含水泥环的变形套管修复过程实验
邓宽海1, 刘婉颖2, 孙永兴2, 曾德智1, 林盺盺3, 林元华1
1. “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学
2. 西南石油大学·中国石油石油管工程重点实验室
3. 四川页岩气勘探开发有限责任公司

作者简介:邓宽海,1988年生,博士;主要从事从事油气钻井工艺、油井管力学及井筒完整性方面的科研工作。地址:(610500)四川省成都市新都区新都大道8号。电话:13540843455。ORCID: 0000-0001-9814-8545。E-mail: dengkuanhai@163.com

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Ø126 mm和Ø133 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。

关键词: 含水泥环的变形套管; 修复过程; 旋压整形器; 整形测试; 整形力; 扭矩整形时间; 回弹量; 机械载荷
Experimental investigation on the repairing process of deformed casing with cement sheath
Deng Kuanhai1, Liu Wanying2, Sun Yongxing2, Zeng Dezhi1, Lin Xinxin3, Lin Yuanhua1
1. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation//Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China
2. CNPC Key Laboratory of Tubular Goods Engineering//Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China
3. Sichuan Shale Gas Exploration and Development Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610000, China
Abstract

When a spinning casing swage is used to repair deformed casings in oil and gas fields, its repairing force and torque are often determined on the basis of experience. Under unreasonable repairing force and torque, however, a deformed casing and its surrounding cement sheath tend to suffer secondary damage and sticking accidents. In this paper, three kinds of P110SS deformed casings were made on the YAW-200 pressure testing machine, including completely damaged cement sheath (without cement sheath), partially damaged cement sheath and undamaged cement sheath. Then, reshaping test was performed on these three deformed casings by using two spinning casing swages (Ø126 mm and Ø133 mm), and the reshaping force and torque for the reshaping of deformed casing and the springback of deformed casing were measured. It is shown that in the stage of elastic deformation of reshaping process, when the reshaping force is in close relation with the torque reshaping time, the circumferential strain rises linearly as the reshaping goes, and the reshaping force and torque rise slowly in the early stage and stay constant in the late stage; in the stage of plastic deformation, casing begins yielding; and as the reshaping goes, the circumferential strain rises linearly, and the reshaping force and torque drop sharply until the reshaping tool runs through the deformed casing and the reshaping force and torque decline to the minimum. Besides, the springback after the repairing is larger (2.90-3.04 mm) and shall be noticed, indicating that the repairing of deformed casing is more affected by the damage degree of cement sheath. Finally, the mechanical load demanded to repair the deformed casing with complete cement sheath is larger than that for the deformed casing with partially damaged cement sheath; and the mechanical load demanded to repair the deformed casing with cement sheath is larger than that for the deformed casing without cement sheath.

Keyword: Spinning casing swage; Reshaping test; Reshaping force; Torque; Cement sheath; Deformed casing; Torque reshaping time; Springback; Mechanical load
0 引言

在石油工业, 诸多因素(如大型酸化压裂、地质、盐岩塑性蠕变和腐蚀等)可以导致套管发生不同程度的变形[1], 尤其在井下易垮塌地层、塑性蠕变严重及固井质量差的地层[2, 3], 从而不仅严重地影响油气田的安全和效益, 而且还给各大油田造成了巨大的经济损失。为此, 国内外科技工作者在套管失效机理的研究[4]、套损检测技术的研究[5]、修复工具和工艺[6, 7]、防治措施[8]等方面的研究已取得了丰硕的成果, 尤其在膨胀管修复技术的理论和实验研究方面取得了显著成果[9]

然而, 对比国内外相继研发的套管修复技术[10, 11]发现:膨胀管修复技术虽高效可靠, 但成本过于昂贵, 现场不宜采用; 而旋压整形器修复技术具有整形阻力小、对钻柱的强度要求低、对套管及周围水泥环损伤小等优点, 是一种高效而经济的机械整形技术[12]。目前, 针对旋压整形器修复技术的研究十分欠缺, 尤其实验方面的研究, 故采用旋压整形器修复变形套管时, 现场基本都是凭经验确定其施工参数(如整形力和修复扭矩), 具有一定的随机性, 从而使得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严重破坏或套管发生二次塑性破坏等情形时有发生[13], 甚至严重的卡钻事故。

