膨胀管技术

1 日期： 2008 年 5 月 28 日 地点： 工艺室 参加人员： 全室人员 授课人： 万登峰 授课内容： 膨胀管技术 最早研究成功和使用膨胀管技术的是前苏联，当时是使用这项技术来堵漏。在钻入漏失层或溶洞后，因漏失而无法钻进时，下膨胀管（当时叫异型管）并用液压扩张膨胀管借以封隔漏失层或溶洞，在封隔完成了漏失层或溶洞后，可以继续钻进。 20 世纪 80 年代壳牌研究公司开始研究膨胀管技术。最初的意向是开发一种实用的膨胀管技术。 1999 年又有两家合资公司投入了膨胀管产品的开发和应用队伍中。随着技术的发展，膨胀管的种类在不断增加，用途 和使用范围也在不断扩大。目前已形成了一种独特的膨胀管技术，膨胀管已由最初的堵漏发展到完井、修补射孔套管、替代尾管和防砂等用途。 1. 膨胀管的类型 目前膨胀管主要分为割缝膨胀管和实体膨胀管两大类： 1)割缝膨胀管 （ 1）割缝膨胀管的原理和用途 割缝膨胀管是一种管体上带有纵向交错割缝的管子，其使用方法是，在割缝膨胀管下到预定位置后，通过下推或上提膨胀锥，驱动膨胀锥穿过膨胀管的管体，而使膨胀管扩大到预定的尺寸。割缝膨胀管的膨胀量取决于割缝的尺寸、割缝在管体上的位置、割缝的形状以及膨胀锥的尺寸。膨胀管的膨胀量 可以达到膨胀管原始直径的 200。膨胀原理是，只需要较小的力（约 10 吨）就可弯曲两个交错割缝间的金属肋。弯曲割缝间的金属肋可以把割缝扩为菱形，从而使割缝管的直径增大而管材的厚度不变，但长度减少 20。割缝膨胀管有下列三种主要用途。 1 用其代替割缝衬管在不损失井眼尺寸的情况下临时封隔复杂层段。可以在设计时就决定应用割缝膨胀管，也可以在钻遇复杂层段时作为一种应急措施而临时决定使用这种技术。 2 膨胀完井衬管的结构与普通割缝衬管的结构相似，可以作为常规割缝 衬管的替代品。 3 壳牌研究公司在割缝膨胀管的基础上研制出一种膨胀防砂网，在需要防砂完井的油井中可用膨胀防砂网代替普通防砂网，把特制的膨胀防砂网下到井内并通过扩管使膨胀防砂网贴到井壁上，可以对井壁提供更好的支撑，降低环空间隙，其效果要比砾石充填完井的防砂效果好。膨胀防砂网已成为一种新的防砂完井方法。 （ 2）割缝数量和割缝形状对扩管的影响 扩割缝膨胀管所需要的力与管体上割缝的数量有关系。管体上的割缝越少，扩管所需要的力就越大。另外，管体上的割缝越少在扩管期间管体就越容易破裂 和损坏。然而在管体上增加纵向割缝的数量会降低管体的强度，使割缝膨胀管在悬挂和下井期间容易损坏。 据发现，在不增加割缝宽度的情况下，增加缝隙端部的宽度，也可降低扩管所需要的力而且不会影响管体的整体强度。据信，扩管所需要的力与相邻缝隙间连接肋的宽度呈函数关系。由于增大了缝隙端部的缝宽，会降低连接肋的有效宽度。此时有三种可行的选择，一是各缝隙的两端都比较宽；二是缝隙的一端比较宽；三是较宽缝隙的端部要与纵向缝隙的轴心 2 对称。通常，加宽缝隙端部的方法是在缝隙的端部加横向割缝，也可以采用在缝隙端部钻圆孔等方式。 油管油井 系统公司发明了“狗骨”状割缝并申请了专利。狗骨状割缝工艺包括切割、机加工等方法使膨胀管的强度下降以便进行径向扩张。图 1 出示的是用普通工艺生产的割缝膨胀管，图 2 是用狗骨状割缝工艺生产的膨胀管。