改進(jìn)膨脹尾管懸掛器懸掛力技術(shù)研究

谷 磊，韓 峰，劉 明，趙晨熙，李 夯，邵志香

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

膨脹尾管懸掛器是膨脹管技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，與常規(guī)懸掛器相比，膨脹懸掛器具有過流面積大、可旋轉(zhuǎn)、外露部件少等特點(diǎn)，能夠防止尾管下入過程中遇阻、避免外露部件損傷和提前坐掛等現(xiàn)象發(fā)生[1-3］。膨脹尾管懸掛器坐掛時(shí)所需要的膨脹力、坐掛后與上層套管形成的懸掛力是其重要性能參數(shù)，目前膨脹尾管懸掛器主要依靠硫化在本體上的橡膠提供懸掛力，懸掛性能受到限制；膨脹過程中使用潤化脂降低膨脹錐與本體間的摩擦力，而在井下高溫高壓液體環(huán)境下的潤滑效果不好。為此，筆者進(jìn)行了提高膨脹尾管懸掛器懸掛與潤滑性能的研究。

1 膨脹尾管懸掛器的膨脹機(jī)構(gòu)

1.1 膨脹機(jī)構(gòu)的工作原理

圖1 膨脹懸掛器的工作原理Fig.1 Working principle of the expandable liner hanger

膨脹尾管懸掛器的工作機(jī)理如圖1（a）所示。膨脹本體在套管內(nèi)膨脹變形并緊貼套管內(nèi)壁，依靠本體與套管之間的橡膠封隔環(huán)空。施工過程如圖1（b）所示，由送入工具、膨脹懸掛器和尾管組成的管串下至預(yù)定位置，投入鉆桿膠塞，鉆桿膠塞與尾管膠塞復(fù)合后，通過送入工具進(jìn)行管內(nèi)憋壓產(chǎn)生液壓推力，推動(dòng)膨脹錐在懸掛器本體內(nèi)運(yùn)動(dòng)使其膨脹。圖1（b）為膨脹初始狀態(tài)，膨脹錐位于膨脹本體前端，通過增加送入工具管內(nèi)鉆井液壓力，為本體膨脹提供足夠的推力，完成準(zhǔn)備工作。圖1（c）為膨脹進(jìn)行狀態(tài)，膨脹錐在液壓推動(dòng)下在膨脹本體內(nèi)運(yùn)動(dòng)使其發(fā)生塑性變形。圖1（d）為膨脹結(jié)束狀態(tài)，此時(shí)送入工具已經(jīng)提出，本體膨脹后緊貼在上層套管內(nèi)壁上，并與其產(chǎn)生足夠的摩擦力懸掛尾管串[4］。

1.2 膨脹機(jī)構(gòu)膨脹試驗(yàn)裝置

膨脹機(jī)構(gòu)膨脹試驗(yàn)裝置由膨脹錐座、膨脹錐、膨脹錐環(huán)、上層套管、膨脹本體、扶正桿、扶正底座等零件構(gòu)成（見圖2）。試驗(yàn)加載時(shí)扶正底座固定，試驗(yàn)機(jī)液缸產(chǎn)生的推力作用在膨脹錐座上，推動(dòng)膨脹錐座沿扶正桿運(yùn)動(dòng)，膨脹錐座將推力傳遞給膨脹錐，膨脹錐進(jìn)入膨脹本體使其發(fā)生膨脹，膨脹完成后本體坐掛在上層套管內(nèi)，膨脹錐運(yùn)動(dòng)過程中所需要的最大推力即膨脹力[5］。該試驗(yàn)裝置同時(shí)具備測試懸掛力的功能，膨脹完成后取出膨脹錐座、膨脹錐、膨脹錐環(huán)及底座，將套管左端固定，從右側(cè)對膨脹本體施加推力，膨脹本體與套管發(fā)生位移所需要的最大力即為膨脹本體在套管內(nèi)坐掛所形成的懸掛力。

圖2 膨脹試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the expansion experiment device

1.3 膨脹機(jī)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)膨脹尾管懸掛器工作原理設(shè)計(jì)了膨脹機(jī)構(gòu)。膨脹機(jī)構(gòu)包括膨脹錐座、膨脹錐、本體，如圖3所示。膨脹錐座將送入工具管內(nèi)壓力產(chǎn)生的推力傳遞給膨脹錐，膨脹錐在本體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使其膨脹產(chǎn)生塑性變形。為提高本體膨脹后與上層套管形成的懸掛力，在本體表面硫化了橡膠，橡膠同時(shí)起密封作用[6］。

圖3 膨脹本體機(jī)構(gòu)Fig.3 Mechanism of the expansion body

研制了本體膨脹后坐掛在φ177.8mm套管內(nèi)的φ177.8mm×φ127.0mm膨脹尾管懸掛器，本體下端懸掛φ127.0mm尾管，設(shè)計(jì)懸掛尾管的重量大于100kN。利用膨脹機(jī)構(gòu)膨脹試驗(yàn)裝置對該規(guī)格膨脹尾管懸掛器的懸掛力進(jìn)行了測試，結(jié)果表明橡膠所產(chǎn)生的懸掛力僅有50kN，不能夠滿足現(xiàn)場要求。為此對膨脹本體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在膨脹本體4周鑲嵌了金屬塊（見圖4），膨脹時(shí)金屬塊跟隨本體同時(shí)運(yùn)動(dòng)，膨脹后金屬塊夾在本體與套管之間，由于金屬塊具有較高硬度，在本體膨脹后能夠嵌入套管內(nèi)壁，使膨脹本體與套管間的摩擦力顯著增大，即懸掛器的懸掛力增大。

