膨胀管完井技术及实践分析.doc

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1、膨胀管完井技术及实践分析摘要:膨胀管技术是石油工业中迅速崛起的一项新技术，起源于美国Enventure 公司，可广泛用于深水、深井、大位移井、分支井等的钻井和完井，还可以用于采油、修井的作业。本文介绍了国外膨胀管技术的发展历程和国内研究状况，并对膨胀管的基本工作原理及膨胀工具、膨胀管连接、力学性能等关键技术进行了详细论述，结合国外实践，阐述了膨胀管的应用领域及主要功用，并结合塔里木油田迪那2气田利用膨胀管进行完井的实例，对膨胀管完井进行了介绍。关键词：膨胀管；关键技术；完井Completion technique of bulged tube and practice analysisAbst

2、ract: The bulged tube technology is a new technology which rises rapidly in the oil industry. Originating from the United States Enventure company, It can be widely used in drilling and completion of deep water, deep well, extended reach well, branch well and so on, and also be used for oil recovery

3、, workover operations. This article describes the history of foreign bulged tube technology development and the status of domestic research. And the basic working principle of bulged tube and the key technologies of bulged tool, bulged tube connection, mechanical properties and so on are discussed i

4、n detail. Combined with the practice of abroad, the areas of application and main function of bulged tube is expounded. Taking Dina 2 gas field of Tarim oil field bulged tube for completion for example, the completion of the bulged tube was introduced.Key words: bulged tube; key technologies; well c

5、ompletion目 录1 绪 论11.1 膨胀管完井技术简介11.2 国内外研究现状21.2.1 国内现状21.2.2 国外现状31.3 膨胀管完井技术的应用61.3.1 钻井作业中的应用61.3.2 采油、修井作业中的应用61.3.3 可膨胀实体管用作尾管悬挂器61.3.4 完井作业中的应用61.4 论文研究主要内容72 膨胀管原理及优缺点分析82.1 膨胀管技术原理82.1.1 膨胀系统82.1.2 SET工艺92.2 优缺点分析112.2.1 可膨胀割缝管的优缺点112.2.2 可膨胀实体管的优缺点123 膨胀管技术的关键分析133.1 可膨胀管材料的挑选133.2 膨胀锥153.3

6、可膨胀管的螺纹连接163.4 膨胀机构183.5 膨胀套管在膨胀后的管柱强度183.6 可膨胀管内涂层技术193.7 可膨胀管补贴技术193.8 钢管扩径冷拔技术193.9 作业过程204 塔里木油田膨胀管完井作业实践分析224.1 区块概况224.2 固井存在的难题及应用解决方案244.3 完井作业的要求264.4 完井主要施工程序274.5 完井技术的难点以及重点294.6 膨胀管完井经济分析315 膨胀管技术展望336 结论35参考文献36致 谢39391 绪 论1.1 膨胀管完井技术简介当今世界的石油勘探开发主要朝着深层系、滩海和海上发展，使得石油勘探开发的难度日益增大。当钻井作业需要

7、通过更深的过压地层、枯竭地层或易塌易漏失地层时，现有的技术是用不同直径的钻头钻进，并以不同直径的套管以套筒的形式层层封固完成。在这种情况下，井越深，套管层次越多，井眼直径就越大；反之，如果直径一定，最终的井眼直径更小，有可能钻不到目的层或者即使钻至目的层，但井眼太小，满足不了开采及后续修井、增产等重入作业的要求。石油工作者一直在探寻更好的方法，以便优质快速、高效地钻达目的层，最理想的是用同一种直径的钻头钻进，并用同一种直径的套管完井，采用可膨胀管技术就可实现这一要求。可膨胀管技术可应用于钻井、完井、采油、修井等作业中， 既能解决井眼变径问题，又能大量节约作业成本，被认为是21世纪石油钻采行业的

8、核心技术之一。膨胀管是一种由低碳钢经特殊加工而制成的套管，根据其本体结构的不同可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或液压方式使膨胀锥从膨胀管柱中穿过，从而使管柱发生永久性胀大，膨胀率可达10% 30%； 割缝膨胀管只能用机械方式胀管，但割缝膨胀管的膨胀率远比实体膨胀管大， 最大可达60%。对可膨胀管实施胀管的工艺过程，改变了可膨胀管的组织结构和机械性能，其强度指标得到提高，而塑性指标下降。通过选择或调整可膨胀管材料、控制膨胀率等技术手段，可在完成胀管过程后获得满意的机械性能指标，从而满足石油工程的使用要求。可膨胀套管技术，就是通过在井下将钻井管柱径向膨胀，使其内、外径扩大，