狗骨状割缝的膨胀管的管体上有一系列的纵向缝隙而在每个缝隙的端部有一横向缝隙。在一般情况下。纵向缝隙的长度为 115横向缝隙的长度为 8 试验表明，扩管所需要的力与连接肋的宽度有关系。如果没有横向缝隙，肋的宽度为11为有了横向缝隙，肋的宽度只有 4结果是大幅度降低了扩管所需要的力。而令人惊奇的是，这 种横向缝隙没有使膨胀管的强度大幅度下降。 2)实体膨胀管 （ 1）实体膨胀管的结构和膨胀原理 实体膨胀管是由标准的管材钢轧制的无缝钢管。钢材经过特殊处理后增强了延展性和抗破裂韧性，降低了损伤敏感性。实体膨胀管的膨胀原理是材料的三维塑性形变。扩实体膨胀管所需要的力约为割缝膨胀管的 10 30 倍，需要使用特制的高强度陶瓷膨胀锥来扩管。在扩管过程中实体膨胀管的长度和厚度都要减少。因而影响了膨胀管的强度和抗挤压能力。 实体膨胀管的基础理论是简单的。其复杂性来源于系统间的相互作用。实体膨胀管有五个主要因素即实体膨胀管系统 、膨胀锥、丝扣、材料、环形密封，而这些因素是相互影响的。 在扩管期间， 由于膨胀锥的作用力使膨胀管膨胀。膨胀锥的表面直径、角度和材料特性决定了的膨胀余量和膨胀后的松弛量。为保证膨胀余量大于松弛量，要进行预先计算。这样就能保证膨胀锥的回收而且保证膨胀误差在所要求的范围内。 膨胀锥半径、材料特性、膨胀率、环形密封材料、在裸眼和下套管井尺寸容限的综合作用决定了扩管力和膨胀容限。在设计过程中要考虑这些影响和这些因素的相互作用。 在应用时，为了容易扩张，选择具有较高延展能力的低屈服材料的实体膨胀管。扩张实体管所选用的能 量与材料的屈服强度成比例。同样，对已知材料来说，外径的膨胀率与所施加的膨胀力成比例。屈服强度的选择范围为 40000 70000 膨胀管的制造质量要高于 范，特别是允许缺陷、厚度、屈服强度、延展性。均匀度和管材的圆度。在扩管过程中，由于是冷加工，所以材料的强度会增加。然而，扩管后材料的破裂强度要低于预膨胀材料的强度。 到目前为止，丝扣连接仍然为首选连接方式。目前，对设计者的挑战是开发丝扣，这种丝扣预膨胀和膨胀后的特性要适应油井设计功能，而且与膨胀工艺相一致。 连接要是内平的以便允许单一直径的扩管 锥穿过接头。连接还要是外平的以便施加恒定的扩张力就能使膨胀管扩开。扩丝扣所需要的能量不能超过扩管体所需要的能量。丝扣扩张后要保持与管体同样的力学特性，包括抗挤和抗暴能力以及抗张能力。接头在扩张前、扩张期间和扩张后必须保持不漏压，如果在采用液压扩管时发生漏压，要停止扩管。膨胀管的公接头要朝上以防止在扩管期间公接头和母接头脱扣。 金属对金属的单一膨胀不能提供可靠的密封，所以要用弹性密封来提供压力密封。对裸眼井来说，用水泥来密封膨胀管时，要使用适当的固井方法以防止水泥早凝。在大角度斜井和水平井中，固膨胀管时不能旋 转或上下活动管柱，所以固膨胀管更困难。为此要预留一小的间隙以便兼顾水泥密封的完整性。 （ 2）实体膨胀管的用途 实体膨胀管有下列用途： 1 修复 实体膨胀管可用来封堵套管上的射孔孔眼和修补套管、油管或防砂网。修复时，实体膨 3 胀管在套管或油管内以扩张的方式来封堵接头漏失、套管和油管因腐蚀或冲蚀所造成的漏失。