因此, 在课题组研究成果的基础上[14, 15], 模拟变形套管在井眼环境下的真实工况, 开展旋压整形器对无水泥环的P110SS变形套管、水泥环未损伤的P110SS变形套管和水泥环部分损伤的P110SS变形套管整形的测试研究, 重点分析水泥环及其损伤程度对修复变形套管所需的整形力和扭矩的影响规律, 并得到两种整形工具修复3种变形套管所需的相关参数, 其实验结果可为优化旋压整形器结构和施工参数提供有力指导。

1 旋压整形器修复变形套管的试验装置及方案

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Ø 177.8 mm× 11.51 mm)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(Ø 244.5 mm× 8.94 mm), 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Ø 126 mm和Ø 133 mm的两种旋压整形器(锥角为6° , 本体上的滚珠外径为25 mm, 相对于本体外露2.5 mm)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。

图1 旋压整形器修复变形套管的实验装置照片

表1 3种P110SS变形套管的几何参数表 mm

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0.628 rad/s), 液压推力轴承主要用于提供修复套管所需的钻压及整形力, 应变仪主要用于记录修复过程中P110SS套管的变形规律, 具体的测试方法见参考文献[14-15]。

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

2.1.1 Ø 126 mm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123.10 mm和185.98 mm, 与初始最小内径119.60 mm相比增加了3.50 mm, 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2.90 mm。

基于Ø 126 mm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。

图2 1号套管环向应变与整形时间的关系图

图3 1号套管整形力及扭矩与整形时间的关系图

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< 100 s), 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20.6 t和9.17 kN· 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(100 s< t< 500 s), 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18.5~19.5 t附近波动, 扭矩始终在8.0 kN· m与9.0 kN· 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> 500 s), 在时间为500 s时, 套管开始屈服, 环向应变随时间的增加而非线性增加, 应变率也不断增加, 对应的整形力和扭矩出现了明显的转折点, 且随着时间的增加而急剧降低, 直到整形工具完全通过水泥环变形套管, 对应整形力和扭矩基本等于0为止, 表明在t> 500 s时塑性变形量随着整形时间的增加而增加, 水泥环变形套管的内径也随着时间的增加而增加, 使得修复变形套管所需的整形力和扭矩随着时间的增加而急剧降低。水泥变形套管完全回弹后, 永久塑性应变(残余应变)为5 826。由此可知, 旋压整形器对水泥环变形套管的整形达到了良好效果。

2.1.2 Ø 133 mm旋压整形器的测试分析

基于133 mm旋压整形器对2号水泥环变形套管(模拟水泥环部分损伤的情况)整形的测试数据得到了水泥环变形套管在整形过程中随整形时间的变形规律, 修复变形套管所需整形力及扭矩与整形时间的关系, 分别如图4、5所示, 下面分别对整形过程中套管变形规律、整形力和扭矩进行详细分析。

图4 2号套管环向应变与整形时间的关系图

图5 2号套管整形力及扭矩与时间的关系图

2.1.2.1 套管变形规律分析

同理, 根据图4可知, 2号水泥环变形套管在时间为600 s 附近开始发生屈服, 随后发生了较大的塑性变形, 最大微应变达到10 484, 且整形结束后变形套管发生了较大的残余变形, 残余应变为6 168; 整形后用蛇规和千分尺测得2号水泥环变形套管的最小内径为129.96 mm, 与初始内径125.00 mm相比增加了4.96 mm,

说明变形套管的修复达到了良好的效果。基于旋压整形器的最大外径(133 mm)和套管变形段修复后的最小内径(129.00 mm)可知:2号水泥环变形套管修复后的回弹量为3.04 mm。

