《膨胀套管技术的发展及应用》20120807.ppt

中国石油勘探开发研究院装备研究所二O一二年八月 膨胀套管技术的发展与应用 石油钻采工程新技术新工艺 目录 概述国外膨胀管技术发展现状国内膨胀管技术的研究应用膨胀管技术发展方向 膨胀套管技术是Shell公司于1990年代开始研发的一项新技术 1999年首次应用 被称为 21世纪石油工业发展的核心技术之一 目前已开始广泛用于油田开发中 油水井套管是油气产出的通道 套管的完好是油气田实现油气产量硬增长的关键一环 随着我国各个油田进入开发后期 井筒维护 剩余油的挖潜 套损井的治理已经成为各油田特别是老油田二次开发的重点工作 油田的套管 一 概述 中国石油所属油田每年上报的待修套损井数居高不下 8000口左右 一些老油田套损井比例已经超过50 大量的井停产停注 可采储量损失严重膨胀管技术与常规技术相比具有强度高 密封可靠 修复后通径大等优点 特别适用于套损井修复 套损井治理的重要性 2010年井筒维护措施3500多井次 实际待大修井高达8000 9000口 套损井修复技术 套损修复技术对比 膨胀管补贴技术为套损井复产提供了有力支撑 对老油田的挖潜改造有重大经济价值 膨胀管技术原理 原理 可膨胀套管是一种由特殊材料制成 具有良好塑性的金属钢管 下入井内后进行膨胀 在冷作硬化效应下 管材强度和刚性得到提高 膨胀变形后的机械性能达到API套管钢级的水平 原理视频动画 四大关键技术 1 管材难题 化学成份 性能 热处理状态和尺寸公差 膨胀前 要求材料延伸率高 易于膨胀变形 软膨胀后 机械性能基本达到普通套管水平 硬2 膨胀锥主要解决长距离 间断可重复使用 高强度 耐磨3 膨胀螺纹多根连接 长距离膨胀 连接强度及膨胀后密封技术4 减摩难题 膨胀管关键技术 膨胀管技术应用范围 该项技术有多种用途 目前按照使用环境分为两大类 最终目标 1 以全井同一尺寸套管 代替现有的多层套管结构 可以 节省59 的钻屑处理费用降低38 的套管重量节省42 的固井水泥节省44 钻井液用量 2 裸眼系统 尾管悬挂 悬挂牢靠 通径最大 老井加深 侧钻 用膨胀管完井 通径大 1 套管内补贴 套管加固 堵水及层系封堵 膨胀管技术应用范围 2 用套管代替钻杆钻井 可以 减少起下钻的时间 比传统用钻杆起下钻大约快5倍至10倍 减少井下复杂情况的发生 改善水力参数 环空上返速度和清洗井筒的状况 钻井成本将大大下降 打一口井深为10000ft的井 和传统钻杆钻井方式相比 预计可节约费用30 以上 应用1 套损井加固 层系封堵 套损井加固利用膨胀管技术进行套损井修复加固 修复后不仅强度高 而且通径只减少两个膨胀管壁厚 受到油田的普遍欢迎 对老油田的挖潜改造有重大经济价值 油田堵水及层系封堵利用膨胀管技术进行堵水及层系封堵 不仅密封承压效果好 封堵井段通径大 而且不影响泵挂的下入深度 与化学堵水工艺相比 施工工艺简单 成本低 有效期长 如果需要重新利用 可以采取射孔的方法 实现完全或部分打开 应用2 老井加深 侧钻 利用膨胀管完井 下入井内再膨胀 解决了5 套管内再进行下部油层开发面临的套管直径过小问题 对老油田的二次开发具有重要意义 如果利用老井眼加深 下部的套管用膨胀管做为完井套管 可以得到更大的通径 以适应常规的井下工具 应用3 尾管悬挂 常规卡瓦式悬挂器因为其悬挂方式的原因 会有坐挂失败或者倒扣失败等安全隐患 并且其环空重叠段水泥环封固质量不易保证 膨胀管式尾管悬挂器可彻底解决上述问题 采用膨胀管式尾管悬挂 悬挂牢靠不受井深和温度的限制尾管重叠段相对更短 两种悬挂方案对比 应用4 钻井工程 应急套管钻井过程中 经常遇到井眼垮塌 恶性漏失等井下复杂情况 这些情况的出现 将导致提前下套管 从而 使原设计的套管序列无法满足钻井设计的要求 甚至无法钻达目的层 利用膨胀管技术 可在原有的套管序列间增加一层应急套管 对有问题的层段进行封堵 从而确保钻达目的层 全井同一尺寸套管海上钻井总成本可以节约33 