施工工艺设计和选井。

1 施工管柱

膨胀管补贴施工中，施工管柱示意图如图1所示，施工深度为L，施工管柱与原井套管环空的液面位置为H，施工使用Ø73 mm加厚油管（内径62 mm），钢级为N80，施工压力为p。

图1 补贴施工管柱示意图Fig. 1 Schematic pipe string during the construction of patching

2 作用在加厚油管上的最大载荷计算

作用在加厚油管上的最大载荷发生在油管的顶端，最大载荷由油管自身重力G、施工压力作用在油管下端的拉力FP、油管内的液体作用在油管上的拉力FL和油套环空的液体作用在油管柱上的浮力Ff等4部分载荷组成。

油管自重力为

施工压力作用在油管下端的拉力为

油管内液体作用在油管上的拉力Fl为

油套环空的液面位置对油管柱产生浮力，当H≥L时，井中流体对膨胀管输送管柱无浮力作用，即Ff=0；当H≤L时

所以作用在油管上的最大载荷Fmax为

当H≥L时

当H≤L时

式中，G为油管自重力，N；ρG为油管的线密度，kg/m；L为油管长度即膨胀管下入深度，m；g为重力加速度，m/s2；FP为补贴施工压力p作用在有关柱下端的拉力，N；d为油管内径，mm；FL为油管内液体作用在其底堵位置的拉力，N；ρli为油管内液体密度，kg/m3；Ff油套环空的液体作用在管柱上的浮力，N；D为加厚油管管体外径，mm；ρlo为油套环空液体的密度，kg/m3；H油套环空液面位置，m。

3 施工管柱强度校核

根据文献［4］，油管强度应满足下式，即

式中，m为安全系数，取1.3；FS为油管柱抗滑扣载荷，N；σS为油管材料的最小屈服强度，N/m2。

据此得出满足膨胀管补贴施工管柱强度的校核

公式，当H≥L时，

当H≤L时，

将已知数据： Ø73 mm加厚油管，N80油管的最小屈服σS=552 MPa，油管的线密度ρG=9.58 kg/m，油管内的液体密度ρli=1000 kg/m3，重力加速度g=9.8 m/s2，油套环空的液体密度ρlo=1000 kg/m3代入（10）式和（11）式，并整理得到满足膨胀管施工管柱强度要求的下入深度与施工压力和液面位置之间的关系式，当H≥L时，

当H≤L时，

4 强度校核图版

4.1 图版绘制

式（12）、（13）所代表的不等式相交于直线H=L，在给定不同p值的情况下，所代表的不等式可以用直线簇的形式绘制在一张图上。在图2的左上区为H＞L，即环空液面在补贴位置以下的区域；右下区为H＜L，即环空液面在补贴位置以上的区域。

图2 膨胀管下入深度与膨胀压力及液面位置匹配图Fig. 2 The matching map between the setting depth of expandable tabular and the expansion pressure and liquid level

4.2 图版使用情况

（1）可以进行找出在任何的H、L组合下，施工管柱所能承受的最大内压。

（2）可以校核任何的H、L、p组合下的施工管柱强度是否安全。

（3）因为在膨胀管补贴前业界均要求施工管柱承压达到45 MPa，据此可以找出在不同的H条件下，膨胀管补贴的对应的最大深度。

4.3 图版应用举例

例1 ，某井在进行膨胀管补贴前施工管柱进行了45 MPa内压试压，合格。该井液面在2000 m，补贴施工压力不大于45 MPa，试找出该井可进行膨胀管补贴的最大深度。

解：从纵轴2000的位置做出横轴的平行线与直线p=45 MPa相交（A点），从该点做横轴的垂线，该垂线与横轴的交点，L=3360 m即为本井可施工膨胀管补贴的最大深度。

例2，某井液面位置在2000 m，该补贴施工的位置在1520 m，进行膨胀管补贴，判断管柱强度是否安全。

解：如图2，H=2000，L=1520 m的2条直线的交点（B点）位于H＞L区域，p=45 MPa直线与纵轴所包含的区域内，故该井进行膨胀管补贴管柱强度安全。

5 几点认识

（1）找到一种用图表求解膨胀管补贴管柱最大下入深度的方法，直观、方便。

（2）由于H＞L区域与H＜L区域的工况忽略浮力影响的结果相同，因而在当H＜L时，亦可采用H＞L对应的区域进行各项应用，并且由于忽略了浮力的作用，其结果应是偏于安全的。

（3）图2可以适用于任何一种工况下Ø73 mm加厚油管的强度校核或其他与强度相关的求解。

［1］胡彪，何世明，刘爱民，王欢.实体膨胀管在封隔深井侧钻井复杂泥岩段的应用［J］.石油矿场机械，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］白强，李德君，刘强，宋生印，上官丰收. 实体膨胀管膨胀过程几何参数变化试验研究［J］.石油矿场机械，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.实体膨胀管大塑性变形有限元分析［J］石油矿场机械，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］采油技术手册编写组.采油技术手册［M］.北京：石油化学工业出版社，1977.Technical manual compilation group. Manual of Oil Production Technologу ［M］. Beijing: Petroleum Chemical Industrу Press, 1977.