可以使用厚壁管作为实体膨胀管，也可以使用薄壁管作为实体膨胀管。就薄壁管而言，可将其扩张为 3 4壁厚。 25 35的扩张率使薄膨胀管能穿过油管的接头、安全阀和内径。而当需要时， 可在同一根管柱内加多层膨胀管内衬。厚壁和薄壁膨胀管都可用来封堵套管的射孔孔眼，封堵裸眼井中水层和气层以及修补损坏了的防砂网。 2 建井 实体膨胀管在裸眼井中可作为临时衬管或永久性衬管回接在以前下的套管柱上。在需要下应急衬管的情况下，实体膨胀管可作为临时衬管使用。例如，在深水和高压井中，当地层压力与破裂压力之间的差很小时，可作为临时衬管下到设计深度而不损失井眼尺寸。实体膨胀管可作为永久性衬管使用，包括回接到以前下入的套管或衬管上。 3 发展单一直径的油井 下套管完井，井眼的直径约损失 20。利用膨胀管完井，井眼直径的损失约为 10。采用单一直径的油井，不但省去了复杂的套管系列，而且可用减少岩石的切削量，提高钻速和加快建井速度。 实体膨胀管可用实现单一直径的油井设计。其作法是按照实际需要设计一合理的单一尺寸的井眼。在钻完一段井眼后，下实体膨胀管，扩管并固井。然后用双中心钻头打下一段井眼，完钻后再下膨胀管并固井。由于双中心钻头钻出的井眼比钻头直径大，所以下膨胀管和扩管后仍能保持与上一井段同样的井眼直径。然后重复这种作法，直至达到设计深度。这就是单一直径的井眼。 球技术公司在墨西哥湾进行了现场试验，因为使用了小型号的钻井设备和防喷设备，所以大幅度地降低了钻井成本。 2. 工具和辅助设备 1）膨胀管接头 以前，膨胀管的连接多采用焊接，不但给扩管造成困难，而且难以保证膨胀管的连续性和强度。最近壳牌研究公司研制成膨胀管接头并申请了专利。 当扩管时，最理想的情况是用均匀的扩管力完成扩管。另外，相邻的膨胀管最好是平接的。壳牌公司研制出的膨胀管接头容易安装，不用焊接，而且可以顺利地扩管。 接头由一可扩张的塑性钢套筒组成。接头与相邻膨胀管的每个接头以同心的方式 连接在一起。其特点是，每个膨胀管接头的外表面都用机加工的方式切削成一凹环，而凹环正是套筒连接的部位。另一种替代方法是，把相邻膨胀管接头的内表面用机加工的方法切削出一凹环。套筒的厚度最好与凹环的厚度一样，致使连接处形成平接（见图 1）。 图 1 膨胀管接头 另外，接头的圆周上有一组按一定距离排列的螺钉。这些螺钉穿过套筒和膨胀管端部的预钻孔。如果需要可用铆钉或机械闩代替螺钉。 2）膨胀管井下坐放工具 油管电缆服务公司研制出一种膨胀管井下坐放工具 并申请了专利。该工具可把割缝膨胀 4 管下入井内、摘脱（释放）膨胀管和扩张膨胀管。该工具由膨胀管安装部分和扩管部分组成。安装部分的作用是支撑膨胀管、防止膨胀管从工具上脱落下来；扩管部分的作用是在扩管期间保证扩管器穿过膨胀管。 在使用过程中，膨胀管支撑部分可调整到能精确地支撑设计长度和重量的膨胀管，因此当工具下入井眼时，可把突发性的膨胀管脱落降到最低程度。摘脱限制是一种理想的设计，可以用较小的下行力使工具进入膨胀管。该工具的特点是与一段膨胀管连接在一起，最好选择割缝膨胀管。 该工具的另一特点是膨胀管支撑装置带有棘齿 结构（常规的棘齿螺纹），可以用预先确定的力下放接有膨胀管的工具，而棘齿结构限制摘脱。