膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理分析

膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理分析

发表时间：2018-11-17T15:52:16.190Z 来源：《基层建设》2018年第28期作者：张强[导读] 摘要：在地质钻探的过程中，膨胀套管护壁技术逐渐发展成主要的方法。

安徽省煤田地质局第二勘探队安徽芜湖 241006

摘要：在地质钻探的过程中，膨胀套管护壁技术逐渐发展成主要的方法。基于此，文章将膨胀套管护壁技术作为主要研究内容，阐述其具体的研究现状与工作原理，希望有所帮助。

关键词：膨胀套管护壁技术；研究现状；工作原理

膨胀套管护壁技术是现阶段的全新技术，一般在石油开采领域中应用。此技术的应用时间并不长，且仅仅被应用于石油勘探和开采中。伴随膨胀套管护壁技术的深入研究与开发，在实际应用方面，不仅能够推进深部地质矿产勘探工作的有效进行，同时也能够为科学钻探提供有价值的参考依据，进一步优化国内石油钻井水平与城市管网的修复水平。由此可见，深入研究并分析膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理具有一定的现实意义。

一、膨胀套管护壁技术研究现状阐释

膨胀套管护壁技术属于新型技术，但是在其实际发展的过程中，国内外研究的成果与进度有所差异。为此，以下将通过国外研究与国内研究两个方面对膨胀套管护壁技术的研究现状展开讨论。

（一）国外研究

国外膨胀套管护壁技术的研究始终处于初级开发阶段，而所开发的膨胀套管也只有有缝和无缝两种类型，在采油与定向钻井当中得到了有效地应用。而所开发的膨胀工具主要包括实心锥反拉膨胀工具与旋转拟和膨胀工具两种类型[1]。

在实际钻进的过程中，若遇到了不稳定的孔段、漏失地层、容易坍塌的地层与高压异常的地层，采用套管护壁，就能够保证套管的下入，随后将小一级别的钻头下入，但孔深的结构相对复杂，所以会直接增加钻进的成本支出。通过对膨胀套管的使用即可对以上问题加以解决，特别是应急套管并不需要将井眼的尺寸减小，仅仅将问题井段隔离即可，无需选择对整个孔段隔离，有效地降低井筒管壁的层数，使得孔眼的尺寸达到最大，有效地节省钻井的成本。

（二）国内研究

在我国，对于膨胀套管的研究也并不多，但是研究的重点始终为膨胀套管应用于油管修复与采油领域。另外，针对非开挖旧管替换技术而言，即便与膨胀套管有相似之处，但仍存在明显的差异。在地质岩心钻探方面引入膨胀套管护壁技术的研究并不多。

二、膨胀套管护壁技术工作原理研究

对膨胀套管护壁技术的工作原理研究，集中表现在几个方面，即膨胀套管的基本类型、材质的选择、膨胀器的设计、膨胀管的膨胀机理、膨胀方式。以下将展开系统化地研究与分析，以供参考。

（一）膨胀套管基本类型

第一种类型，即有缝膨胀套管，一般在临时隔离涌水或者是遇水膨胀缩径、坍塌与破碎等复杂的地层中被广泛应用；

第二种类型，即无缝膨胀套管，包括圆形的断面与八字形的断面，在漏失程度严重且要求长时间护壁处理的孔段应用较为常见[2]。

对比有缝膨胀套管与无缝膨胀套管，有缝套管的护壁效果理想，而且具有一定的强度。

（二）材质选择方面

膨胀套管护壁技术对于管材的性能要求集中表现在以下几个方面：

要求在膨胀以后，具备充足强度，而且孔内的密封性亦或是封隔作用理想；具备必要的延展性，且膨胀容易，实际成本支出不高，尽可能采用金属工业既有管材，为更好地实现工业化提供必要的保障。

现阶段，在石油工业当中，并未对特殊管材进行使用，且使用使用的是既有的石油套管材质。而最主要的原因就是对成本支出与工业化进行了综合考虑，而且在石油钻探与生产的过程中，地面的钻机与泥浆泵相对较大，也为使用高强度管材膨胀提供了必要的保障[3]。然而，地质勘探则不同，钻机与泥浆泵能力并不大，且钻孔不深，对于膨胀管强度的要求并不高，最重要的目的就是堵漏。为此，在地质钻探的过程中，要尽可能选择使用小强度且壁厚不大具有理想延展性的低碳钢管材。