48 如一口1500米深水水域 井深为8800米的油井 分析结果表明单一井径油井可节约1200 3100万美元的钻井成本 概述国外膨胀管技术发展现状国内膨胀管技术的研究应用膨胀管技术发展方向 目录 二 国外膨胀管技术发展现状 国外发展历史 20世纪90年代初 开始套管膨胀变形的可能性研究 1993年在挪威进行了第一次概念性试验 1998年Shell和Halliburton公司合资成立Enventure公司 并率先进行了模拟井下试验 1999年Chevron公司进行了第一次现场应用试验 20世纪末达到商业化应用水平 膨胀管技术在国外发展较快 已有多家公司进行膨胀管的技术研发 并且广泛应用于套管修复 裸眼系统以及膨胀筛管完井等领域 膨胀方案在国外分为液压和机械两种方式 二 国外膨胀管技术发展现状 国外公司的主要技术特点 Enventure公司 实体膨胀管技术为主 Halliburton公司 综合完井方案为主 Weatherford公司 综合完井和膨胀筛管 BakerHughes公司 综合完井方案为主 俄罗斯Tatnipinefi设计院 波纹管及实体膨胀管 国外公司在国内进行的与实体膨胀管相关的技术服务 以Enventure公司最早 最具代表性 其技术先进 价格昂贵 二 国外膨胀管技术发展现状 套管补贴普遍采用了直缝焊管 ERW 专用管材胀后强度已经达到N80钢级指标作业施工压力低于30MPa一次膨胀长度达到1700米已经开发出膨胀式尾管悬挂器 膨胀筛管防砂系统国外已经成功地完成了单一井径系统主要工具的试验 套管补贴 尾管悬挂 445 3 单一直径钻井 老井加深 侧钻 膨胀筛管 二 国外膨胀管技术发展现状 一般膨胀管井身设计 单一直径井 BakerHughes已经进入现场试验阶段 单一直径井钻井 目录 概述国外膨胀管技术发展现状国内膨胀管技术的研究应用膨胀管技术发展方向 1 常规套管补贴技术 2 水平井用全内置膨胀管技术 3 薄壁大通径膨胀管技术 4 高温热采井用耐高温膨胀管技术 5 长段腐蚀套管修复 6 膨胀套管裸眼系统 7 免钻胀捞一体化膨胀管工具 8 连接螺纹及密封技术9 仿生减磨技术10 水平井多分支井完井技术 国内技术发展介绍 三 国内膨胀管技术的研究应用 更强事故处理能力 卡簧 钻杆扣 增加引鞋 通过性更好 结构改进 胀锥丝堵花键结构 由下丝堵 膨胀器 连接杆 膨胀管 油管 打压接头等部分组成 1 常规套管补贴工具 试验条件 膨胀管发射腔冲压台架 打压试验台架 多参数实时监控综合试验平台 发射腔冲压台架 打压试压台架 传感器及电源 采集卡 监控程序界面 膨胀管综合实验台 膨胀套管综合试验台架 试验试件 膨胀螺纹 大直径膨胀螺纹 密封段切片 破坏的膨胀螺纹 悬挂试件 膨胀锥疲劳试验 膨胀套管综合试验台架 数据处理 材料对膨胀力影响 锥角与膨胀率 减压效果 润滑介质对膨胀力影响 膨胀锥角度对膨胀力影响 膨胀套管试验 可用于51 2 7 95 8 及非标套管修复 51 2 套管修复后通径达到 108mm 最大 114mm 以上 膨胀管抗内压91MPa 抗外压51MPa 超过J55钢级 膨胀螺纹抗内压 45MPa 抗外压 15MPa 补贴加固长度已达到150 7m 悬挂力 450KN 最大工作温度 350 膨胀管补贴技术性能 修复后通径大 方便后续作业 密封效果好 强度高 编制国家标准 不断完善 膨胀管施工工艺规范 从方案设计 井眼准备 施工顺序及操作规程 验收 HSE等方面进行规范装备所主持编制了 油田套管补贴用膨胀管 油田套管补贴用膨胀管施工规范 等国家 行业标准 施工工艺规范 现场施工工艺流程 中石油膨胀管补贴技术已经在大庆 胜利 辽河 长庆等国内11个油田得到了现场应用推广 累计总施工井数超过了850口 2011年250口 在油田产生了较大经济效益 每年直接效益折合数亿元 应用情况 施工后续跟踪 杏3 1 226井 2005年1月测井径曲线 