现代钻井技术

膨胀管技术

膨胀管技术是将管柱下入井内 ,以机械或液压的方法使管柱发生永久性塑性变形 ,使井眼或生产管柱的内径扩大。该技术能够增加套管层次 ,简化井身结构 ,节约钻井成本 ,是一种更加灵活的完井方式和全新的修井方法,因此被称为21 世纪钻井和完井方面最具革命性的技术之一。

膨胀套管技术为国内套管损坏综合治理技术 ,特别是大井段套管漏失提供了一个坚实的技术基础,也为侧钻井完井提供了一种全新的完井方式。

膨胀套管侧钻井完井技术的技术优势在于 :

1）能有效扩大生产套管内径。

2）采用缓凝水泥固井后进行膨胀作业 , 可以提高固井质量。

3）易于射孔、测试、修井等作业和生产管理。

4）可以封堵任意一个复杂地层，可以从根本上解决多个复杂地层与有限套管程序的矛盾，使复杂的深井能较顺利的钻到目的层，也从根本上解决了大尺寸井眼钻速慢的问题。

常规钻井中是将固定尺寸的套管下入井中，从井口到目的层的尺寸是逐渐缩小的。工程结果有可能因为套管（井眼）尺寸而限制某一深度的井下作业，甚至不能达到目的层。可膨胀套管技术的最终目标是实现使用同一尺寸套管代替原来的多层套管成为可能。实现一种小尺寸套管钻到底的目标，使复杂的深井能较顺利的钻到目的层，最大限度降低钻井工作量，预计可以使钻井成本下降30～50%。

可膨胀套管技术应用将使传统的井身结构发生重大变革，实现钻更深的直井和更长的大位移井，更经济地到达储层。

膨胀套管技术

膨胀套管技术主要由Eventure公司进行研发，其目前主要的产品有：

1）、裸眼井膨胀尾管系统（Expandable Open-Hole Liner System）该系统主要在钻井过程中的裸眼井中，用于封堵漏失地层或异常高压地层2）、套管井膨胀衬管系统（Expandable Cased-hole Liner System）该系统在老井套管修复中用于封堵炮眼、套管腐蚀、破裂、错段等损坏情况，较常规套管补贴方式有诸多的优点。

3）、膨胀尾管悬挂器系统（Expandable Liner Hanger）该系统主要用于常规尾管的悬挂，可解决普通液压卡瓦尾管悬挂器造成的尾管头漏失问题；无卡瓦的悬挂方式能有效保护上部技术套管。

膨胀筛管技术

膨胀筛管拟采用三层结构：可膨胀基管、滤砂网、可膨胀保护外套。

国外以Weatherford公司在膨胀筛管技术方面比较突出，至今已完成膨胀筛管完井500多井次，累计使用膨胀筛管近8万米，并完成了同井径膨胀套管技术的现场试验。

国内膨胀套管技术在套管补贴中的应用已较为成熟,但在裸眼井中的应用还是个空白 ,而在国际上也仅有Eventure公司实现了膨胀套管侧钻井应用。膨胀套管技术在林 32侧更 11 井的首次成功应用标志着此技术由修井向钻井工程领域发展取得了突破。

膨胀套管分类：

膨胀管技术分为实体膨胀管技术和割缝膨胀管技术两类。可膨胀管的用途相应的也分为两类：

1.实体膨胀管：封堵漏失层和高压层；封隔破裂带；修补损坏的套管和封堵已射孔的套管；取代常规的尾管悬挂器和尾管悬挂器封隔器，达到保持井眼尺寸之目的，并提供良好的压力密封性能。

2.割缝膨胀管：封隔破碎带；可作为一种新的完井手提高油井的产量。

可膨胀套管的力学机理和扩径方法

1可膨胀套管的力学机理

实体可膨胀套管的力学机理是通过对钢管的冷扩径达到井下所需要的内外径尺寸。其方法是:利用坐放装置将可膨胀套管下入井内后在胀锥作用下,根据金属的弹塑性变形原理，通过冷变形使可膨胀套管达到塑性变形从而扩大到所需要的内外径尺寸，同时保持应力在极限屈服强度之下。

2可膨胀套管的扩管方法

可膨胀套管主要有 2种扩管方法固定膨胀锥扩管和旋转扩管器扩管,目前常用的是固定膨胀锥扩管法。固定膨胀锥扩管法实质上是冷拔方式的挤压扩管法。采用该方法时,在可膨胀套管下入到适当的深度后,在液压或机械拉 /压力,或两者共同作用下膨胀锥在可膨胀管内移动使管柱塑性变形实现扩管。扩实体可膨胀管时,现场通常用液压从下向上推动膨胀锥进行扩管,使之达到预定要求。膨胀速度一般约 1 . 5m /min。

