实体膨胀管技术研究的新进展.doc

实体膨胀管技术研究的新进展（胜利石油管理局钻井工艺研究院）何育荣 唐明摘要：实体膨胀管技术将成为21世纪核心石油工程技术之一，将为油田勘探开发领域提供技术支撑。经过在胜利油田进行的美国Enventure公司实体膨胀管的现场试验，充分证明了实体膨胀管技术的优越性，也促进了钻井院实体膨胀管技术的研究与开发。胜利钻井院实体膨胀管技术经过三年多的研究，已取得突破性的进展，完成了套管材料选择、膨胀锥、螺纹、内涂层、悬挂密封、地面试验等诸多内容，正在准备井下试验。主题词：实体膨胀管、侧钻井、膨胀锥、螺纹、内涂层、悬挂密封、地面试验前言：油田开发的进一步深入，隐蔽油藏、边缘油藏等难动用油藏的开发日趋重要。随之而来的是钻井技术飞速发展，复杂油气藏钻探开发和特殊工艺井日益增多，这些都迫切需求与之相适应的完井工艺技术，以便提高这些井的完善程度，达到保护油气藏、提高开采效益的目的，膨胀管技术正是解决上述问题的有效途径。图1 实体膨胀管一、技术概述实体可膨胀管技术是通过机械的或液压的方式使膨胀锥受压或受拉从管柱中穿过，使管柱内径永久胀大的技术。大多数实体套管的膨胀技术应用在41/2到133/8的管柱，膨胀率一般为1030%。膨胀机理如图1所示,实体膨胀套管的底部是一个“箱体”，一般叫做“起动装置”，里面包含一个膨胀锥。内管柱的高压流体到达压力室推动膨胀锥从下向上完成膨胀过程。膨胀管技术以其独特、创新的技术优势，必将为油田勘探开发提供可靠的技术支撑，可以解决从钻井到完井到修井领域的诸多技术难题，具有广阔的应用领域和价值。二、国内外技术发展壳牌公司于上世纪90年代后期首先开发该技术。目前，世界上有成熟技术和产品的公司有三家：Enventure 环球技术公司、E2TECH公司和Petroline公司。其中Enventure公司主要从事实体膨胀管的开发、销售并提供技术服务。至2004年2月15日，该公司共为全球45家操作公司在215口井上进行了膨胀管商业应用，膨胀管总计长度达到230000英尺，各种膨胀接头5800个，成功率96%以上。目前国内还没有成熟的技术，胜利油田钻井工艺研究院在各级部门的支持下，已做为中石化集团公司级研究项目开展研究，截至目前完成了膨胀工具、膨胀管材料等的设计制造，单根管的地面膨胀试验取得成功，预计年内可实施井下膨胀试验。此外与Enventure公司合作首次在国内成功进行了实体膨胀管完井施工，整个研究进度走在了国内领先位置。三、主要用途1、优化井身结构井身结构是指油井的套管程序（包括无套管完井）。采用可膨胀管就能减小井眼的锥度，维持井径和套管内径，进而提高钻井效率；可以钻更小、更深的井眼却能使下部套管具有更大的直径，有利于提高油气产量及投产作业的实施。 2、作为应急管，解决复杂地层的钻进问题漏失是新老油区都存在的钻井问题。膨胀管做为应急管是解决复杂油藏钻进问题的有效手段之一。实体膨胀管做为应急管的优势在于封隔压差可以达到20Mpa以上，膨胀后继续钻进。3、侧钻井完井老井侧钻一般情况下是在5-1/2套管内侧钻，也有在7套管内侧钻的，由于主井眼小侧钻用的钻头尺寸受限，侧钻井眼完钻井眼小，带来一些列问题：l 固井质量没法保证。在139.7mm套管中，与101.6mm套管之间的间隙只有8.2mm。