2007年6月测井径曲线 对2005年1月膨胀管施工的杏3 1 226井进行了后续效果跟踪 2005年与2007年测井径曲线进行比较 补贴段井径并无明显变化 应用情况 目前国内外膨胀管补贴作业中大部分设计为膨胀锥带动打压管柱 油管或钻杆 上行 液体压力必须对抗管柱重力 管柱与套管内壁的摩擦力 随着井斜角度的增加 管柱摩擦力急剧增大 导致膨胀力过大 降低施工可靠性 为此 研制了斜井 水平井专用的减摩膨胀工具及其配套施工工艺 以满足斜井水平井套管修复作业需求 2 水平井用全内置膨胀管技术 针对斜井 水平井管柱摩擦阻力大的难题 研制了基于内置拉杆的膨胀管补贴工具 彻底解决了管柱摩擦问题 技术优势 大钩悬持管柱 管柱补贴位置更准确 膨胀锥为自上而下膨胀 方便后续事故处理 在膨胀过程中 行走部件全内置 无额外摩擦阻力 膨胀压力最低 接近地面试验值 上丝堵倒扣丢手打开通道 免钻 节省一趟管柱 2 水平井用全内置膨胀管技术 3 薄壁大通径膨胀管技术 堵水及层系封堵 随着油田开发进入高含水期 堵水及层系封堵的生产需求越来越多 目前采用的下封隔器 爆炸式机械堵水以及化学堵水等常规堵水工艺都存在明显不足 已不能满足生产需要 机械堵水 爆炸式堵水存在密封承压差 封堵井段长度受限 悬挂不牢等缺点 下封隔器堵水则存在通径小 有效寿命短等缺点 化学堵水 化学堵水施工工艺复杂 有效期受限 挤水泥容易造成二次套损风险 解堵不完全 膨胀管技术进行堵水及层系封堵 密封承压效果好 封堵井段通径大 深度 长度不受限 不影响泵挂的下入深度 施工工艺简单 可靠性高 有效期长 可重新射孔 实现完全或部分打开 适用范围 51 2 套管的堵水 层系封堵技术指标 修复后内径 114mm 管材外径114mm 壁厚5mm 抗内压 35MPa 抗外压 15MPa 研究成果 5mm膨胀螺纹问题已解决 已实现长段补贴 大通径膨胀管结构设计 尺寸设计 参数校核 有限元分析 零部件外协加工 样机试制 对膨胀 密封 悬挂等性能进行室内试验 样机完善 现场试验 工作内容 3 薄壁大通径膨胀管技术 对于后续修井作业的影响 3 薄壁大通径膨胀管技术 4 高温热采井用耐高温膨胀管技术 常规膨胀管技术采用橡胶密封 最大工作温度 140 无法满足辽河 塔里木等油田热采井 深井等高温井套损修复的需要 为此 对耐高温的膨胀管套管补贴技术进行公关 以解决高温井 350 以上 套损治理 油田堵水及层系封堵的实际生产需求 进一步提升国内油田套损井修复技术水平 开发了新型密封机构的耐高温膨胀管 可用于热采井 深井等高温井套管修复 技术指标 最大工作温度 350 单组密封 液体密封压力 17MPa 单组密封 悬挂力 100kN 膨胀工作压力 45MPa 现场应用 辽河油田曙1 06 012井 热采井 补贴位置1051m 1060 2m 工具长度9 2m 修复后内径 141mm 耐压 17MPa 4 高温热采井用耐高温膨胀管技术 长庆油田由于Cl 腐蚀造成套管大段损坏 严重影响油气生产 常规技术无法解决这一问题 而受长庆油田单井成本的限制 防腐套管完井 膨胀管长段整体补贴等技术无法规模化应用 中国石油勘探院装备所针对这一难题 利用膨胀管技术优势 开发出了膨胀套管坐封技术 为长段腐蚀套管修复提供了一个新思路 一种新手段 连续的半圆腐蚀 5 长段腐蚀套管修复技术 现场应用 长庆油田采油二厂 剖33 03井 坐封段1654m 1658m 华180 3井 坐封段1448m 1460m 定31 1井 坐封段1719m 1933m 膨胀管坐封小套管二次完井 结论 膨胀管坐封小套管二次完井具有悬挂牢 耐压能力好 有效寿命相对较长等优点 套管腐蚀后井筒情况复杂 必须对施工工艺参数进行深入研究 现有方案的有效寿命需进一步研究考核 5 长段腐蚀套管修复技术 完井技术方案1 膨胀管尾管悬挂器 实体膨胀管 自膨胀橡胶封隔器 完井管柱结构示意图 复合胶塞 胶压塞碰 6 裸眼系统 在侧钻井中应用 