膨胀管的应用

1 实体膨胀管技术

1）钻井方面

①优化井身结构。

②封隔缩径、坍塌、井漏或高压层。

2）套管修补方面

①修复补贴。

②调整补贴。

③封堵高含水层段。

2可膨胀割缝管技术

可膨胀割缝管有一系列串联的互相交错的轴向割缝。在膨胀作业过程中锥形膨胀工具被推入筛管使筛管膨胀。膨胀后割缝管的直径可高达原始直径的2倍，长度缩短约 2 ％。可膨胀式割缝管( E S T )是一种金属岩石膨胀技术，主要应用在以下三个方面：可膨胀防砂管 ( E S S ) 、裸眼井衬管( A B L ) 、可膨胀完井衬管( E C L )

1）可膨胀防砂管（E S S）

在膨胀作业过程中，锥形膨胀工具被推入筛管，使可膨胀管膨胀，中心管和保护外套结在一起紧贴井壁，从而达到要求的筛管外径，消除了筛管和井壁之间的环隙空间。

可膨胀防砂筛管的主要优点有：①能够提供较大的过流面积，降低筛管堵塞和腐蚀的几率；②操作简单；③比一般的防砂筛管具有更大的内径，改善了中尤其是水平井中流体的流动状态，同时易于卞人修井工具；④在裸眼井中，能够消除筛管和井壁之间的隙空间，因此可稳定井壁，减少砂的移动降低出砂

几率。

2）可膨胀裸眼井衬管( A B L)

在钻探更深的过压地层、枯竭地层或易塌易漏地层时，现在的技术是采用不同直径的钻头，并以不同直径的套管层层封固完成。所以，井越深，套管层次越多，井眼直径就越大；反之，如果直径一定，井眼直径就越小，这就有可能钻不到目的层或者即使钻到目的层，但井眼太小满足不了开采及后续修井、增产等作业。修井、增产等作业。水泥固封可膨胀割缝衬管是一种可使井眼直径不变的金属一岩石膨胀技术，可以克服上述的一些问题。

3）可膨胀完井衬管( E CL)

目前的可膨胀完井衬管技术已经可以部分取代常规的割缝管完井技术、射孔完井技术。该技术能够加固井壁，选择性分隔开采，降低井眼直径。具有优点如下：①提高油田产量；②在一些油田，大井眼可以提高过流面积，因此产量也就越高；③提高新老油井的开采期限；④通过向井眼中下入分隔器可进行选择性堵水；⑤适用范围广，井眼直径从 3 1/2～ 9 1/2 i n ( 1 i n=2 5 ． 4 mm)

可膨胀完井衬管尤其适用于侧钻井过程中水泥固井和射孔完井困难时采用。

应用中的关键技术

1 膨胀螺纹

对普通螺纹连接的密封机理进行分析后可知 ,膨胀会削弱密封效果。为保证螺纹连接密封的完整性 ,在设计公螺纹接头和母螺纹接头时 ,要使其螺纹能够紧密地配合。研制的膨胀管螺纹连接技术具有无接箍、直连型、不会墩粗变形等特点 ; 齿形为偏梯形和倒钩形螺纹 ,内外螺纹紧密啮合 ,连接强度高 ;

采用独立外加厚保护 ,具备金属/ 金属、非金属/ 金属和专用螺纹密封剂三重密封形式 ,耐温高达 204 ℃; 经有限元数值模拟和现场应用证明 ,膨胀管接头螺纹能够满足膨胀套管膨胀连接的要求。

由于膨胀套管螺纹为特殊的偏梯形螺纹 ,根据膨胀套管接头螺纹形式特点 ,设计了专用螺纹加工刀具 ,并研究制定出了适用于膨胀螺纹的加工工艺。

通常采用的超声波和磁粉探伤方法无法胜任膨胀螺纹的检测。所以将涡流技术应用到膨胀管检测系统。不需要耦合剂，避免了超声检测过程中与耦合有关的困难；传感器体积小，特别适合检测螺纹牙形表面；质量轻、反应速度快，可以实时显示检测结果。

