膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理_于好善

of Exploration Techniques，CAGS，Langfang Hebei 065000 ，China) Abstract : The expandable casing technology using in geoengineering drilling is being studied． This paper introduces study status of the expandable casing technology and the type of expandable casing． This study determines selection principles of the expandable casing material and the expansion tool shape，analyzes the expansion mechanism of expandable casing and establishes the construction process． Wall protection technology by expandable casing can be applied in geoengineering drilling in China and increase the means of wall protection technology of geodrilling． Key words: expandable casing; wall protection technology; expansion mechanism; coring drilling
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探矿工程( 岩土钻掘工程)
2011 年第 38 卷第 3 期
个孔段， 减少 井 筒 管壁层数， 完 成 孔孔 眼 尺寸 最 大 化， 大幅度降低钻井成本。 目前国外已研制出的膨胀套管规格见表 1 。
表1 膨胀管类型 外径要求 / in 3 4 6 8 12 国外已研制出的膨胀套管规格 膨胀管可膨胀 至内径范围 / in 4 ～5 5 ～ 6 7 ～ 10 10 ～ 12 15 ～ 17 至井眼尺寸时膨 胀管的扩大量 / in 1 1 3 1 2
分乐观。随着膨胀套管技术的研究 开 发 成功， 不仅 能确保我国深部地 质 矿 产 勘探 战略 的 顺利 实 施， 而 且可应用于我国科 学 钻探， 提 高 我 国 的 石 油 钻井水 。 平和城市管网修复水平 1 1． 1 膨胀套管护壁技术国内外发展现状 国外研究概况
膨胀套管技术在 国 外 还 处 于 初步 开 发 阶 段， 只 Enventure 等少数几 家 跨 国 石 油 公司 有 Weatherford、 正在进行这方面的研发工作。目前开发出的膨胀套 管主要 有 无 缝 与 有 缝 2 种， 套管直径从 5 in ( 139． 7 mm) 到 8 in ( 215． 9 mm ) ， 主要 用 于采 油和定向钻井中。开发出的膨胀工具主要有实心锥 反拉膨胀工具和旋转拟和膨胀工具 2 种。 在钻进中如遇到如下地层: 不稳定孔段、 碎石地 层、 易 坍塌 地层、 漏失 地层、 断 层、 异 常 高压 地层、 压 力衰竭地层， 如用套管护壁， 就 会 把 套管层层下 入， 然后下入小一级钻头， 结果孔深结构复杂， 钻进成本 升高。采用膨胀套管 就 会 克服以 上 缺点， 应 急 套管 无须减小井眼尺寸， 只隔离问题井段， 而不用隔离整
膨胀、 机械膨胀。因为是在钻探生产中应用， 所以选 择的原则是: 尽量 利 用现有钻探的 设 备 和机 具 就 可 完成 ， 避免额外 增加设 备 投 入。 根据 地 质 钻探的 特 点， 可用的是机械膨胀法。机械膨胀又有 2 种: 实 芯 反拉和旋转拟和( 见图 3 和图 4 ) 。
2 Study Situation of Expandable Casing Technology and the Working Principle / YU Haoshan1， ，WANG Chengbiao1 ， 2 YANG Gansheng1 ，SONG Gang1， ，LI Hong2 ( 1． China University of Geosciences，Beijing 100083 ，China; 2． The Institute
胀器使膨胀管发生永久性 机 械变 形 ( 塑 性 变 形 ) ， 使 ， － 其径向直径扩大 大 多 数金 属 的应 力 应 变曲线 如 图 2 ( a ) 所示。当应力超过金属的屈 服 极 限 时， 进入 塑性 变 形 区 ， 发生 塑 性 变 形。 当 大 于 金 属 屈 服 极 限 的应力载荷被撤除后， 金属弹性回缩。此时， 再反方 金属很快就会进入屈服状态， 进 向对金属施加应力，
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探矿工程( 岩土钻掘工程)
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膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理
1， 2 1 1 于好善 ，王成彪 ，杨甘生 ，宋 1， 2 刚 ，李
洪
