可膨脹管技術(shù)研究進(jìn)展與工程應(yīng)用

齊國權(quán)，楊 釗，上官豐收，楊力能，白 強(qiáng)，武 剛

（中國石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）①

隨著石油勘探開發(fā)向深層、超深層以及復(fù)雜地層發(fā)展，不同壓力層、油氣水層、鹽膏層、漏失層和坍塌層變多，使得鉆井難度及石油勘探開發(fā)的難度日益增大［1－3］。目前，鉆進(jìn)方式主要是用非單一直徑的鉆頭鉆井技術(shù)，用具有不同直徑的套管以套筒形式進(jìn)行層層封固完成。這樣形成的井身呈現(xiàn)錐形漏斗狀的結(jié)構(gòu)，隨著井深的增大，套管層次增多，最初的井眼直徑也就越大。若起始直徑一定，則最終的井徑就會變小，其結(jié)果就是可能鉆不到目的層，即使鉆到目的層，也可能因為井眼過小而不能滿足開采及其他作業(yè)要求［4］。另外，作為油井的重要組成部分，套管一旦損壞，將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)油田部門的統(tǒng)計，1口套損井平均1a影響產(chǎn)油量多達(dá)500t。套管的損壞形式有很多種，但主要是套管變形。目前，復(fù)雜套損（大段彎曲、多處損壞和嚴(yán)重錯段）呈現(xiàn)逐年增多的趨勢［5－6］。對于油水井，一旦發(fā)生套損，只能投入大量資金進(jìn)行側(cè)鉆等修復(fù)措施，否則就只能報廢。套損井的綜合治理費用包括地面工程、鉆井和井下作業(yè)等相關(guān)方面的投入，其費用可高達(dá)￥150萬元。在石油行業(yè)中，套損是一項世界級難題，各個石油公司都不同程度的受其影響。以我國的三大石油公司為例，近年來因為套損而帶來的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)每年￥30億元［7］。石油開采過程中還存在諸多其他問題，例如常規(guī)尾管懸掛器造價高以及故障率高等問題。為了解決目前采油過程中遇到的技術(shù)難題，可膨脹管技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在套管補(bǔ)貼、尾管懸掛器和砂控等方面［8－9］。然而，可膨脹管技術(shù)是一項系統(tǒng)工程，涉及到石油鉆井、油藏、采油、修井、完井、機(jī)械和材料等多個領(lǐng)域。膨脹管的膨脹機(jī)理涉及到金屬力學(xué)及金屬變形機(jī)理等諸多問題，因此仍需研究的內(nèi)容很多。

1 可膨脹管技術(shù)的研究進(jìn)展

目前，以 Halliburton、Shell和 Weatherfold為代表的公司已經(jīng)成功地將可膨脹管技術(shù)應(yīng)用于各大油氣田，由Shell和Halliburton聯(lián)合成立了Enventure公司，已成為膨脹套管技術(shù)公認(rèn)的市場主導(dǎo)者。國內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)與大學(xué)也開展了理論研究和室內(nèi)試驗，其中包括中石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院、鉆井工程技術(shù)研究院、天津大學(xué)和西安石油大學(xué)等，已取得了許多成果［10－11］。2010－09－17，中國石油天然氣集團(tuán)公司具有自主知識產(chǎn)權(quán)的膨脹式尾管懸掛器于2010－09－17在哈薩克斯坦試驗成功。這次試驗不僅是面向海外的首次商業(yè)應(yīng)用，而且打破了國外公司在技術(shù)上的壟斷，標(biāo)志著中國石油天然氣集團(tuán)公司在可膨脹管技術(shù)方面取得了重大突破。