2 内涂层

膨胀套管采用内涂层的目的一是为了提供适当的摩擦因数 ,以减小膨胀力及管体残余应力 ;二是作为防腐层保护膨胀管内壁 ,避免腐蚀。石墨材料具有摩擦因数低、耐腐蚀等优点 ,是膨胀管内涂层涂料的最佳选择。试验表明 ,内涂层能有效地保护膨胀管避免腐蚀侵害 ;能显著降低摩擦因数并提供适当的摩擦因数 ;能显著降低膨胀压力 ,膨胀压力约为未使用涂层时的 1/ 3～1/

2 。

3 膨胀工具

膨胀管采用由下至上液压与机械相结合的膨胀方式驱动膨胀锥来扩大膨胀套管内径 ,膨胀工具的研究重点主要包括膨胀锥几何结构的确定 ; 膨胀锥材料的选择 ;对扣接头和反扣安全接头的结构设计 ;

4 固井技术及附件

膨胀套管固井技术的工艺流程主要包括 : 扩眼→下入膨胀管和启动器→注水泥→下入顶替胶塞→碰压→尾管膨胀。

膨胀管被送至预定位置后 ,在膨胀作业之前通过内管注水泥 ,投入顶替胶塞确保水泥浆被完全顶替 ,然后加压使爆破盘破裂 ,从而迫使膨胀锥向上移动使套管膨胀。

4 . 1 固井附件

1) 爆破盘

在内管工具上设计一个比较薄的圆盘 (即爆破盘) ,使膨胀锥内形成一个完整的压力腔 ,其破裂压力要大于固井最高顶替压力。在尾管固井作业时 ,水泥浆是无法进入压力腔的 ,从而保证了压力腔的清洁。固井后投一胶塞 ,把油管和内管工具内的水泥浆全部顶替到井底 ,然后憋压 , 打开爆破盘 ,使之连通 ,形成膨胀条件。

2) 膨胀套管专用浮鞋由浮箍、与浮箍外筒连接的浮鞋、引鞋和花键槽组成。浮箍和浮鞋内均设置有阀机构 ,浮箍内的阀机构包括阻流板、轻质阀和阀座;浮鞋内的阀机构包括阀、回位弹簧和阀座 ;引鞋结构为半球形。

4 . 2 超缓凝水泥浆体系

包括水泥浆体系的设计和优化选择、膨胀管注水泥方法的优化等方面的内容。超缓凝水泥浆抗硫酸盐和抗高温性能良好 ,水泥石在高温条件下无强度衰退现象 ,在 160 ℃、601 0 M Pa 、升温时间 70 mi n 条件下 ,可泵送 (未凝结) 时间 > 12 h ,72 h 抗压强度达到 13 . 2 M Pa ,可满足膨胀管固井施工要求。

5 可膨胀套管材料技术

膨胀管材料性能要求材料延伸率高,易于膨胀变形，变形后机械性能基本达到普通套管水平，同时材料的价格要和普通套管属于同一数量级。

6 膨胀工艺及膨胀胀头技术

解决长距离、间断可重复（一次下上千米膨胀套管施工）膨胀技术。

实际应用

2012年04月17日，我国自主研制的膨胀套管技术在塔河油田深层侧钻水平井TK6-463CH中成功实施作业。这是该技术首次在国内深层侧钻水平井中作为技术套管使用，并创造了国产直径139.7毫米膨胀套管单次作业最长437.22米和作业最深5508.04米两项纪录。

TK6-463CH井是中石化西北油田分公司利用开窗侧钻水平井开发塔河油田奥陶系剩余油的一口重点试验井，该井由胜利钻井院完井所提供总体方案，钻井院设计所与西北油田分公司工程院负责钻井设计，塔里木胜利钻井公司60129队承钻。

膨胀套管钻井技术被认为是21世纪石油工程的核心技术之一，目前国内只有胜利钻井院掌握该项技术。钻井院自2002年开始攻关膨胀管技术以来，已开发出具有自主知识产权的膨胀套管钻、完井，膨胀套管补贴修套，膨胀悬挂器尾管完井、修井，膨胀筛管防砂等多项工艺技术，并在国内外400多口井推广应用。

由于TK6-463CH井是国内首次应用膨胀套管作为技术套管封堵深井高压层，没有任何施工经验可以借鉴，并且膨胀套管井段长达437.22米，井深达5508.04米，施工难度及风险极大。为确保该井顺利作业，胜利钻井院抽调优秀专业技术人员组成项目组，通过对项目施工方案及施工难点进行分析讨论，制定了严谨的施工方案和应急预案。