这样小的环形间隙中形成的水泥环很薄，水泥环胶结质量不易保证。l 防砂、增产作业困难118mm钻头开窗侧钻，只能下4或3-1/2油套管，内径只有70多毫米，很难实施管内防砂，更难以实现冲砂等作业。用膨胀管技术能够较好解决侧钻井的上述问题：l 实体膨胀管下入侧钻井固井后膨胀，可以提高固井质量、增大完井井径。l 实体膨胀管下到位后先固井，水泥浆凝固前膨胀实体管，管体膨胀挤推管外的水泥浆提高顶替效果，同时有压实作用，提高两个胶结面的胶结质量。胜利2口侧钻井的应用证明了这一点。膨胀后管内径达到100毫米，可以实现管内防砂、增产作业。最近胜利钻井院在国内首次实施了2口侧钻井膨胀管施工，分别是胜利油田通61-侧162井和王14-侧20井。两口井的固井质量都是优，同地区同类侧钻井的固井质量不理想，说明膨胀管技术有利于提高侧钻井的固井质量，也解决了侧钻井完井井眼小带来的各种管内作业问题。4、利用膨胀管技术进行套管补贴大修采用可膨胀套管补贴油气井套管，那么大量油气井可恢复生产，不需要钻更多的调整井和侧钻井，具有显著技术经济效益。图2 实体膨胀管修补套管实体膨胀管套补技术的显著优势是可以补贴长达几百米甚至上千米的套损管，而且直径比原有套管只小一点，不影响作业和生产。其工艺流程如图2所示。四、最新研究进展1、膨胀锥的结构设计（1）膨胀锥的结构项目研究人员前往金属管材冷拔厂对金属管材扩径膨胀芯头进行了调查研究，并进行了一定的理论分析，结合国外膨胀套管作业实践，设计了膨胀锥的几何模型，见图3。图3中为芯头锥角，为润滑辅助区，为膨胀区，为定径区。图3 用于膨胀管技术的膨胀芯头外形结构图4 膨胀芯头几何尺寸图示膨胀作业时主要靠膨胀锥的膨胀区给管子内壁施加压力使其发生塑性变形，定径区的作用在于防止管壁发生大幅度的回弹。（2）膨胀锥各部分的几何尺寸1）润滑辅助区的直径与长度润滑辅助区的作用主要有两个，一是膨胀时将润滑剂良好地带入膨胀区，一是对即将进入膨胀区的管子起导向作用。该区段的外径应该小于管子膨胀前的内径，见图4。2）膨胀区的长度与锥角从图4中所示的几何关系可以很明显地看出，膨胀区圆锥段的长度可由下式来确定。(1.1)式中 膨胀锥定径区的直径。锥角的选择考虑了以下几点因素：使变形区的金属流动尽量流畅；有利于使润滑剂在膨胀区建立流体润滑条件；有利于管子轴线与膨胀锥轴线重合，使膨胀力方向正确；使膨胀力尽可能的小。要从理论上确定精确的最佳锥角数值是非常困难的，在金属管材冷加工中，这个角度也是根据经验确定的。3）膨胀锥定径区的长度与直径该段长度可在较大范围内波动，对膨胀力和膨胀过程的稳定性影响不大。另外，膨胀锥定径区在长度方向可以带有不大的锥度（直径差0.1mm）。该段的外径等于管子膨胀后所要达到的内径。（3）膨胀锥材料研究膨胀锥的选材对于膨胀作业的成败是非常重要的。在膨胀过程中，膨胀锥受到非常大的界面应力以及摩擦。所以膨胀锥的材料应该具有高硬度、高抗磨性、足够的强度以及良好的延性和冲击韧性。建议用以下几种材料来制作膨胀芯头：1）金刚石金刚石是目前世界上已知物质中硬度最高的材料，并且耐磨。在进行管柱膨胀时，它可以保证膨胀精度和形状。对于制作膨胀锥用的工业金刚石块，要求其膨胀带部分具有最大的硬度，不应该有内部缺陷，如裂纹、气泡、砂眼以及夹杂物等。