摘 要：梨形胀管器整形技术是一种高效率的套管修复技术，整形力的大小是工具优化设计和现场施工参数设计的重要依据。为此，在YAW-200压力试验机上对常用尺寸的油层套管进行压扁，然后由YS32-500型的四方柱万能液压试验机提供整形力，由小到大依次下入梨形胀管器对变形套管(C110)进行了3次膨胀整形，得到了不同尺寸梨形胀管器整形所需的整形力、梨形胀管器的磨损量、变形套管的回弹量的测试数据，进而对其测试结果进行分析和评价，找到了梨形胀管器外径与整形力、变形套管的回弹量、梨形胀管器的磨损量之间的关系。实验结果表明：梨形胀管器外径级差的合理性决定了整形力的大小、变形套管的回弹量、梨形胀管器的磨损量，同时，为了减少卡钻事故并兼顾整形效率，梨形胀管器的单次整形量不宜过大。该研究成果为优化梨形胀管器结构和整形施工参数提供了重要的实验数据。
关键词：梨形胀管器 套管 变形 整形 修复 整形力 回弹量 磨损量
An experimental investigation into parameters optimization of reshaping casing by pear-shaped casing swage
Abstract：Pear-shaped casing swage repair technology is highly efficient in repairing deformed casing and the valuc of repairing force is a very lmportant parameter for designing and optimizing the casing swage and structure parameters．In view of this，the collapse experiments were performed on the YAW-200 pressure testing machine using one commonly-used production casing and then the reshaping test of deforreed casing(C110)was performed from small to large by using three pear shaped casing swages with different diameters．The universal YS32-500 hydraulic testing machine was used to provide the reshaping force in the repairing process．The reshaping toree and wear extent of each pear shaped casing swage as well as the spring back value of deformed casing have been obtained by the above repairing tests·On this basis，through the analysis and evaluation of testing resuits，the correlation was made clear between reshaping force，spring back value of deformed casing as well as wear extent and the outside diameter of a pear-shaped casing swage.The size of reshaping force，the spring back value of deformed casing and wear extent of the swage will be determined by the ratlonality of outside diameter differential of the pear-shaped casing swage．Simuhaneously，thc repaired amount of deformed casing every time should not be too large for the sake of decreasing the drill pipe sticking accident and inereasing the efficiencv to repair detormed casing.The research results provide important experimental data for the optimization of tool structure and reshaping technological parameters．
Keywords：pear shaped casing swage，reshaping force，casing，deformed casing，reshaping，repair，spring back value．abrasion loss
国内外很多油气田在生产一段时间后，因地质、工程和腐蚀等因素的影响，许多油气井发生不同程度的套管变形[1]。尤其在井下易垮塌地层、大型酸化压裂后的地层、塑性蠕变严重的地层和固井质量较差的井眼都会使得大部分的石油套管受到呈椭圆形分布的非均匀载荷[2]，从而使得变形后的套管截面为椭圆形[3]，如川渝气田的龙岗001-1井、龙岗001-2井、龙岗39井、龙岗l3井，塔里木油田的英深一井，塔河油田的TKll27井的套管均为盐岩蠕变和塑性流动引起的套管变形，严重地影响油气田的安全和效益。
为此，国内外研发了许多套管修复技术[4]，而冲击整形技术是修复油水井套管变形的常用修井技术，它是根据撞击原理采用梨形胀管器对变形套管施加冲击整形力进行扩径。但是，目前的冲击整形技术由于缺乏对冲击整形力的准确控制，整形力过小导致整形失败、整形力过大导致卡钻事故或油水井水泥环的破坏或套管发生二次塑性破坏等情形时有发生[5-6]。目前，国内外科技工作者在套管失效这一领域做了大量的研究工作，主要集中在套管失效机理的研究[7-8]，检测技术的研究[9]，修复工艺[10-14]，如梨形胀管器整形技术、套管补贴技术、膨胀管技术、套换套技术等，防治措施的研究[15]及少数碾压整形理论方面的研究，在碾压成型理论方面的研究中，姜民政[1]的成就最突出，他根据Hertz接触理论建立了碾压整形工具尖楔单边受压的塑性模型。此外，大量学者采用数值模拟和物理实验的方法对实体膨胀管的修复技术进行了详细的研究[16-19]。
