新型旋轉推進式液壓滾珠套管整形器

關 元，艾鵬先，孟 琪，冉 東，劉玉雪

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

隨著油田生產和開發工作的深入，油井地層環境發生了巨大變化。再加上完井和固井，以及經常性的修井施工等多種因素，會引起油氣井的套管損壞。如油氣井套管的變形、穿孔、破裂和破損[1]。油田油氣井經常受到地層高壓擠壓、地應力的變化、巖層沉陷和重力等因素的影響，導致油氣井套管的損壞[2]。在油田生產過程中，套管變形還會造成嚴重后果，例如注入和生產系統不完善、產量快速下降以及對管柱磨損的影響，從而導致巨大的經濟損失[3-5]。因此，重視油氣田變形套管的套管整形技術，對于減少油氣田的損失，改善注入和生產體系，可持續發展油氣田，具有十分重要的意義。

1 套管整形器的工作原理和方案設計

如圖1所示。工作時，用管柱將本套管整形器下放至油氣井中套管發生變形部位；然后通過地面壓力車將壓力液注入管柱，從而推出整形器錨定系統中的的卡瓦機構，將本套管整形器鎖定在套管的內壁上；最后壓力液繼續對旋轉推進液壓缸開始工作，推動整形器的液壓缸里面整形桿一邊旋轉一邊向下移動，整形桿末端的整形頭上多排整形球滾動并且擠壓套管套變部位，實現套管直徑整形回復正常狀態。

圖1 新型旋轉推進式液壓滾珠整形器

2 套管整形器結構設計

基于上述套管整形器的功能要求，本文提出了一種新型旋轉推進式液壓滾珠整形器，其總體結構設計如圖2所示。該整形器主要由錨定系統、旋轉推進系統和整形頭三部分構成。

圖2 液壓整形器總體結構圖

2.1 錨定系統

錨定系統的結構如圖3所示。其作用主要是保證設計的新型旋轉推進式液壓滾珠整形器在整形修復套管的過程中固定及承受整個修復裝置的上頂力。它主要由上接頭、彈簧座、彈簧、鍥形體、中心管、卡瓦座、卡瓦牙、卡簧、下接頭、壓力閥內芯、壓力閥彈簧和壓力閥外套組成。

錨定系統的工作原理是：錨定鍥形體在壓力液的推動作用下向下運動，使整形器的錨定卡瓦張開，錨定在油氣井套管的內壁上，從而達到錨定。在壓力液卸壓的時候，卡瓦在彈力作用下收縮，達到解除錨定狀態。

圖3 錨定系統的基本結構

2.2 液壓推進系統

液壓推進系統結合了傳統液壓缸和液壓馬達的特性，在壓力液的作用下，在缸體內實現整形桿的往復推進和旋轉的復合運動，帶動整形頭對產生變形的套管進行整形修復。

推進旋轉液壓缸如圖4和圖5所示。工作原理為：由于整形桿的旋轉與往復運動在同一壓力液的作用下，當整形桿的旋轉扭矩過于大時，壓力液的壓力作用會調節推動整形桿做往復運動；當壓力液的推動力大于整形桿扭矩時，整形桿的旋轉運動占主要作用，也就是“推不動則轉，轉不動則推”。

圖4 旋轉推進液壓缸的基本結構

圖5 液壓缸的旋轉部件

2.3 套管整形器整形頭

整形頭是錐形結構，如圖6所示。整形頭固定在整形桿末端。整形頭上有多排條形槽，每個條形槽內有數十個整形圓球，整形圓球在條形槽內可以上下自由移動。工作時整形頭在整形桿的帶動下做前進旋轉的復合運動，由于變形套管的擠壓力使得整形圓球逐漸上移，從而使本套管套管整形器的整形頭外徑變大，整形圓球直到條形槽臺階部分，此時套管整形器的整形頭到達最大外徑。

圖6 套管整形器整形頭

3 結論

本文針對我國目前頁巖氣開發中套管的應用現狀，并基于套管變形的問題，原創性地提出了一種新型旋轉推進式液壓滾珠套管整形器，并給出以下結論和認識：1）首次提出一種新型的旋轉液壓缸液壓滾珠整形器的設計方案。2）研制的旋轉液壓缸液壓滾珠整形器，整體結構簡單，液壓控制可靠。該工具采用卡瓦固定，保證了整形過程中的平穩性；并可根據具體工況調整更換相關部分工具，具備較高的可靠性和經濟性。