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( 1． 中国地质大学 〈北京〉 ， 北京 100083 ; 2． 中国地质科学院勘探技术研究所， 河北 廊坊 065000 ) 要: 膨胀套管护壁技术应用 于地质钻探是一门全 新 的研究， 对 膨胀套管技术 国 内外 研究现状 和 膨胀套管 类 型 进行了介绍; 确定了膨胀套管材质和膨胀器外型的选择原则; 分析膨胀套管的膨胀 机 理; 制定 出 膨胀套管护壁技术 摘 在施工过程中的流程。分析表明， 膨胀套管护壁技术是完全可用于我国地质岩 心钻探， 通 过推广 应用， 可 大大 丰富 。 我国地质钻探护壁技术的手段 关键词: 膨胀套管; 护壁技术; 膨胀机理; 岩心钻探 中图分类号: P634 文献标识码: A 文章编号: 1672 － 7428 ( 2011 ) 03 － 0001 － 04
套管 / in 5， 5 6 7， 7 ， 8 9 10 ， ， 11 13 ， 16 ， 18
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国内研究现状
国 内对 膨胀套管的研究 甚少， 只 有德州 石 油 钻 井研究所、 胜利油田研究院、 中石油勘探规划院在此 方面进行了一些研究工作， 但 其研究 重点放 在膨胀 套管在油管修复和采油中的应用上。非开挖旧管替 换技术虽然与之接 近 但 还 是 有 不 少 的区 别， 膨胀套 管护壁技术用于地质岩心钻探国内还未见有研究的 报道。 2 2． 1 膨胀套管护壁技术工作原理 膨胀套管类型 膨胀套管目前有 2 类: ( 1 ) 有缝膨胀套管: 主要 用 于 临 时 隔离 漏失、 涌 水、 遇水膨胀缩径、 破碎、 掉块、 坍塌等复杂地层; ( 2 ) 无缝膨胀套管: 圆形断面， 8 字形断 面， 用于
漏失严重且需长期护壁或在以后的生产中需封堵无 需采矿孔段。 有缝套管护壁效果好， 强度高。 2． 2 膨胀套管材质的选择 膨胀套管技术 对 管 材 性能 应 满 足 以 下 要 求: 膨 胀后的要 有 足够 强度 和 良 好 的孔 内 密封或封 隔 作 用， 延展性好， 易于膨胀， 成本低， 最好是金属工业现 易于工业化。 有的管材， 石 油 工 业 中 目 前 也没 有 使 用 特 殊 管 材， 仍是采 用原 来 石 油 套管 所 用 材 质， 如 N80 等， 主要是 考虑 其成本和工业化， 另 外 在 石 油 钻探 生 产 中地 面 钻 机 和泥浆泵的能力很大也为选用强度大的管材进行膨 胀奠定了可行 性 的 基 础。 但 是 地 质 勘探 则 不 一 样， 钻机和泥浆泵的能 力 小， 钻孔 较浅 对 膨胀管的强度 ， 要求低 而且主要用于堵漏， 所以地质钻探中应尽量 使用强度低、 壁厚小、 延展性 好 的 低 碳钢 管 材， 如 20 或 30 钢即可。 2． 3 膨胀器( 头) 的设计 膨胀过程对 膨胀 器 形 状 提出 如 下 要 求: ( 1 ) 回 转后横截面 尺寸 不 增加; ( 2 ) 膨胀 器 与 膨胀管 接触 则阻力小; ( 3 ) 膨胀管膨胀后 形 状 回弹 小; ( 4 ) 带窄， 膨胀管胀后内壁光滑。 通 过 收集 国 外 资 料 及 建立 的数 学 模型 计算， 得 出了 7 组 14 种， 如 果 互相 组合， 共约 40 种， 可供以 后选用， 见图 1 。
收稿日期: 2010 － 09 － 06 ; 修回日期: 2010 － 12 － 22 “深孔膨胀套管护壁技术研究” ( 1212010816009 ) 基金项目: 中国地质调查局地质调查项目 作者简介: 于好善( 1965 － ) ， 男( 汉族) ， 河南汝南人， 中国地质大学( 北京) 在读博士生， 中 国 地 质 科 学院 勘探技术研究 所 大 口 径 钻 头 与 钻 具 yhs@ cniet． com。 研制中心副主任、 教授级高级工程师， 地质工程专业， 从事钻探工艺与器具研究工作， 河北省廊坊市金光道 77 号勘探技术研究所，
图1
各类膨胀头形式
2． 4
膨胀管的膨胀机理 在 外力 的作用下， 以 液 压 或 机 械 的 方式 驱 动 膨
入塑性区域， 这种现象就是金属的包辛格效应， 如图 2 ( b) 所 示。 金 属 在 塑 性 变 形 后 的 包辛 格效 应 使 膨 胀管在膨胀后的抗外挤强度降低。应力一旦超过膨 胀管强度极限后就 会 发生 破 坏 性 变 形， 所以每一种 材料都有其变形极 限， 膨胀套管的 使 用应 该 是 在管 材膨胀极限范围内保证一定的安全系数。 2． 5 膨胀套管的膨胀方式 膨胀套管的膨胀方式有很多， 如液压膨胀、 气压
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图4
旋转拟和膨胀法
图2
应力 － 应变曲线
实 芯 反 拉 膨胀 法 是 利 用 实 芯 的膨胀 锥， 在 外力 的作用下膨胀器作 轴线 运 动， 经 过 套管 时 使 其 截 面 增大。 其 特 点 是: 膨胀 器 简 单， 结构 变 化 多样， 膨胀 时摩擦阻力即所需 膨胀 力 大， 所 需 地 面设 备 所 提 供 的膨胀力和套管锚固力大， 适合大口径、 大型作业设 备。 旋转拟和膨胀法是采用自带有可旋转小锥轮的 膨胀器， 膨胀时膨胀器既作轴线运动又作旋转运动， 小锥轮在与膨胀套管 接触 摩擦 阻 力 的作用下， 随膨 因此膨胀时膨胀力 胀器公转时又沿自己中心线自转， 小， 此种方法适合于小型设备在小口径钻孔中施工。 3 膨胀套管护壁的工作流程 Nhomakorabea0