1.1 膨脹管材料

膨脹管材料一直是制約可膨脹管技術(shù)工程應(yīng)用的重要因素。為達(dá)到膨脹工藝的要求，膨脹管材料不僅要具備較好的變形能力，而且其力學(xué)性能在膨脹后要達(dá)到普通管的同等水平。此外，出于對惡劣工作環(huán)境的考慮，所要求的材料要具備高強(qiáng)度、高塑性及抗腐蝕、耐磨損的能力。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年研究積累，目前認(rèn)為K55、L80、N80、S95和P110級套管可用于膨脹管材料。另外，Enventure與Lone Star Steel共同開發(fā)了LSX80新型膨脹管材料。在材料設(shè)計過程中通常會存在一個矛盾，即材料強(qiáng)度提高時，塑性下降；材料塑性提高時，其強(qiáng)度下降。由此，天津大學(xué)的許瑞萍［12］提出了同時具有高塑性、高強(qiáng)度及高加工硬化率的可膨脹管材料的設(shè)計準(zhǔn)則，并首次提出“材料的強(qiáng)塑性”概念，即材料在退火狀態(tài)下的拉伸強(qiáng)度和延伸率的乘積。為方便石油膨脹管材料的設(shè)計，推導(dǎo)出鐵基合金ε馬氏體的相變起始溫度 MS（ε）的計算式，即

式中，Δxi為與標(biāo)準(zhǔn)合金比較時的元素原子百分比的變化；Δfi為單位原子百分比的合金元素對層錯的影響。

肖國章［13］指出，相比較于無縫管，ERW套管用作膨脹管具有更大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)如下：

1） ERW膨脹管具有較小的殘余應(yīng)力、較好的抗外擠能力及不均勻變形小的特點。

2） 良好的延伸性。

3） 壁厚均勻，同心度較好，熱處理后組織均勻，力學(xué)性能等各項性能優(yōu)于無縫管。

4） 沖擊韌性好。

5） 焊縫與機(jī)體材料的性能指標(biāo)基本一致，使得套管膨脹均勻性較好。

6） 成本低，成材率高。

1.2 膨脹錐

膨脹錐是膨脹技術(shù)主要組成部分，其可分為3個區(qū)域：導(dǎo)向區(qū)，膨脹區(qū)和定徑區(qū)。出于工程和工藝角度考慮，在保證膨脹力最小的情況下，在膨脹管建立良好潤滑條件，使得膨脹錐和膨脹管兩者的軸線相重合，從而保障膨脹過程順利流暢。

典型的膨脹工藝可以分為2類，即“自上而下”和“自下而上”膨脹工藝［14］。2種工藝相比，“自下而上”的膨脹方式的軸向總位移較大，且其軸向總位移隨摩擦因數(shù)的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢；“自上而下”的膨脹方式卻與此相反。此外，“自上而下”的膨脹方式需要的膨脹力較大，其膨脹力的變化會隨著摩擦因數(shù)的增加而呈現(xiàn)先降低后上升的變化趨勢。

膨脹錐的作用力大小與管柱的力學(xué)性能和幾何尺寸等因素有關(guān)，其作用是促使可膨脹管膨脹。目前，以研究應(yīng)用為目的的驅(qū)動頭分為固定式和可變徑膨脹錐2種，其中固定式結(jié)構(gòu)簡單但工藝性較差；而可變徑式既能保證膨脹管的膨脹，又便于操作。

Mohawk energy公司研發(fā)出了雙錐膨脹系統(tǒng)（Twin Cone Expansion），工藝流程可以分為3部分：①系統(tǒng)處于待工作狀態(tài)，此時2個膨脹錐相接觸（如圖1a）；②在驅(qū)動力的作用下，較小的膨脹錐沿軸向運動（如圖1b）；較大的膨脹錐在驅(qū)動力作用下運動并靠近小膨脹錐（如圖1c）。相比較于單錐膨脹，雙錐膨脹工藝能明顯降低膨脹力，因此增加了可膨脹性設(shè)計的可能性，膨脹率可高達(dá)32%，且可膨脹厚壁管材。

韓中軒等［15］利用有限元軟件，著重從膨脹錐角與推進(jìn)錐體所需的液壓力的不斷變化關(guān)系出發(fā)，將API標(biāo)準(zhǔn)的107.95mm（4英寸）和193.675mm（7英寸）套管進(jìn)行膨脹，研究錐角為多大時所需的液壓推進(jìn)力為最小，獲得最優(yōu)的錐角。前者獲得最小液壓推進(jìn)力時錐角約為8°，后者錐角約為10°。