（三）膨胀器设计方面

在实际膨胀的过程中，对于膨胀器的形状要求集中表现在以下四个方面：

第一，回转以后，膨胀器横截面的尺寸不发生改变；

第二，膨胀器和膨胀管接触带要窄，即可保证阻力不大；

第三，膨胀管在膨胀以后，形状的回弹量不大；

第四，膨胀管膨胀以后的内部要光滑。

（四）膨胀管膨胀机理方面

受到外力作用的影响，通过机械亦或是液压等方式，对膨胀器进行驱动，以保证膨胀管出现永久性的机械变形。在这种情况下，径向的直径就会随之扩大。在应力超出金属屈服极限的情况下，就会进入到塑性变形区域，进而产生塑性变形的情况。一旦超过金属屈服极限应力载荷被及时撤除以后，金属的弹性就会回缩。这样一来，以反方向为金属施加必要的应力，即可确保金属在短时间内进入到屈服的状态，并进入到塑性区域之内，一般被称作金属包辛格效应。当金属发生塑性变形以后，包辛格效应则会导致膨胀管发生膨胀以后的抗外挤强度不断下降。在应力超出膨胀管的强度极限以后，则会出现破坏性的变形情况[4]。由此可见，任何材料都具备自身的变形极限，所以在使用膨胀套管的过程中，就必须要在其膨胀极限的范围之内确保其安全。

（五）膨胀方式

一般情况下，膨胀套管膨胀的方式多种多样，集中表现在液压膨胀、机械膨胀与气压膨胀等多个方面。由于膨胀套管被应用在钻探生产的过程中，所以在选择方面要尽可能对既有钻探设备与既有机具加以利用，有效地规避增加其他的设备。综合考虑地质钻探的基本特征，可以采用机械膨胀的方法。而在机械膨胀中，还包含了旋转拟合与实芯反拉两种形式。

所谓的实芯反拉膨胀，具体指的就是对实芯膨胀锥加以利用，并受到外力作用影响，能够保证膨胀器始终处于轴线运动的状态。而在经过套管的情况下，截面的面积就会不断增加。这种形式的基本特点就是所选择使用的膨胀器十分简单，而且结构的变化多种多样，在发生膨胀的过程中，摩擦阻力所需要的膨胀力相对较大，而且地面设备要能够提供较大的膨胀力与套管锚固力，在大口径且大规模的作业设备中具有一定的适用性。

对于旋转拟合膨胀方法来讲，则是对自携带可以旋转的小锥轮膨胀器加以利用，在发生膨胀的过程中，膨胀器能够作轴线运动的同时，做出旋转运动。而在小锥轮和膨胀套管相互接触的情况下，会受到摩擦阻力的影响，并在伴随膨胀器公转的情况下，可以沿着中心线自动旋转。所以，在膨胀的情况下，膨胀力并不大，一般在小型设备小口径钻孔施工建设中被广泛应用。

结束语

综上所述，地质岩心钻探的过程中，对膨胀套管护壁技术的应用始终处于探索与研究的层面。为了实现膨胀套管护壁技术的成功研究，并达到推广应用的目的，就必须要全面革新地质钻探护壁堵漏技术。只有这样，才能够对当前国内地质钻探护壁堵漏的问题予以完善并改善，同时为其他领域对膨胀套管护壁技术的应用奠定坚实基础。

参考文献

[1]于好善,王成彪,杨甘生,等.膨胀套管护壁技术研究现状及其工作原理[J].探矿工程（岩土钻掘工程）,2011(3):1-4.

[2]于好善,王成彪,杨甘生,等.膨胀套管技术与膨胀成型仿真分析[J].地质与勘探,2011(4):692-698.

[3]王秀丽.膨胀管技术在地质勘探中的深孔护壁方面应用[J].黑龙江科技信息,2012(34):13-13.

[4]徐树斌,吴翔.地质勘探应用膨胀管时膨胀力问题的研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程）,2012(1):14-17.