但是，在所选择的工具中由一个或多个独立的摘脱装置，如剪切销、剪切环、弹簧栓和任何配用的摘脱制动器，这就把下膨胀管时，不小心或偶尔把工具推入膨胀管的可能性降到最低，例如下膨胀管时遇阻，过大的推力会把工具推入膨胀管，而没有达到膨胀管下行的目的。该工具的扩管部分包括二次扩管装置，从而保证可以采用最小直径的膨胀管，最好是选择是二次扩管工艺。 该工具还包括了具有与外径和内径向一至的前导部分。前导部分的作用是，下膨胀管时前导部分提供横向 支撑，扩管时保证工具居中。整个工具的结构见图 2。 图 2 膨胀管井下坐放工具 3)膨胀锥 膨胀锥又叫膨胀心轴，一般由硬钢材、碳化钨和陶瓷制成。碳化钨膨胀锥用于扩张割缝膨胀管和低强度的实体膨胀管，而陶瓷膨胀锥用于扩张实体膨胀管和高强度的膨胀管。根据设计，膨胀管可分为上提扩管和下推扩管两种扩管方式。上提式膨胀锥的一端与钻杆相连接，与膨胀管同时下入井内，在膨胀管到位之后，摘脱膨胀管后上提膨胀锥，从而到达扩张膨胀管的目的。 扩张实体膨胀管所需要的力与摩擦力、 膨胀锥的锥角呈函数关系。实体管最大扩张率为 30 40，但 10 20的扩张率就达到标准了。为了容易扩张，必须对膨胀管的内管进行润滑以便膨胀锥能顺利穿过膨胀管，并以此把对膨胀管擦伤的机会降到最低程度。润滑不充分可能导致跳跃现象（即膨胀锥交替地停止和前进），继后产生的振动可能使膨胀管损坏。割缝管的扩管方法与实体管的扩管方法不同。 球 技术公司通过三年的努力研制出裸眼膨胀管、膨胀防砂网、套管井的膨胀管和膨胀管悬挂器。特别是膨胀防砂网的问世，改进了多分支井的连接，成为推动膨胀管技术向前发展的有效成果（见图 5） 实体膨胀管技术的问世，使我们能用少量的套管柱打井。作业者选择 550001/4这种膨胀管来修补套管是一种较为经济有效的低压修补方法。通过改进冶金方法，使石油管材能满足冷加工的需求。 1)裸眼井衬管 根据岩性和已往的钻井经验，作业者可以使用双中心钻头或带有近钻头扩孔器的普通钻头钻出所需要的大尺寸井眼。 例如在 95/8管井中，下 7 5/8胀管，扩张后膨胀管的外径为 81/8更大一些，如果作业者在 95/8管下面用 8 1/2头钻下膨胀管的井眼，那么所钻的井眼就太小了。 5 通常以 20速度下膨胀管，下膨胀管时要往钻杆中泵泥浆。如果采用 13 3/8膨胀管，要采用 18000压力扩管，整个膨胀管系统的设计扩管压力要低于 5000这项技术可用于现有的钻井设备。 2)操作程序 在安装膨胀管期间，首先要下膨胀锥启动系统，接着下其余的膨胀管以及与套管产生密封的搭接部分。首先 提起钻杆，下放钻杆使之穿过膨胀管，把钻杆旋进膨胀锥的母扣中。在膨胀管底部连接好钻杆与膨胀锥后，上体钻杆，打开卡瓦，用常规方法将膨胀管下到设计深度。当用钻杆下膨胀管时，钻杆在后面以提拉方式缓慢下入，而不是用钻杆把膨胀管推入井内。考虑到膨胀管具有外平接头而且扩管是在最后一根套管的下面进行的，所以把膨胀管下到井底不会产生太多问题。这一方法有别与于把钻杆连接到膨胀管顶部的悬挂器上，而把膨胀管推到井底的做法。一旦膨胀管下到井底，可以往钻杆中泵泥浆使泥浆在膨胀管外面上返。 作业者可以选择在扩管前注水泥也可选择在扩管后注 水泥。 