实体膨胀管技术研究的新进展

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。

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10~30%。

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

图1 实体膨胀管

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：

●固井质量没法保证。

在φ139.7mm套管中，与φ101.6mm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。

●防砂、增产作业困难

φ118mm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：

●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。

●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。

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

图2 实体膨胀管修补套管

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α为芯头锥角，Ⅰ为润滑辅助区，Ⅱ为膨胀区，Ⅲ为定径区。

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1D 应该小于管子膨胀前的内径d ，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。 αtan 232d D l -= (1.1)

式中 3D — 膨胀锥定径区的直径。

锥角α的选择考虑了以下几点因素：

①使变形区的金属流动尽量流畅；②有利于使润滑剂在膨胀区建立流体润滑条件；③有利于管子轴线与膨胀锥轴线重合，使膨胀力方向正确；④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。

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