含水泥环的变形套管修复过程实验

发布时间：2019-07-17 11:32

【摘要】：油气田现场经常凭经验确定旋压整形器修复变形套管所需的修复力和扭矩,而不合理的整形力或扭矩容易造成变形套管和周围水泥环的二次损伤及卡钻事故。为此,在YAW-200压力试验机上分别制作了无水泥环(水泥环完全损伤)、水泥环部分损伤和水泥环未损伤等3种类型的P110SS变形套管,并采用?126 mm和?133 mm的2种旋压整形器对3种变形套管进行整形测试,得到了变形套管整形所需的整形力和修复扭矩、变形套管回弹量的测试数据。实验结果表明:(1)修复过程中整形力与扭矩整形时间的关系密切——弹性变形阶段,随修复时间增加环向应变呈线性增加,整形力和扭矩早期呈缓慢增加后期保持不变,塑性变形阶段套管开始屈服,随修复时间增加环向应变呈非线性增加,整形力和扭矩急剧降低,直到整形工具通过变形套管,直到整形力和扭矩降低到最低为止;(2)修复后的回弹量不可避免且较大(2.90~3.04 mm),表明水泥环的损伤程度对变形套管的修复具有较大影响;(3)水泥环未损伤的变形套管修复所需机械载荷大于水泥环部分损伤变形套管所需机械载荷,带水泥环变形套管修复所需机械载荷大于无水泥环变形套管所需的机械载荷。
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图片说明：装置及方案在真实井眼环境下，套管变形后周围水泥环可能会出现3种情况：第1种是水泥环基本未损伤，主要出现在胶结质量好的井，该情况可假设为水泥环未损伤；第2种是水泥环部分损伤，主要出现在胶结质量中等的井；第3种是水泥环完全损伤，出现在胶结质量极差的井，该情况可假设为水泥环已不存在；第1种和第3种均为极端情况，第2种为普遍现象。因此，该实验主要分为两个阶段：①第一个阶段是变形套管的制备，其方法是将理想套管（P110SS的177.8mm×11.51mm）放在YAW-200压力试验机上进行压扁实验，变形套管的形貌如图1所示，变形尺寸是基于现场套管变形数据，如表1所示，其中，1号和2号水泥环变形套管，其内管为P110SS套管，模拟地层的外管为J55套管（244.5mm×8.94mm），其中1号变形套管周围的水泥环在修复前未被损伤（光套管变形后，再往内管与外管之间注入水泥环），用于模拟第1种情况；而2号变形套管周围的水泥环在修复前即套管变形过程中已被部分损伤，用于模拟第2种情况；3号为无水泥环变形套管，用于模拟第3种情况即套管周围无水泥环的情况。②第2阶段是用126mm和133mm的两种旋压整形器（锥角为6°，本体上的滚珠外径为25mm，相对于本体外露2.5mm）对变形套管的整形测试，实验装置如图1所示，具体方案如表1所示。表13种P110SS变形套管的几何参数表mm编号套管类型套管最小内径整形工具外径拟修复量轴向长度1完整水泥环119.61266.410002损伤水泥环125.01338.010003无水泥环119.61266.41000图1旋压整形器修复变形套管的实验装置照片该测试装置的上卸扣试验机主要用于安装并固定水泥环套管，连续旋转钳主要用于提供修复套管所需的大扭矩（本次试验的角速度为0.628rad/s），液压推力轴承主要用于提供修
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图片说明：钻井工程·75·第37卷第10期图21号套管环向应变与整形时间的关系图图31号套管整形力及扭矩与整形时间的关系图2旋压整形器对变形套管的整形测试2.1水泥环变形套管的整形测试结果及分析2.1.1126mm旋压整形器的测试结果及分析修复后用蛇规和千分尺测得变形套管的最小内径和最大内径分别为123.10mm和185.98mm，与初始最小内径119.60mm相比增加了3.50mm，基于旋压整形工具的最大外径和套管变形段修复后的最小内径可知：变形套管修复后的回弹量为2.90mm。基于126mm旋压整形器对1号水泥环变形套管整形的测试数据，得到了1号水泥环变形套管（模拟水泥环未损伤的情况）在整形过程中随整形时间的变形规律、整形力与整形时间的关系、扭矩与整形时间的关系，如图2、3所示，下面分别对整形过程中套管变形规律、整形力和扭矩进行分析。分析图2、3可知，在整个修复过程中，旋压滚珠整形器修复水泥环变形套管所需的整形力和扭矩与水泥环变形套管的变形规律密切相关。修复过程主要分3个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段、回弹阶段。在弹性变形阶段（0＜t＜100s），环向应变随修复时间的增加而线性增加，整形力和扭矩均随修复时间呈缓慢增加的趋势，，整形力和扭矩的最大值分别为20.6t和9.17kN·m，表明修复的初始阶段整形工具并未完全与套管接触，而是修复一段时间后整形工具才与变形套管完全接触，故整形力和扭矩随着整形时间呈缓慢增加的趋势；在弹性变形阶段（100s＜t＜500s），环向应变也随修复时间的增加而线性增加，整形力和扭矩较大且基本保持不变，整形力始终在18.5～19.5t附近波动，扭矩始终在8.0kN·m与9.0kN·m附近波动，表明该阶段整形工具与水泥环变形套管完全接触。在塑性变形阶段（t＞500s），在时间为500s时，套管开始?
【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·中国石油石油管工程重点实验室;四川页岩气勘探开发有限责任公司;
【基金】：国家自然科学基金项目“H2S/CO2溶解度测试、预测及其与油套管完整性的相关性研究”(编号:51274170)
【分类号】：TE931.2

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