2.1.2.2 修复变形套管所需整形力的分析

分析图5-b可知, 旋压整形器刚开始修复水泥环变形套管所需的整形力并没有达到最大, 而是在时间为80 s 之前呈现缓慢增加的趋势, 但增加幅度不大, 介于15.50~19.00 t, 同理, 表明修复的初始阶段整形工具并未完全与套管变形段接触, 而是修复一段时间后才与变形套管完全接触, 故整形力随整形时间成缓慢增加的趋势; 当整形时间80 s< t< 600 s时, 整形力较大且基本保持不变, 始终在19.00 t附近波动, 表明整形工具与变形套管完全接触, 且变形套管处于弹性变形阶段而没有发生明显屈服, 该现象与变形套管在整形修复过程中的变形规律一致, 如图4中的蓝色线段, 故修复套管所需的整形力一直较大, 从图5-b中可得修复2号水泥环变形套管所需的最大整形力为19.40 t; 当整形时间t> 600 s时, 整形力的变化出现了转折点, 即整形力随整形时间的增加而急剧降低, 直到整形工具完全通过套管变形段, 表明水泥环变形套管在时间为600 s时发生了明显屈服变形(塑性变形), 塑性变形量随整形时间的增加而增加, 变形套管的内径也随时间的增加而增加, 故修复变形套管所需的整形力随时间的增加而降低, 表明旋压整形器对2号水泥环变形套管的整形达到了良好的效果。

2.1.2.3 修复变形套管所需扭矩的分析

对比分析图5可知, 扭矩与整形力随时间的变化规律基本相同, 即旋压整形器刚开始修复变形套管所需的扭矩并没有达到最大, 而是在时间为80 s之前呈现缓慢增加的趋势, 但增加幅度不大, 介于7.20~8.50 kN· m, 同理, 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, 故扭矩随着整形时间成缓慢增加的趋势; 当整形时间80 s< t< 600 s时, 扭矩较大且基本保持不变, 始终在8.00 kN· m附近波动, 表明整形工具与变形套管完全接触, 且套管处于弹性变形阶段而没有发生屈服, 该现象与变形套管在整形修复过程中的变形规律相符, 如图4中的蓝色线段, 故修复套管所需的扭矩一直较大, 从图5-a中可得修复该变形套管所需的最大扭矩为8.64 kN· m; 当整形时间t> 600 s时, 扭矩的变化出现了转折点, 即扭矩随着整形时间的增加而急剧降低, 由图5-a可知扭矩最终降低为0.16 kN· m, 表明变形套管在时间为600 s时发生了屈服(塑性)变形, 塑性变形量随整形时间的增加而增加, 变形套管的内径也随时间的增加而增加, 故修复变形套管所需的扭矩随时间的增加而降低。同理表明, 旋压整形器对2号水泥环变形套管的整形达到了预期效果。

综合分析图4、5可以知道旋压整形器整形过程中所需的整形力和扭矩与变形套管的变形状态密切相关, 即在预接触阶段, 整形工具与变形套管从部分接触到完全接触的过程中, 整形力和扭矩呈现出缓慢增加的趋势, 但时间较短, 约为80 s; 整形工具与变形套管完全接触后, 由于套管处于弹性变形阶段, 故整形所需的整形力和扭矩都较大且基本保持不变, 而当变形套管发生塑性变形后, 整形所需的整形力和扭矩开始随整形时间的增加而降低, 直到整形工具完全通过套管的变形部位, 整形力和扭矩降到最低为止。

2.2 无水泥环变形套管的整形测试结果及分析

同理, 基于3号变形套管(模拟水泥环完全损伤或无水泥环的情况)的测试数据得到了变形套管在整形过程中随整形时间的变形规律, 轴向压力(整形力)及扭矩在整形过程中与整形时间的关系, 其变形规律与1号和2号套管基本相同, 且主要分析整形力及扭矩的变化规律, 故只给出轴向压力及扭矩与整形时间的关系, 如图6所示。

图6 3号套管整形力及扭矩与整形时间的关系图

基于测试结果可知, 3号变形套管在整形过程中发生了典型的弹性阶段、屈服阶段和回弹阶段, 变形套管在时间为420 s 附近开始发生屈服, 随后发生了较大的塑性变形, 且整形结束后套管发生了较大的残余变形(永久的塑性变形); 整形后用蛇规和千分尺测得变形套管的最小内径为123.00 mm, 与初始内径119.60 mm相比增加了3.40 mm, 由此可知, 3号变形套管的实际修复量为3.40 mm, 修复后的回弹量为3.00 mm。