3)扩管过程 为了进行扩管 ，把一隔离塞从钻杆泵入井下、隔离塞坐放在膨胀锥启动系统的底部，使隔离塞的下面产生一压力腔。当连续往钻杆中泵入泥浆时，腔内的压力增加，作用在膨胀锥上的压力推动膨胀锥向上运行而进入膨胀管。当注完水泥和膨胀管扩开后，为了保持管柱的重量，把钻杆提到钻台上。 在扩管过程中，管材的材料必须符合材料守恒定律，即在扩管过程中管材的材料既不能产生也不能消失。 在裸眼井下实体管的情况下，在扩管过程中膨胀锥是上行的，由于材料消耗在增加直径上，所以会造成管体缩短和管壁变薄。 膨胀管会缩短 4 5，而壁厚会减少 3 4。如果要求安装 1000胀管、那么管长要超过搭接部分 50 同样，在考虑壁厚时，必须计算膨胀管的抗暴和抗挤能力。必须考虑 3 4的壁厚下降和预扩张尺寸。 扩管过程也是非常宽松的，当出现作用问题时。在接到命令的情况下，可以停止扩管。 如果估计膨胀锥上方形成铁屑堆积床，操作人员可以下放钻杆把膨胀锥从膨胀管中脱离出来。停扩后，通过膨胀锥循环泥浆以排除铁屑。在扩管过程中可以利用立根盒排放钻杆，这是一种较快的方法，也可以用拆单根的方法。 4)膨胀管的搭接 当膨胀管的顶部膨胀时，与套 管底部的内表面产生密封的部分叫搭接。膨胀管外部压缩产生的弹性密封是一种可靠密封。可供选择的弹性材料可以是丁腈橡胶，氟化橡胶或 视预期的井底温度和可能暴露的化学环境而定。 1)膨胀防砂网 在阿曼的南部，油井防砂是石油生产所面临的挑战。约 25的生产井需要某种形式的防砂措施。为了解决油井出砂问题，使用了包括绕丝防砂网、砾石充填、预钻孔衬管和膨胀防砂网在内的方法。对阿曼石油开发公司来说，膨胀管技术已成为他们的一种发展战略，因为它具有潜在的优势和较低的成本。 膨胀管的下 列用途已被阿曼石油开发公司认可：（ 1）作为裸眼井衬管封隔水层和不稳定地层以及封堵漏失层；（ 2）作为套管井的套管内衬修补腐蚀损坏的套管或封堵套管的射孔孔眼。 6 图 3 膨胀防砂网 在裸眼井中安装膨胀防砂网的优点是，防砂网与地层完全接触，这就克服了砂粒被冲入环空造成对防砂网的冲蚀或堵塞的可能性。膨胀防砂网的内径较大，所以能提高油井产能。 2001 年 2 月阿曼石油开发公司在 15 井进行了试验，不但达到了目标而且证明了在这口井中安装膨胀防砂网是 成功的。 为了在套管井中扩膨胀防砂网，研制出一种能支撑膨胀防砂网和扩管下行力的悬挂器。常规悬挂器的缺点是大幅度降低了管子的内径，其结果是把膨胀锥安装在悬挂器的下方，而扩管后膨胀锥要留在井下。而理想的方法是使用悬挂器后，允许从井口下膨胀锥并在作业后能回收膨胀锥。 15 井是一口生产井，于 1998 年 11 月完成。 7管穿过上 。射孔长度为 10m。因出砂使抽油泵损坏而关井。经研究决定采用膨胀防砂网，并认为这是一种最经济有效的方法。 根据颗粒尺寸的分布研究，选择了 230 目的最佳防砂网。作 业过程如下，撤除游梁抽油机和重入。下洗井管柱冲出流砂并洗井。在 873段重新射孔，接着用 7洁器清洁套管。 膨胀管柱由斜口管鞋、底部膨胀接头、 12m 长的 4胀防砂网和膨胀式上部接头组成。把膨胀管柱接在异径悬挂器上并下到井底。膨胀管柱下深 876m，总成长为 盖了两层油层。