利用膨脹機(jī)構(gòu)試驗(yàn)裝置對改進(jìn)后的膨脹本體進(jìn)行了膨脹試驗(yàn)，并在膨脹試驗(yàn)后采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了懸掛力測試，得到了懸掛力-時(shí)間關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖4 改進(jìn)后的膨脹本體Fig.4 Improved expansion body

圖5 懸掛力-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Hanging force-time curve

從圖5可以看出，膨脹本體鑲嵌單組金屬塊時(shí)的懸掛力達(dá)到200kN，膨脹本體未鑲嵌金屬塊時(shí)的懸掛力僅為50kN，說明鑲嵌金屬塊對于提高懸掛力作用明顯。試驗(yàn)時(shí)的懸掛力為單組金屬塊所提供，實(shí)際使用中可根據(jù)懸掛尾管的重量，改變金屬塊組數(shù)提高懸掛力，以滿足現(xiàn)場需求。

為分析膨脹本體的變形情況，選取膨脹試驗(yàn)前后A（前端）、B（中間）、C（底部）等3處位置的內(nèi)外徑進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。由表1可以看出：膨脹后的本體內(nèi)徑大于膨脹錐最大外徑，即本體膨脹后未出現(xiàn)回彈；套管尺寸沒有發(fā)生明顯變化，說明膨脹對外層套管沒有影響。

表1 不同監(jiān)測位置膨脹前后的內(nèi)外徑Table1 ID and OD at different detecting positions before and after expansion

2 膨脹機(jī)構(gòu)潤滑性能優(yōu)化

2.1 潤滑材料優(yōu)選

膨脹錐與膨脹本體間的摩擦力是影響膨脹本體膨脹的重要因素，較小的摩擦系數(shù)能夠降低膨脹本體內(nèi)的殘余應(yīng)力，并保證膨脹過程順利完成。如果摩擦力過大，接觸面會(huì)發(fā)生粘和現(xiàn)象，造成膨脹錐交替啟動(dòng)和停止并損壞膨脹錐及本體，因此需要優(yōu)選潤滑材料降低摩擦力。

膨脹懸掛器在高溫高壓條件下工作時(shí)，常規(guī)潤滑油脂性能受到影響。而固體潤滑涂層材料能夠在高溫高壓環(huán)境下使用，并具有較好的潤滑特性，且固體潤滑涂層能與摩擦表面形成牢固的化學(xué)吸附膜或物理吸附膜，防止相對運(yùn)動(dòng)表面之間產(chǎn)生嚴(yán)重的熔焊或金屬的相互轉(zhuǎn)移，因此選用固體潤滑涂層。固體潤滑涂層以石墨、聚四氟乙烯最為常用。由于石墨具有較高的承載能力、能有效降低摩擦系數(shù)并能夠耐200℃以上的高溫[7］。因此，采用鍍膜工藝對膨脹錐外表面、膨脹本體內(nèi)表面進(jìn)行石墨涂層處理，形成厚15～20μm的膜。處理后的膨脹錐外表面、膨脹本體內(nèi)表面被石墨薄膜覆蓋，其潤滑性能大幅提高。

2.2 膨脹機(jī)構(gòu)潤滑性能試驗(yàn)

采用膨脹機(jī)構(gòu)膨脹試驗(yàn)裝置，分別對未潤滑、油脂潤滑和石墨涂層潤滑3種情況下的膨脹本體進(jìn)行了膨脹試驗(yàn)，結(jié)果見圖6。

圖6 膨脹力-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Expansion force-time curve

由圖6可以看出，未經(jīng)過潤滑處理時(shí)的最大膨脹力為340kN，采用油脂潤滑后的最大膨脹力為312kN，采用固體潤滑涂層后的最大膨脹力為268kN。這表明固體潤滑涂層對于降低膨脹力的作用明顯，優(yōu)于潤滑油脂，相對于未潤滑，固體潤滑涂層可使膨脹力降低21%。

3 結(jié)論與建議

1）在膨脹本體外表面硫化橡膠的同時(shí)鑲嵌金屬塊，可以提高膨脹尾管懸掛器的懸掛能力，在現(xiàn)場使用時(shí)還可根據(jù)需要調(diào)整金屬塊的數(shù)量。

2）在膨脹本體內(nèi)表面和膨脹錐表面預(yù)涂能夠與金屬表面貼合牢固的固體潤滑涂層，可以提高其潤滑性能，降低其最大膨脹力。

3）今后應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場需要繼續(xù)改進(jìn)本體的機(jī)構(gòu)，優(yōu)選潤滑涂層，進(jìn)一步提高膨脹尾懸掛器的懸掛能力和潤滑性能。

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