圖1 雙錐膨脹系統(tǒng)示意

1.3 內(nèi)涂層

關(guān)于膨脹過程中的摩擦理論研究尚未見報道，目前主要集中在試驗研究階段。膨脹錐和管材之間的潤滑狀態(tài)直接決定了膨脹過程摩擦因數(shù)的大小，因此改善膨脹過程的潤滑狀態(tài)、選用好的潤滑劑、降低摩擦因數(shù)、對膨脹過程非常重要。張建兵等［16］認(rèn)為潤滑措施有3種：①對膨脹管內(nèi)表面進(jìn)行潤滑處理措施形成潤滑膜；②在膨脹過程使用輔助潤滑劑；③向膨脹工作液中加入潤滑材料。

殼牌（Shell）公司發(fā)明了一種帶有潤滑系統(tǒng)的膨脹錐，該系統(tǒng)在膨脹過程中可減小膨脹錐與管體內(nèi)表面的摩擦因數(shù)，這一發(fā)明的缺點是增加了膨脹裝置的復(fù)雜程度。作為固體潤滑材料之一，粘結(jié)固體潤滑膜是將固體潤滑劑分散在無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑中，然后采用與油漆涂裝工藝相類似的方法在部件表面涂敷成膜以降低磨損和摩擦的一種新型潤滑技術(shù)。朱海波等［17］對雙馬來酰亞胺基（BMI）固體潤滑膜進(jìn)行了深入研究，研究表明：

1） 在室溫至150℃范圍內(nèi)，這種固體潤滑膜具有良好的摩擦性能。

2） 石墨填充量能有效改善其摩擦、磨損性能，當(dāng)其含量為40%～50%時，固體潤滑膜的抗摩擦、磨損性能較好。

此外，實體膨脹管的地面試驗研究表明：不僅其涂層壽命能夠滿足一次性使用的要求，而且其內(nèi)涂層摩擦性能較好。

1.4 螺紋連接

整個管柱能夠膨脹成功的關(guān)鍵是如何保證膨脹前后及膨脹過程中套管的抗拉、抗壓及連接密封的完整性。采用傳統(tǒng)的套管螺紋連接，一方面在膨脹過程中及膨脹后由于氣密封性會出現(xiàn)問題而導(dǎo)致不能滿足套管連接的要求；另一方面是可能會在連接部位有工作液泄露而導(dǎo)致膨脹過程無法完成。為了滿足膨脹管力學(xué)性能及密封的完整性，近幾年，專門用于膨脹管連接的特殊螺紋被廣泛研究和發(fā)展并取得成功。

為了克服常規(guī)螺紋不能直接加工于無接箍且壁厚較薄的膨脹套管上的技術(shù)缺陷，練章華等［18］設(shè)計了一種具有很好的密封完整性以及膨脹強(qiáng)度均勻性的單鉤形螺紋連接的端面金屬自然密封膨脹套管接頭。該接頭主要由具有單鉤形的公螺紋接頭、母螺紋接頭、特殊梯形橡膠密封圈、單鉤形螺紋接觸面、母接頭密封槽，公母接頭單鉤密封面以及端面金屬自密封面等組成，如圖2。該單鉤形螺紋聯(lián)接接頭具有3次密封功能：金屬端面密封（1次密封）、橡膠密封（2次密封）和螺紋鉤面金屬密封（3次密封）。

圖2 特殊梯形密封結(jié)構(gòu)及其位置

1.5 數(shù)值模擬研究

由于膨脹套管膨脹過程屬于高度非線性彈塑性接觸大變形問題，很難用解析方法或其他一般的理論求得其精確解。近幾年，有限元在工程分析的廣泛應(yīng)用，尤其是基于非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理的有限元分析方法的發(fā)展，為解決塑性大變形等非線性問題提供了有效的方法［19］。

