膨胀管技术研究及在油田的应用

膨胀管技术研究及在油田的应用

王燕新;刘兴国;周启成

【摘要】膨胀管是一项用于钻井、完井和修井作业过程中的新技术,它能有效解决井眼变径和套管损坏等作业难题,又可以为作业节约大量成本,被认为是二十一世纪钻井和采油行业的核心技术之一.本文主要从膨胀管在国内外发展状况、不同类型膨胀管工作原理及其优缺点和在油田的应用情况进行了介绍,为以后该技术的应用推广提供了理论依据.

【期刊名称】《内蒙古石油化工》

【年(卷),期】2013(000)024

【总页数】2页(P112-113)

【关键词】膨胀管;钻完井;套管层次;套损修复

【作者】王燕新;刘兴国;周启成

【作者单位】塔里木石油勘探开发指挥部第四勘探公司,新疆库尔勒841000;长江大学石油工程学院,湖北武汉430100;长江大学石油工程学院,湖北武汉430100;长江大学石油工程学院,湖北武汉430100

【正文语种】中文

【中图分类】TE256

从能源发展角度来看,石油依然处在世界能源发展的前沿位置,石油钻探和开发也正朝着深地层、浅海以及深海领域发展,这也逐渐加大了石油钻井的难度.在钻井过程

中,钻遇深井、超深井、高温高压井以及漏失严重和枯竭储层时,以前的钻井技术都是采用直径大小不同的钻头钻进,然后下入不同大小直径的套管进行固井以达到封固不同储层.利用这种固井完井方式,井深越深,套管层数越多,井眼直径要求就越大;相反,如果直径大小一定,钻成的井眼直径就会很小,在未钻至目的层时就已无法将钻头下至井底;或者即使已经钻至目的层,井眼直径太小,根本无法满足后期采油、增产以及套管损坏后修复作业的要求.石油技术人员一直在寻找一种更好的解决方法,以达到既安全又快速高效钻至目的层,最理想的方法就是用同直径钻头钻井,然后用同直径套管固井和完井,膨胀管技术的问世就可以很好的满足这种要求.

二十世纪八十年代,壳牌公司的石油工程研发人员就开始研究膨胀管技术,并在一九九九年十一月使该项技术进行了首次成功的油田现场应用.从那以后,膨胀套管无论在技术方面还是经济效益方面都获得了很大地成功.膨胀管技术的概念在2000年引入国内,但直到2001年才引起国内钻井行业的足够重视.我国对膨胀管的研究,主要从套管损坏修复工作着手,以套管补贴为研究对象.而对于膨胀管管材选取的研究,大多都采用了以下两条基本技术路线:一种是在国内所生产管材中进行优选,然后再不断加快自我研发进程;另一种是与一些单位进行合作,研究并开发出专用的膨胀管管材,从而满足膨胀管技术发展的要求.经过这几年不懈的努力,膨胀管技术在国内钻井、完井及修井等作业中也得到了一定程度的应用.

1 膨胀管分类

膨胀管是一种由低碳钢经特殊加工而制成的套管,根据它本体结构不同可以分为实体膨胀管和割缝膨胀管两种.

实体膨胀管可通过机械方式或液压方式使膨胀锥通过膨胀管柱,从而令管柱发生永久性胀大,膨胀率可达10%~30%;割缝膨胀管只能通过机械方式胀管,但割缝膨胀管的膨胀率要比实体膨胀管大很多,最大可达60%.

2 工艺原理

膨胀管胀管的过程改变了膨胀管的组织结构和机械性能,使它的强度指标得到提高,而塑性指标下降.通过选择或调整膨胀管管材、控制膨胀率等技术手段,在完成胀管过程后可以获得满意的机械性能指标,从而满足石油钻井和采油的使用要求.

实体膨胀管胀管工作过程.将膨胀管管柱下入井下预定位置后,从芯轴内注入高压胀管液(清水或泥浆),在胀头下端与下堵头间形成高压容腔,当高压容腔内的压力达到一定值时,就会驱动膨胀锥与下堵头间产生轴向反向相对运动,如果下堵头以及可膨胀管柱运动受到制约(例如下堵头碰到井底等),则膨胀锥将沿轴线向上运动.在膨胀锥向上运动过程中,锥面将对可膨胀管内径以及外径进行膨胀;随着膨胀锥的轴向运动,整个膨胀管柱径向都会得到膨胀,膨胀锥到达膨胀管柱上端,最终与管柱脱离,胀管过程结束.它的胀管过程分为"从下到上"或"从上到下"两种方式(如下图)."从上到下"过程首先要完成膨胀管的坐挂,然后膨胀锥与膨胀管脱离连接,然后下放胀

管.Weatherford公司为此开发了旋转膨胀技术,在膨胀锥本体上有3个可旋转膨胀头,膨胀锥与膨胀管的相对滚动使它们之间的摩擦力更小."从下到上"是膨胀锥位于膨胀管底部,通过中心管注入钻井液或清水憋压形成压差,推动膨胀锥上行,同时上提钻具.Envenfure公司采用的就是此种方式.

膨胀管膨胀工艺过程

3 优缺点

在钻井中,采用膨胀管技术可以减少套管层次,使钻井能过到达更深的目的层.在修井中,膨胀管能够满足长井段的补贴要求,连接更简便,并且在膨胀后丝扣的密封性能依然良好.老井原有套管与膨胀管之间不需要填充其它介质,而是利用金属对金属的膨胀密封,接触面配合良好,因此两层套管之间无缝隙.膨胀补贴套管,能够对漏失部位进行有效封堵,同时加固了老井原有套管,提高了套管的抗外挤强度.膨胀管串两端的密封橡胶件具有耐压、耐高温、耐腐蚀的特性,可保证很长的有效期.

3.1 割缝膨胀管

3.1.1 优点

割缝管膨胀性好,膨胀后直径是原直径的几倍;所需要的驱动力较小,施工操作较容易;对管材的要求比较低,可以使用常规的套管管材,因此成本也比较低;主要应用于水平井完井所用的割缝筛管,还可以用作防砂筛管.

3.1.2 缺点

只可以用作技术套管,不能作为油层生产套管;使用割缝膨胀管时,固井方法只能采用平衡塞法,而不能采用顶替注水泥;割缝管强度较低、抗内压能力较差,主要通过水泥环的强度支撑井壁.因此,为满足水泥环的厚度和强度,必须对井筒进行扩眼;同时对水泥要求也较高,一般采用纤维水泥.

3.2 实体膨胀管

3.2.1 优点

实体管强度高,抗压、抗拉能力强,并且在膨胀前后强度变化不大;可以用作油层生产套管;固井过程中可以采用顶替法注水泥.

3.2.2 缺点

实体管的膨胀性较差,膨胀率仅有百分之二十五,并且膨胀过程中所需要的膨胀力接近割缝管的三十倍,实体管对管材的要求较高,所需成本也较高.

4 应用范围

目前膨胀管的应用领域主要有以下几个方面:优化井身结构,减少套管层次,减小井眼直径,节约钻井成本.应用于深井和超深井钻井时,可以减小井眼锥度,井身结构设计路径更多,因此可以钻达更深的储层.

封隔复杂地层.当钻井过程中遇到突发情况(井塌、缩径、井漏或高压油气层)无法继续钻进时,可以采用膨胀管封堵复杂地层,同时还不影响井径尺寸,为下一步继续钻进创造条件.

当设计套管因为某些原因无法下到预定位置时,可以通过采用膨胀管技术进行补救,