根据文献分析可知，国内外学者对套管的失效机理和套管的修复技术研究较多，但针对冲击整形修复技术的整形测试研究不够，尤其对整形力大小的确定及其控制研究虽然卜分重要但明显不足。因此，本文采用梨形胀管器对变形套管进行了整形测试研究，并对测试结果进行了详细的分析和总结，为优化梨形胀管器的结构设计和现场施工参数提出了良好的建议。
1 梨形胀管器的整形测试研究
1．1 整形测试装置及方法
整形实验设备包括YAW-200压力试验机、YE-2533静态应变仪、YS32-500型的四方柱万能液压试验机、上下夹具、带传感器的配合接头。其中压力试验机用于制备椭圆形套管；静态应变仪用于测餐梨形胀管器整形过程中配合接头上产生的压应变；上下夹具分别用于固定胀管器和变形套管；四方柱万能液压试验机用于施加整形力。故根据配合接头上的压应变，并结合胡克定律和配合接头的几何尺寸可以求得梨形胀管器整形时所需的整形力Fp即
s＝Ee (1)
Fp＝sA (2)
式中E为材料的杨氏模量，210GPa；s为整形过程产生的压应力，MPa，A为配合接头的横截面积，2463mm2；e配合接头上产生的压应变。
该实验主要分为2个阶段，第1个阶段是椭圆形套管的制备，其方法是将理想套管(C110×177.8×12.65)放在YAW-200压力试验机上进行压扁实验(图l-a)，变形尺寸是基于现场套管变形数据(表1)；第2阶段是用3只不同外径的梨形胀管器对变形套管的整形测试，该实验在YS32-500型的四方柱万能液压试验机上完成(图l-b)。
1．2 整形实验的主要步骤
1)基于油田套管的变形尺寸制备相应的变形套管，通过压力试验机对圆套管的挤压而得到(图l-a)。
2)处理变形套管的表面，连接静态应变仪(图1-c)。
3)在万能液压试验机(YS32-500)上安装与梨形胀管器和变形套管相匹配的顶部、底部夹具(图2)。
4)将一端开槽的变形套管固定于底部夹具(固定套管的轴向移动)并测量变形套管的初始尺寸(图3)。
5)将带配合接头的梨形胀管器固定于顶部夹具，要求梨形胀管器处于变形套管中心(图4)。
6)开始整形测试(图5)。在整形的过程中要求梨形胀管器在套管变形处往得移动直到配合接头上的压应变趋于0为止，即梨形胀管器可以在变形套管内自由滑动，此时我们可以认为变形套管的内径等于梨形胀管器的最大外径，同时测量变形套管整形后的尺寸，完成l只梨形胀管器的整形实验；第2只和第3只梨形胀管器重复上述步骤完成。
2 整形测试结果分析
2．1 梨形胀管器整形的测试结果
整形测试所用梨形胀管器的锥角均为l3°，其几何参数见表2。整形对象是通过压力试验机压扁的C110套管，变形套管的几何参数详见表1。梨形胀管器对变形套管的整形测试结果见表2。
由表2可知，外径为l22mm、125mm、l28mm的梨形胀管器所需的整形力分别为469kN、697kN、1086kN；整形后变形套管的回弹量随着梨形胀管器外径的增加而增加，梨形胀管器的整形力随着工具外径的增加而急剧增加，整形力增加的原因：原始梨形胀管器的单次整形量(2mm、3mm、3mm)不合理；整形后套管发生回弹，每只工具整形后变形套管都有不同程度的回弹，从而进一步导致整形后胀管器的单次整形量(2mm、3.4mm、4.2mm)更加不合理。因此梨形胀管器的单次整形量不宜过大，应该适当减小梨形胀管器外径的级差。
2．2 梨形胀管器的耐用性分析
由于在整形过程中梨形胀管器与套管内壁发生了较大的摩擦接触，造成梨形胀管器发生了不同程度的磨损(图6)。通过用游标卡尺对整形后梨形胀管器的磨损宽度和厚度进行测量，可以得到梨形胀管器的磨损量，其具体的磨损结果见表3。
由图6和表3可知，整形后梨形胀管器工作面的磨损宽度和磨损厚度均随着工具外径的增加而增加；由图7可知，梨形胀管器的磨损量随着级差的增加而呈非线性增加，表明工具根据变形套管之间的级差对梨形胀管器的磨损量有很大的影响。因此，为了减小对工具的磨损，应该适当减小梨形胀管器之间的级差。
2．3 梨形胀管器与变形套管之间的级差分析
根据表2中的结果可得到梨形胀管器和套管之间形成的级差与整形力的关系曲线(图8)，同理可得梨形胀管器和套管之间形成的级差与变形套管整形后的回弹量之间的关系曲线(图8)。
结合图7、8分析可以发现2个十分明显的现象：①图中第2个点与第3个点之间的斜率k2远大于第1个点与第2个点之间的斜率k1，结合数据具体分析可得：在梨形胀管器的外径为128mm时，其在整形的过程中所需的整形压力、梨形工具磨损厚度、梨形工具磨损宽度、套管回弹量都显著增加，由此判断该组梨形胀管器的外径级差存在缺陷，在整形过程中容易造成卡钻等井下事故，应该更加合理的优化其整形级差；②外径为l22mm的梨形胀管器对变形套管整形时其整形力、套管回弹量、工具磨损量均较小，由此认为2mm的单次整形量最合理。
根据测试结果可知，采用级差较大的梨形胀管器对变形套管进行修复具有较高的整形效率，但每次整形所需施加的钻压较大，整形后套管的回弹量较大，容易造成卡钻事故，相反，采用级差较小的梨形胀管器对变形套管进行修复不会出现上述问题，但是其整形效率低，从而导致施工工期长、成本高。为了减少卡钻事故并可兼顾整形工作效率，结合测试结果，同时考虑到变形套管回弹现象，推荐了一组合理的梨形胀管器外径级差，建议结果见表4。
3 结论
1)本文采用了3只梨形胀管器对变形套管(C110)进行了整形测试，分别得到了3只梨形胀管器整形变形套管时所需的整形力，可为变形套管整形施工参数的优化提供可靠的理论指导，从而避免了因整形力过小而达不到整形目的和整形力过大而导致水泥环损坏或套管二次破坏的问题。
2)本文得到了梨形胀管器外径与整形力、变形套管的回弹量、梨形胀管器的磨损量之间的关系。即整形力、变形套管回弹量和梨形胀管器的磨损量均随梨形胀管器外径的增加而增加。结合以上关系可知，梨形胀管器外径级差的合理性决定了整形力的大小、变形套管的回弹量、梨形胀管器的磨损量。因此，为了减少卡钻事故并可兼顾整形效率，梨形胀管器的单次整形量不宜过大，同时，优化设计梨形胀管器的外径级差应该考虑套管回弹这一现象。该研究成果为优化梨形胀管器提供了重要的借鉴。
3)结合测试结果，推荐了一组合理的梨形胀管器外径级差。
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本文作者：林元华 邓宽海 曾德智 向俊科 王木乐
作者单位：“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学
西南石油大学石油管工程重点实验室
中国石化中原油田公司采油工程技术研究院
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