梁坤等［20］根據(jù)彈塑性有限元理論，建立了膨脹套管膨脹所需膨脹液壓力與膨脹因素（膨脹錐錐角、膨脹率、摩擦因數(shù)等）的非線性接觸的有限元力學(xué)模型。結(jié)果表明：在其他條件相同的情況下，膨脹所需的膨脹液壓力隨摩擦因數(shù)或膨脹幅度增加而呈線性增大趨勢。另外，隨膨脹錐角的增大，膨脹液壓力呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律。謝慧等［21］基于彈塑性理論，利用有限元分析軟件ANSYS建立了實體可膨脹管膨脹過程的非線性有限元模型，對膨脹過程以及螺紋接觸進(jìn)有限元仿真計算。重點研究膨脹過程對螺紋連接強(qiáng)度以及螺紋密封性能，快速準(zhǔn)確地為實體膨脹管技術(shù)研究提供需要的數(shù)據(jù)。

2 工程應(yīng)用實例

可膨脹管（ETT）技術(shù)可以分為2大類：①實體可膨脹管技術(shù)（SET），為金屬－金屬膨脹技術(shù)，包括尾管懸掛器（ELH）和套管補(bǔ)貼；②可膨脹割縫管技術(shù)（EST），為金屬－巖石膨脹技術(shù)，包括可膨脹防砂管（ESS）、可膨脹完井襯管（ECL）、裸眼井襯管（ABL）。

2.1 膨脹式尾管懸掛器

為了解決于3 139.44m處出現(xiàn)輕微鉆井液滲漏情況，Halliburton公司生產(chǎn)的規(guī)格為244.5mm×193.7mm（177.8mm）膨脹管式尾管懸掛器技術(shù)套管曾用于美國的 Antelope 4－5井的尾管固井［22］。

本次所用的懸掛器參數(shù)為：套管段直徑244.5 mm，單位質(zhì)量69.94kg／m；尾管段直徑177.8 mm，單位質(zhì)量38.69kg／m；鋼級 P110；尾管段長1 792.22～3 139.44m；尾管重力為510.78kN；套管鞋下深1 892.5m。通過此懸掛器的應(yīng)用，不僅能利用尾管懸掛器工具旋轉(zhuǎn)尾管解阻，而且完成尾管懸掛器坐掛和尾管頂端重疊段的隔離，簡化了工序；另外，還解決了尾管懸掛器坐掛狀態(tài)判斷困難等問題。

2.2 套管補(bǔ)貼

2006－01－12，勝利油田分公司東辛采油廠對永3×115井就行實體膨脹管套管補(bǔ)貼技術(shù)作業(yè)［23］。由于水泥返高在820m上下多處套損漏失，其中2個點在水泥返高下方，1個點在其上方。井段長，套損點多，導(dǎo)致了治理難度的增大。

選用Enventure公司開發(fā)的專利螺紋連接密封技術(shù)來解決密封性問題；補(bǔ)貼管為ESX 80鋼級；膨脹工藝為自上而下加壓，膨脹內(nèi)徑可達(dá)108mm。此項技術(shù)應(yīng)用于該井后，年底產(chǎn)液量51.9m3／d，較初期產(chǎn)液量提高了近20%。

2.3 可膨脹防砂管

對渤海19－3油田的A18裸眼井實施可膨脹防砂管技術(shù)［24］。該井最大井斜角57.38°，井深1 935 m。施工流程為先下膨脹篩管，再下膨脹工具。其中膨脹篩管通過先使用錐形膨脹工具，再使用液壓膨脹工具2部分進(jìn)行。在現(xiàn)場作業(yè)時，通過選擇摩擦因數(shù)分別為0.3和0.4的套管和膨脹管模擬計算出其最大膨脹鉆壓。優(yōu)化的鉆具組合為：錐形膨脹工具（168.275mm）＋扶正器（165.1mm）＋鉆鋌（120.65mm）×1根＋扶正器（165.1mm）＋鉆鋌（120.65mm）×30根＋鉆桿（139.7mm）。

