膨胀管概述及技术研究(DOC)

膨胀管概述及技术研究

张继红1ZhangJihong 刘明君2LiuMingjun

摘要：膨胀管技术诞生于20世纪80年代，主要用来优化井深结构、预防井壁掉块及坍塌、封堵高压层或低压漏失层、修补井中损坏的套管等。被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。本文主要介绍了可膨胀管的分类及优缺点，以及可膨胀管的相关技术研究。

关键词：膨胀管；膨胀椎；套管；

膨胀管技术于20世纪80年代晚期诞生于壳牌石油公司[1]，在这之后的一段时间里，发展非常迅速。90年代末期达到了商业化应用水平，目前在国外有多家石油技术服务公司可以提供膨胀管的技术服务，其中最有名的是壳牌和哈里伯顿合资的Enventure公司[2～3]。国内多家公司和科研机构也在从事膨胀管技术的研究，但多是理论及实验室的研究。

膨胀管是一种由低碳钢经特殊加工而制成的套管，由于含碳量低，膨胀管比普通套管柔性好，可朔性强。可膨胀管技术就是将待膨胀的套管下到井内，以机械或液压为动力，通过冷挤扩张的方法，由上到下或由下到上，通过压力或拉力使膨胀工具通过待膨胀的套管内孔，使其内径或外径由于朔性变形膨胀至设计的尺寸，从而完成待定工程目的的一种技术。

膨胀管技术具有以下优点：○1可有效地解决复杂地层的井壁稳定问题；○2减小井眼锥度、增加套管下深，以尽可能大尺寸井眼完井；○3可以减少上部井眼的尺寸和套管层数；○4修复套损井；○5使完井具有更大的灵活性；○6能改善尾管悬挂器的密封效果；○7可大大降低钻井成本；○8可取代砾石充填,降低完井成本。因此，膨胀管技术被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。

1 膨胀管的分类及优缺点

1.1 可膨胀管的分类

可膨胀管根据其结构的不同，可分为纵向波纹管、实体膨胀管（SET）和割缝膨胀管（EST）三种。其中，纵向波纹管技术是事先将套管压扁成腰状（如图1a），下入井中后再用专用工具将压扁部位胀开。割缝膨胀管有一系列串联的,互相交错的轴向割缝,割缝的布置使管柱易于膨胀。后来在割缝膨胀管的基础上又发展出专门用于防砂的膨胀防砂管。纵向波纹管成本较高,而且不能作为技术套管,只能作为套管补贴用。因此本文重点介绍实体膨胀管和割缝膨胀管。

图1 纵向波纹管和可膨胀实体管

1.2 两种可膨胀管的优缺点

（1）可膨胀割缝管的优缺点：

可膨胀割缝管的优点：膨胀性能好，直径可达原来的3倍；驱动力小，容易实施作业；选材要求不太苛刻，可借用常规套管或焊管；成木较低；可用作水平井完井的割缝筛管；可用作防砂筛管。

可膨胀割缝管的缺点：不能用作生产套管，只能用作技术套管或应急套管；不能用顶替方法注水泥固井，只能用平衡塞的方法；机械性能较差，抗内压主要依靠水泥环的强度和质量；为了保证水泥环的厚度，必须扩眼，对水泥浆性能也有特殊要求，一般使用纤维水泥。

（2）可膨胀实体管的优缺点：

可膨胀实体管的优点：可用常规的顶替注水泥固井方法；机械性能较好，抗内压、外压及抗拉应力大，尤其抗内压的性能与未膨胀前基木一致；可用作生产套管；可用作尾管悬挂器。

可膨胀实体管的缺点：膨胀性能差，最大膨胀率约25%，膨胀力大，约为可膨胀割缝管的30倍；对选材的要求高；成木较高。

2 膨胀管技术的应用

随着深井、超深井逐渐增多，施工过程中钻遇的不同压力层以及盐膏层、油气水层、坍塌层、漏失层越来越多，钻井的难度越来越大，油公司对投入产出比也越来越敏感。膨胀管技术的诞生部分地解决了钻探和生产中的难题，在石油勘探开发过程中，膨胀管技术主要应用于以下情况:

2.1 钻井方面

（1）优化井身结构。在深井钻井设计中，为了钻穿不同压力层系的地层以及易缩径、坍塌或易发生井下漏失的地层，常规的作法是用不同直径的套管封隔各层段地层。在套管程序设计上应用膨胀管技术，可减少套管层次，在保证下部井径尺寸不变的情况下，可使上部井眼采用较小尺寸的技套，从而提高机械钻速和降低钻井成木。对于超深井，可减少井眼锥度，提高处理井下突发事故的能力，从而钻更深的井眼，以便顺利达到勘探开发目的。

（2）封隔缩径、坍塌、井漏或局压层。对于在钻井设计中没有预料到的恶性的井眼缩径、井壁坍塌、地层漏失或高压，如果通过处理和调整钻井液性能的方法仍难以凑效，最常规的方法只能通过补下一层技套来封隔

2.2 套管修补作业方面

（1）修补磨损的技术套管。在确定了损坏的套管的具体位置后，采用内衬可膨胀管，在牺牲极少的技术套管内径的情况下，可恢复技术套管的承压能力，在保证施工安全的前提下继续下一步作业。

（2）修补老井生产套管。对于投产多年的油井，可用膨胀管技术修补由于抽油杆磨损或地层流体腐蚀等原因造成的生产套管的破损。

（3）封隔射孔层段。对于用挤水泥等常规作业不能封隔的射孔层段，可用膨胀管技术，封固不必要的产油、产气或出水层段，从而优化注水、注气或产能。

2.3 完井作业方面

在深井或者老井开窗侧钻井中，随着井眼的不断加深，套管层次越来越多，井眼直径越来越小。完井套管直径太小，不能有效地提高生产井产量，也满足不了完井作业、生产作业和将来修井作业的要求。膨胀管技术在不改变上部井身结构的情况下，可使生产套管具有更大的直径，以提供更大的井下作业空间和产能表面积，既为将来完井管柱和修井作业提供更多选择，又可提高产量，便于将探井转换为具有经济产能的生产井。

3 可膨胀管技术研究

3.1 材料学研究

可膨胀管的材料必须具有足够高的变形能力，且膨胀后的力学性能基本能达到普通套管的水平。在研究可膨胀套管管材过程中曾使用过低碳不锈钢、低碳合金钢、高压锅炉钢等，目前采用常规套管材料，如L-80、K-55。国外针对L-80、K-55做了大量研究，试验表明，膨胀后管材的性能仍能满足API标准的要求(如表1)。

表1 L-80、K-55膨胀前后的力学性能

材料性能API 5CT 未膨胀膨胀20%

L-80

硬度HRB 241（最大）200-205 217 屈服强度σ0.2/MPa 551.6（最小）567.4 568.1 抗拉强度σb/MPa 655.0（最小）668.14 722.6 屈强比0.84 0.85 0.79 伸长率/% 14.0（最小）27.1 19.4

K-55 屈服强度σ0.2/MPa 379.2（最小）484.00 547.4 抗拉强度σb/MPa 655.0（最小）761.9 799.8 屈强比0.58 0.64 0.68 伸长率/% 9.5（最小）26 22

由表1可知，经20%膨胀后，由于加工硬化的作用，L-80、K-55的抗拉强度都有所提高，伸长率都有所降低，由于膨胀残余应力的影响，屈服强度数据较分散，但所有数据均满足API5CT的要求。膨胀后的管材冲击韧性有所降低，同时由于包申格(Bauschinger)效应的影响，膨胀后的套管抗挤强度降低约30%左右，如L-80的抗挤强度在膨胀后会比API Bulletin 5C3稍有降低，但通过一种特殊的工艺可使其得到部分恢复。

表2 Al-killed C-Mn 钢膨胀前后的力学性能