该技术综合实体膨胀管 自膨胀橡胶封隔器 膨胀式尾管悬挂器和水平井分支井技术等4项优势技术 提出了膨胀套管裸眼系统技术 为侧钻井发展提出了一个新思路 性能参数 完井后套管内径 103mm 膨胀管抗内压91MPa 抗外压51MPa 超过J55钢级 膨胀螺纹抗内压 45MPa 抗外压 15MPa 悬挂力 450KN 6 裸眼系统 在侧钻井中应用 现场试验 试验井位 大庆油田杏3 丁2 侧平322井技术数据 侧钻点井深892m 最大井斜0 28deg m 造斜段长度324 7m 水平段长度150m 膨胀套管总长 500m 施工方案 开窗深度960m 井底闭合距 296 35m 造斜段长度207 8m 水平段长度167m 采用射孔完井 6 裸眼系统 在侧钻井中应用 特点 橡胶密封 环空密封段短 密封压力35MPa 彻底解决卡瓦式悬挂器尾管重叠段环空密封不严的问题 通径大 可在5 1 2 套管内悬挂4 无接箍套管 相应尺寸采油泵可通过悬挂器下入到尾管串中 泵下深不受悬挂器内径的影响 现场可操控性强 1 工具长度短 下放容易 可在0 90 井斜中任意位置座封 不受井斜位置限制 2 丢手简单 座封完成后直接上提丢手 3 施工压力不高 6 裸眼系统 在侧钻井中应用 适用范围 普通直井 斜井和水平井 可在0 90 任意井斜位置悬挂 深井 超深井 液压力和机械力共同作用 确保悬挂器顺利膨胀坐封紧急情况可安全丢手高压井 密封35MPa 耐温180 规格参数与技术指标 6 裸眼系统 在侧钻井中应用 生产需求 斜井 水平井 不允许施工过程中井下有落物 施工周期短 速度快 效率要求高 胀捞一体化膨胀管工具 适用无转盘动力 免钻 可缩短施工时间 效果 单根补贴节省一趟钻 胀捞一体化管柱 7 胀捞一体化膨胀管工具 随着膨胀管技术推广范围和数量的增加 现场工况越来越复杂 对反复使用的膨胀锥寿命可靠性 膨胀最低压力要求也越来越高 常规润滑减磨技术很难进一步提高性能 前期基础 以51 2 套管膨胀管工具为例 常规技术膨胀压力 30MPa 膨胀锥室内行走距离累计 600m 大庆 吉林现场施工 膨胀锥工作寿命 5口井 个 膨胀锥造斜段润滑 管内表面的减磨固体涂层 管内表面的防腐涂层 仿生减磨技术 微胶囊技术 8 仿生减磨技术 工作内容 数值仿真理论研究 对微孔胶囊润滑进行了初步研究 制作了11个膨胀锥试样 完成了2轮室内试验 对方案进行调整 准备第3轮室内试验 数值仿真初步结果 取摩擦系数为0 15时 变形能为92 33kN驱动力所做功 摩擦能是64 75kN驱动力所做功 变形能占总能量消耗的58 8 摩擦能占总能量消耗的41 2 8 仿生减磨技术 多分支井技术在国外被称之为 21世纪用钻井的方法有效提高单井产量 降低成本的最具前途的技术 目前 装备所具有7 和9 多分支井4级完井技术 已在中海油天津分公司陆上试验井 埕北油田A平台CB A22井 CB A10井和渤海石油公司南堡NB35 2 A6mh井成功进行了四次施工 技术工艺成熟 技术优势 9 水平井多分支井完井技术 膨胀管定位器 悬挂牢 定向可靠 主井筒通径最大 明显优于国外同类方案 支井选择性重入可靠 四级完井情况下 优于国外设计 支井数目 支井间距不受限制 适用于新井 老井侧钻 用同样的方法钻成上部多个分支井 主井眼只减小膨胀管的两个壁厚 膨胀管定位器技术 分支井选择性重入 分支井选择性重入 刮管 通径 下膨胀管定位总成 陀螺定向 起出膨胀管总成送入工具 调整斜向器工具面角后焊接 下斜向器总成 起出斜向器总成送入工具 分支井现场应用 目录 概述国外膨胀管技术发展现状国内膨胀管技术的研究应用膨胀管技术发展方向 高性能膨胀管材研究 热采井用耐高温膨胀管 多类型膨胀方式研究 水平井多分支井完井技术钻井 在漏层封堵和单一直径井上的发展 膨胀套管钻井技术 关注的未来发展方向 四 膨胀管技术发展方向 现有技术 多种尺寸型号 可用于4 51 2 7 95 8 及其他特殊尺寸套管修