下到井底后投球启动异径悬挂器的液压装置，通过加压证实悬挂器已坐放完毕。用 10恒定力扩开膨胀防砂网。这口井重新完井后恢复生产，初产能达 100m3/d。 2)膨胀管在深水钻井中的应用 在深水钻井工程中。 膨胀管技术在下列两个领域是有价值的： （ 1）在低的钻井边际条件下； （ 2）在深水中使用小型钻机时，使用膨胀管是一种经济有效的方法。 在深水中进行钻井作业时，钻井边际条件（孔隙压力梯度与破裂压力梯度之间的差）很小时，要求比同等井深的浅水钻井下更多层的套管柱。在某些情况下，使用 183/4防喷器和 21隔水管的常规套管设计通常很难打出用来评价储层和生产的大尺寸井眼。 传统的做法是，当水深增加时要增加钻井船的吨位和设备的尺寸。所需钻机的吨位受水深、公海条件、防喷器和隔水管尺寸的影响。而隔水管尺寸对装置有如 下影响： （ 1）甲板载荷； （ 2）甲板的空间； （ 3）隔水管张紧器的能力； 7 （ 4）起重系统的能力； （ 5）钻井液系统的体积； （ 6）散装物品的体积。 当隔水管尺寸增加时，在下入、回收和拆除时起重系统的动态载荷也在增加。如果使用膨胀管系统便可以钻一较小尺寸的井眼。 壳牌勘探和生产公司为了克服钻井边际条件问题在 7790深的超深水钻井条件下进行了膨胀管安装。安装过程如下： 该井的情况是 16管下深 11760下一井段中用双中心钻头打 171/2眼以安装实体膨胀管。在 8 个小时内安装好 1186扩张长度）长的 133/8 的膨胀管。由于连接方法不当，三个接头损坏不得不重新连接。由于粘扣而报废了两根膨胀管。重新连接后，用51/2杆钻柱将膨胀管下到 12647下膨胀管时，两次遇卡。在 12267加 15 20 12367要 5 10力才能穿过。通过边冲边下把膨胀管下到 12684设计深度还有 6 开始实施固井作业，用 310度为 11 井液替入隔离塞。以 16排量把 30泥浆泵入环空。 下第二个隔离塞， 在关闭环形防喷器的情况下，以 11,6排量，用 263井液将第二个隔离塞替入井下。第二个隔离塞替出第一个隔离塞。并产生 5200封闭压力。把膨胀管接好并用机械方法扩管。在安全接头的上方安装打捞震击器和钻铤然后下井。由于环空被井壁掉块填满，三次转动工具都失败了。之后把安装接头安装在扩张总成上使压力达到 2600 使用泥浆泵和顶驱开始扩管作业，初始扩管压力为 1800用相当于膨胀管重量85% 100%的钩载连续进行扩管作业，压力由 1500到 1300扩管锥穿 过下在砂层段的膨胀管时，没有出现卡膨胀锥的迹象。当膨胀锥上提进入 16管时，发现上提力增大。 当扩到带有扶正器的管段时所需要的扩管力上升，这一管段分别位于 1169011639扩到悬挂器接头时，出现了 7 个弹性段，当时的压力限制在 2000个扩管过程是在 1400力下进行的，排量控制在 1提力为 40 通过这次使用膨胀管解决孔隙压力与地层破裂压力差对钻井的挑战后，认为膨胀管对解决这种钻井问题是一种经济有效的方法。 3)用膨胀管修补套管的实例 司是澳 大利亚一家勘探开发公司。自 1998 年以来，壳牌公司拥有了 司25的股份并成为作业者。 司在寻求一种能封堵未射孔层上