膨胀管应用及技术研究

膨胀管应用及技术研究
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庄德宝
(黑龙江省大庆市第九采油厂新站作业区采油二队,黑龙江大庆　163511)
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
中图分类号:T E 925+.2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)07—0103—02 膨胀管技术于20世纪80年代晚期诞生于壳牌石油公司[1],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。

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。

1.2　两种可膨胀管的优缺点1.
2.1　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;成本较低;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。

1.2.2　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本一致;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;成本较高。

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
2.1.1　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本。

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。

2.1.2　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
2.2.1　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。

2.2.2　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。

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　2012年第7期 内蒙古石油化工
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收稿日期5
作者简介庄德宝(),男,就职于黑龙江省大庆市第九采油厂新站作业区采油二队。

::2012-02-1:1984-
2.2.3　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　膨胀管连接螺纹的研究
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,在借鉴大量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[4]。

该连接螺纹具有以下特征:接头采用直接加工在管子上的螺纹连接,为无接箍式螺纹,需要对内、外螺纹同时进行冷磷化处理;螺纹采用改进的偏梯形螺纹,螺纹齿形为倒钩式,内外螺纹紧密咬合,强度高,该螺纹承载面角为9°,导向面角为10°,齿高为1.575mm;选用锥面/锥面密封形式,密封锥度为1∶5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。

3.2　驱动系统(驱动头)的研究
在对金属管材扩径膨胀芯头调查研究和理论分析的基础上,结合国外膨胀套管作业实践,设计了膨胀锥几何模型,见图1。

图1中,a 为芯头锥角,Ⅰ为润滑辅助区,Ⅱ为膨胀区,
Ⅲ为定径区。

图　膨胀芯头外形结构　图　膨胀芯头几何尺寸
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
止管壁发生大幅度回弹。

3.2.1　润滑辅助区的直径与长度
润滑辅助区的作用主要有2个,一是膨胀时将润滑剂良好地带入膨胀区,二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2。

根据管材冷加工经验,如果是经过退火处理的膨胀管,则d -D 1E 0.8。

该段的长度主要对膨胀管起导向作用,不宜过长,一般可取其值为0.4～0.7d 。

3.2.2　膨胀区的长度与椎角
从图4所示的几何关系可以很明显地看出,膨胀区圆锥段的长度l 2可由下式来确定:
l 2=D 3-d 2tanA
式中:D 3—膨胀椎定径区的直径。

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,建议在具体设计时最好采用小锥角芯头,一般以6°～12°为宜。

3.2.3　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.lmm )。

该段的外径等于管子膨胀后所要达到的内径。

4　结论
4.1　膨胀管技术是解决井下复杂地层顺利施工的有效手段。

尤其是对深井和探井,更具有广阔应用前景,被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。

4.2　可膨胀管技术是一项富有生命力的新兴技术,所涉及的研究内容较多,其技术研究集中在材料学研究、可膨胀管的连接、驱动系统研究、配套工艺研究等。

4.3　可膨胀管的管材应具有较低屈强比、较高的变形硬化指数、无明显的屈服现象等性质。

4.4　从理论上确定精确的最佳椎角数值是非常困难的,建议在具体设计时最好采用小椎角芯头,一般以6°～12°为宜。

[参考文献]
[1]　余金陵,周延军,王锡洲.膨胀管技术的应用研
究初探[J].石油钻探技术,2002,30(5):55～57.
[2]　Filippov A ,Mack R ,Cook L ,et al .Ex-pandable T ubular Solutions [R ].SPE 56500.
[3]　Ruggier M,Benzie S,U relmann R,et al.
x T y [R ]S I D 66[]　谢香山油井管特殊螺纹接头的发展[]钢
管,,(5)～104
内蒙古石油化工 2012年第7期　
12Advances in E pandable ubuing-A Case Histor .PE /A C 778.
4.J .200029:912.。