分析图6-b可知, 旋压整形器刚开始修复变形套管所需的整形力并没有达到最大, 而是在时间为70 s 之前呈现缓慢增加的趋势, 但增幅不大, 介于4.94~5.68 t, 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, 故整形力随着整形时间呈缓慢增加的趋势; 在时间为70 s之后, 旋压整形器与变形套管完全接触, 整形力始终在5.30 t附近波动, 直到时间为420 s为止, 表明该阶段套管没有发生屈服, 此现象与变形套管的变形规律相符, 故所需的整形力较大, 从图6-b中可知最大整形力为5.68 t; 而在时间大于420 s时, 套管因塑性变形使得内径不断扩大, 整形力也逐渐减小到0.20 t。

分析图6-a可知, 在预接触阶段(时间为70 s之前), 整形套管所需的扭矩呈缓慢上升的趋势; 在修复阶段, 旋压整形器整形过程中所需的扭矩基本保持不变, 直到在t = 420 s为止, 表明变形套管没有发生屈服, 故所需的扭矩比较大, 该现象与变形套管在整形过程中的变形规律相符, 从图6-a中可得其所需的最大扭矩为4.72 kN· m; 而在时间大于420 s时, 变形套管开始发生塑性变形导致其内径不断扩大, 从而整形所需的扭矩开始逐渐减小到0.36 kN· m。

综合分析可知, 旋压整形器对3号变形套管的整形达到了良好的修复效果, 且旋压整形器整形过程中所需的整形力、扭矩同套管的变形状态密切相关, 即在预接触阶段, 整形套管所需的整形力和扭矩呈缓慢上升的趋势; 在修复阶段即套管处于弹性变形阶段, 整形所需的整形力和扭矩都较大且基本保持不变, 而当变形套管发生塑性变形后, 整形所需的整形力和扭矩开始随着整形时间的增加而逐渐降低。

2.3 测试结果的对比分析

为弄清旋压整形器对变形套管修复的力学机理, 对旋压整形器修复无水泥环变形套管和水泥环变形套管进行了测试研究, 基于测试数据得到了旋压整形器修复不同变形套管所需的整形力、扭矩及套管变形规律、实际整形量和修复后变形套管的回弹量, 具体修复测试结果如表2所示, 其中1号和2号为水泥环变形套管修复的测试结果, 1号变形套管周围的水泥环在修复前未被损伤, 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损伤; 3号为无水泥环变形套管修复的测试结果。

表2 旋压整形器修复变形套管的测试结果表

表2可知, 变形套管(无论是水泥环变形套管还是无水泥环变形套管)修复后的回弹量是不可避免的, 且较大; 对比1号和3号的修复测试结果可知, 在拟修复量相等的情况下, 变形套管的实际整形量和回弹量基本相等, 但修复3号水泥环变形套管所需的整形力(20.60 t)和扭矩(9.17 kN· m)显著大于修复无水泥环变形套管所需的整形力(5.68 t)和扭矩(4.72 kN· m), 表明水泥环的存在对P110SS变形套管修复所需的机械动力(整形力和扭矩)具有显著影响; 对比1号和2号变形套管的修复测试结果可知, 尽管2号水泥环变形套管的拟修复量大于1号水泥环变形套管, 但修复2号水泥环变形套管所需的整形力和扭矩却小于1号水泥环变形套管, 表明水泥环的损伤程度对变形套管的修复具有较大影响。综上可知, 变形套管周围是否含有水泥环及其损伤程度对变形套管的修复均具有较大影响, 在实际套管修复过程中应重视套管周围水泥环及其损伤程度。

3 结论

1)首次采用实物真实模拟了井下变形套管周围水泥环未损伤、部分损伤和完全损伤3种工况的修复过程:得到了旋压整形器修复无水泥环变形套管和含水泥环变形套管所需的整形力和扭矩、修复过程中套管的变形规律、修复后变形套管的实际整形量和回弹量, 弄清了整形力和扭矩在修复过程中随整形时间的变化规律及其与套管变形规律之间的相关性。

2)修复水泥环变形套管所需的机械动力(整形力和扭矩)明显大于无水泥环变形套管所需的机械动力, 而修复周围水泥环未损伤的变形套管所需机械载荷明显大于修复周围水泥环部分损伤的变形套管, 表明水泥环的存在及其损伤程度对P110SS变形套管的修复具有显著影响。此外, 变形套管修复后的回弹量较大且不可避免, 在现场变形套管的修复过程中应对水泥环及修复后的回弹量予以考虑并重视。

3)该研究成果为变形套管修复的施工参数设计及优化提供了重要的理论依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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