在加工膨胀带时，应使膨胀带垂直钻石，以便获得最高的耐磨性。用人造聚晶金刚石制作膨胀芯头比天然金刚石具有更多的优点。人造聚晶金刚石晶体排列紊乱，所以相对于单晶体金刚石而言它的性质更均一，耐磨性能比天然钻石高。另外聚晶金刚石无方向性，从而使其性能均一，芯头中有显微孔隙，有利于贮存润滑剂，聚晶金刚石芯头磨损后还可以更改尺寸加以利用，所以其使用寿命比天然金刚石长。同时，聚晶金刚石的价格也比天然金刚石的低。2）硬质合金硬质合金是硬度仅次于金刚石的物质，具有较高的耐磨、耐蚀性，相对于天然金刚石而言，硬质合金的价格便宜，所以在制作较大尺寸的芯头时，为节约成本，可以采用硬质合金材料。可以采用以碳化钨为基础的硬质合金。在以碳化钨为基础的硬质合金中加一定量的钽、铌和钛等元素，或者加入碳化钛，可以提高硬质合金的使用性能。3）钢可以采用钢号为T8A与T10A的优质工具钢作为芯头材料，并可对其进行热处理以提高其硬度。为了提高工具的抗磨性能和减少粘结金属，除进行热处理外，还可以在表面上镀铬，厚度在0.02-0.05mm，估计镀铬后的芯头使用寿命可以提高4-5倍。4）陶瓷陶瓷是一种无机非金属材料，它同金属材料、高分子材料一起被称为三大固体材料。陶瓷是由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料，具有耐腐蚀、耐高温、硬度高等优点，在现代工业中陶瓷正得到越来越广泛的应用。传统陶瓷属于硅酸盐类材料，目前已开发出氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、金属陶瓷、功能陶瓷等特种陶瓷，特种陶瓷采用的原料已扩大到化工原料和合成原料，组成范围也超出了硅酸盐材料的范畴。但陶瓷材料的塑性太差，在井底使用易于发生破碎，它是国外膨胀管技术起初使用的芯头表面材料，现在已经不用。2、膨胀套管连接螺纹的设计膨胀套管连接螺纹的设计、加工是实施膨胀套管技术的重点和难点之一。膨胀套管之间的连接螺纹一般采用不同于API螺纹的特殊螺纹，它要求这种螺纹在膨胀前后和膨胀过程中都能保持较好的密封性能和较高的连接强度，这对于一般的螺纹是很难做到的，必须是经过专门设计的特殊螺纹才能达到这一要求。本研究在大量借鉴先进螺纹设计思想的基础上，设计了一种能够满足膨胀套管使用要求的特殊螺纹接头。本项目设计的螺纹接头具有以下特征： 接头采用直接加工在管子上的螺纹连接为无接箍式套管接头 螺纹采用改进的偏梯形螺纹，螺纹齿形为倒钩式，内外螺纹紧密咬和，强度高 具有多重金属/金属密封设计，密封效果好 外台肩（主台肩）采用-15的逆向扭矩台肩，辅助密封效果好，同时保证在膨胀过程中内、外螺纹不分开，其中内台肩为辅助台肩，选择直角台肩形式 接头内、外均完全平齐，加工时不需要对接头部位墩粗处理 对于密封面的设计，本设计参考了AB ST-L和VAM FJL的设计，选用锥面/锥面密封形式，密封锥度为1：5，即利用了成熟的经验，又不增加加工的难度。本设计为无接箍式螺纹，需要对内、外螺纹同时进行冷磷化处理。对于扭矩台肩的设计，本设计的主台肩（外扭矩台肩）选择-150逆向台肩，与直角台肩相比，这种台肩可使接头在拉伸载荷作用下仍具有较好的辅助密封作用。