與其他防砂方法相比，膨脹篩管有防砂效果好、成本低和操作簡單等優(yōu)點。根據(jù)蓬萊19－3井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，單井的日產(chǎn)液量提高了約50%，約為200～300m3／d，同常規(guī)礫石填充相比，其產(chǎn)能有較大幅度提高。

2.4 可膨脹完井襯管

為解決當(dāng)水突破油藏中的裂縫網(wǎng)時油井發(fā)生出水問題，位于西西里島的Ragusa油田于2001年采用了可膨脹管完井襯管［25］。采納可膨脹管技術(shù)的原因是裸眼完井下入?yún)^(qū)域分隔工具完成堵水作業(yè)較難?？膳蛎浲昃r管的原理是在管外設(shè)置橡膠圈，當(dāng)膨脹后，橡膠圈將會緊貼在地層井壁上。橡膠圈有耐高溫、耐腐蝕和耐壓等特性，以保證其有效時間。中心管直徑為73.0～139.7mm（2～5英寸）。Ragusa油田使用可膨脹管技術(shù)后含水量大幅下降，并且能夠加固井壁，滿足選擇性分隔開采工藝，且減小井眼直徑。

2.5 裸眼井襯管

地處阿曼王國的Fahud油田地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜［25］，石油主要產(chǎn)自白堊系碳酸鹽巖儲集層中。Fahud油田位于Fahud含鹽盆地內(nèi)一個大小為10km×5km 穹窿構(gòu)造上，區(qū)內(nèi)主要的儲層為Natih組地層，該組地層又分為一系列堆疊的儲油單元A～E。為解決當(dāng)?shù)貙犹澘諘r發(fā)生鉆井液漏失情況而采用了Weathford公司的ABL水泥固封可膨脹襯管技術(shù)。

比較普通下套管的方式，可膨脹襯管膨脹后的外徑較以前使用套管的內(nèi)徑增大，ABL能夠使套管鞋下面的井眼保持穩(wěn)定。另外，可膨脹管使頁巖層和鉆井液分隔，從而降低因頁巖層垮塌而卡住鉆桿，導(dǎo)致井眼損失的風(fēng)險。

3 結(jié)論

1） 經(jīng)過近10a的發(fā)展，可膨脹管技術(shù)已經(jīng)得到成功應(yīng)用，并在堵漏、防塌、防砂和修復(fù)等領(lǐng)域為石油工業(yè)提供了一種全新的解決辦法和思路。

2） 可膨脹管技術(shù)在我國石油工程領(lǐng)域還處于理論研究和工程應(yīng)用的起步階段，并且大多是由國外公司提供技術(shù)服務(wù)。國內(nèi)部分科研機(jī)構(gòu)及高校開展了相關(guān)研究，但是與發(fā)達(dá)國家相比還存在很大的差距。

3） 我國應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)可膨脹管技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的研究、開發(fā)及應(yīng)用，聯(lián)合機(jī)械、鉆井、科研和鋼材制造等相關(guān)單位展開技術(shù)攻關(guān)，盡快掌握該項技術(shù)，形成獨立自主的專利技術(shù)，打破技術(shù)壟斷。

4） 可膨脹管技術(shù)最終目標(biāo)是實現(xiàn)單一井徑，這樣更能縮減成本，降低開采風(fēng)險，簡化鉆、完井系統(tǒng)，盡早實現(xiàn)自動化。然而，此技術(shù)在單一井徑建井方面應(yīng)用還存在局限性：①迄今為止所有的單一井徑建井試驗在陸上油田的應(yīng)用價值還無法評價；②采用這種方法建井后的油井壽命還沒有辦法驗證。

5） 高度重視理論分析與數(shù)值模擬在可膨脹管技術(shù)中的地位，充分利用計算機(jī)模擬等技術(shù)來逼近真實系統(tǒng)，降低科研成本以及加速研究進(jìn)程。

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