同时，在套管膨胀时，逆向扭矩台肩也具有比直角台肩更好性能。辅助台肩选择直角台肩形式。本研究根据先进的设计思想，结合可加工性能，确定该特殊螺纹的初步设计图纸，然后将初步设计图纸输入计算机，运用有限元模拟的方法，确定合理的公差范围，进而确定最终的设计图纸。3、实体膨胀管应力应变分析 从图5中可以看出，在摩擦系数为0.0时(即无摩擦的理想情况)，整个膨胀过程中，套管内的轴向位移均为正值，说明在膨胀过程中，套管始终处于轴向收缩位移状态。 图5膨胀套管轴向位移与摩擦系数曲线在4个不同的摩擦系数下，随着摩擦系数的减小，膨胀套管的残余应力在增加；当摩擦系数为零时，膨胀套管内的残余应力最大；当摩擦系数为0.15时，膨胀套管内的残余应力最小，见图6。因此在减小膨胀套管内的残余应力时，应确定合理的摩擦系数，以保证膨胀套管不失效破坏。图6不同摩擦系数下，套管内的残余应力曲线4、体膨胀管内涂层材料选择及涂覆技术研究膨胀管内涂层的主要目的为减低膨胀所需摩擦阻力，提供膨胀管防腐层。根据理论分析和实际应用情总，选取的内涂层基体材料为石墨。石墨材料具有摩擦系数低、耐腐蚀等优点，是膨胀管内涂层涂料的最佳选择。针对石墨的涂覆方法进行了研究。涂覆方法是：用粒径为3045微米的石墨，以环氧树脂为粘结剂，组成比例是石墨含量为5570，调成石墨乳；将待喷试件预热至800C；用2巴的干燥空气进行喷涂；放置4小时后，检测表明，粘结效果良好。用以上述方式涂覆的三个石墨涂层试样，一个用塞克54涂料涂覆的试样共四个试样进行了摩擦试验。实验在石油大学应用摩擦学研究室进行。结果显示石墨涂层的摩擦系数在0.100.15之间，塞克54涂料试样的摩擦系数较大，为0.25。5、实体膨胀管技术地面膨胀试验试验采用液压推动膨胀锥使膨胀管膨胀的方式进行。试验内容包括膨胀启动器、实体膨胀管以及其间的连接螺纹。膨胀管膨胀前的初始外径为108mm，内径为94mm，长度为9.6m，膨胀后的外径为119.3mm，内径为105.6mm，长度缩短为9.15m，膨胀比（内径）为12.34。整个膨胀过程持续约10分钟，膨胀过程安全、顺利。膨胀后的实体管及连接螺纹保持了完整的机械性能及水力密封性能，验证抗内压已达到35Mpa以上，待进一步试验检测以验证其更高的抗内压能力及其它机械性能。本次地面膨胀试验建立在钻井工艺研究院三个专利申请的基础上，具有完全的自主知识产权，是国内在实体膨胀管及可膨胀连接技术方面进行的首次成功地面试验，标志着实体膨胀管技术距离现场工程应用向前跨进了决定性的一步，极大地促进了国内在该项技术领域的研究及开发，为实体膨胀管技术这一国际领先的技术在我国的推广应用打下了坚实的基础。6、实体膨胀管悬挂密封技术试验实体膨胀管与原套管内壁之间的悬挂与密封技术采用高耐温、高强度橡胶材料，膨胀后紧密的与原套管内壁接触，从而达到密封与悬挂的目的。橡胶筒粘结在膨胀管外部，膨胀管膨胀后，橡胶筒被紧紧地压在外层套管和衬管中间，橡胶筒的厚度根据不同的外层套管尺寸而不同。根据试验结果，108mm膨胀管用橡胶筒膨胀后在36MPa的压力作用下，稳压5min，外层套管与膨胀管之间没有泄漏，同时也没有相对位移。橡胶筒计算悬挂能力31.7T，平均每只橡胶筒的悬挂力15.8T。根据实际