9、实现使用同一尺寸的套管代替现行的多层套管，以提高应对多个复杂地层的采能力，提高作业成功率，降低钻井成本。例如：对于单一井径油井，在298.5mm表层套管内安装244.5mm可膨胀套管，扩管后达到264.2mm的井眼井径，最后在264.2mm的井眼内下244.5mm 套管并固井。膨胀管完井技术可广泛应用于复杂结构井的钻井、完井、采油及修井等作业中，该技术对石油工业将产生革命性的影响。膨胀管主要包括可膨胀割缝管、实体膨胀管、膨胀系统。该项技术具有重要的意义：一是可以简便有效地解决复杂井段的井壁稳定问题；二是可以减少上部井眼的尺寸和套管层数，甚至在几年内实现从井口到井底以同一尺寸钻井，这样可以钻更深

10、的直井和大位移井；三是可以修复老井被损坏的套管；四是可以大大降低钻井和完井成本。目前，世界上提供膨胀管技术和膨胀产品的公司主要包括Enventure公司Weatherford公司、Halliburton等公司。世界上实体膨胀管99%的施工进尺是由Enventure公司实施的。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内现状我国于2000年开始引进可膨胀套管技术，目前尚处于起步阶段，主要做了两方面的工作：一方面工作是科学试验，包括理论计算、可膨胀套管材料试制及性能研究。可膨胀套管材料性能要求延伸率高且易于膨胀变形，当膨胀变形后力学性能仍然符合API标准规范；同时，材料的价格和普通套管属同一数量级。国外

11、一般选用HFW套管，钢级有L80，K55和J55等，为保证管材具有精确的壁厚和力学性能，对可膨胀套管的要求更严格。国内有西安石油大学等正在研究之中，天津大学和上海天合形状记忆有限公司开发了可膨胀管材并进行了试验。国外对选定尺寸的实体套管膨胀前后的力学性能进行了比较，主要有强度、延展性、抗冲击韧性、抗破裂性。另一方面的工作是将可膨胀套管技术的研究应用于下井试验1。2003年12月5日2004年1月7日，胜利油田钻井工艺研究院等单位在T61 C162井和W14C20井采用了Enventure公司生产的107.95mm6.35mm实用可膨胀套管。用裸眼尾管（OHL）系统安装在两口井的侧钻井段上，增大

12、完井的井眼直径120.83mm。两口井深约2000m，膨胀管总长度分别为388.25m和391.70m。膨胀管工作期间最大工作压力45MPa，最大工作排量80L/min，膨胀后固井质量都达到了优良，两口井至今一直正常生产，效益显著。目前国内多家公司和科研机构在跟踪国外发展现状的同时，也在从事膨胀管技术的研究，但仅限于理论及实验室的研究。中国石油勘探开发研究院从2001年开展了前期研究工作，于2002年5月完成了概念性实验，实验选取了3种材料管材，其中2种管材膨胀率都达到了12%；西南石油学院开展了钻井实体膨胀管技术研究课题，对实体膨胀管进行了塑性变形有限元力分析；大港油田钻采院针对177.8m

13、m可膨胀割缝管的完井进行了研究，完成了接头、引鞋、膨胀锥、钻具与膨胀管的连接结构等的设计和制造，并进行了室内实验；长庆油田博士后工作站对膨胀管膨胀过程中不均匀变形即管子不均度及不圆度的影响进行了分析和室内实验，对这种不均匀性引起的膨胀面残余应力的产生、危害及消除方法在理论上进行了探讨，并进行了实物试验研究23。成都钢铁公司则引进了成套的实体膨胀管生产线。胜利油田在2003年12月5日和2004年1月2日，分别在T61-C162和W14C20井上进行了实体膨胀管应用，在另外1口井上应用了割缝膨胀管，其完全采用Enventure公司的技术，其膨胀管和相关工具全部为进口15。中国海洋石油总公司与美国

14、菲利普斯公司合作开发的蓬莱19-3大田，19992003年在10口井上采用了膨胀筛管完井，防砂效果明显，产能提高约50%。2003年11月，大庆油田采油四厂在X4-1-330、X6-1-127井上进行了工业性试验，主要是修复老井套管进行补贴作业。我国已完成了理论准备工作，重点是管材优选，其次关键工具的研制，与国外多年成功的商业应用相比，还存在很大差距4。胜利石油管理局钻井工艺研究院从2002年开始对膨胀管技术进行了全面的跟踪及调研。2004年，针对中石化集团公司“实体膨胀管技术研究及应用”课题进行科技攻关，几年来研究取得重大进展，利用国产膨胀管技术分别完成了国内首次带有膨胀螺纹的实体膨胀管井下

15、现场试验，首次突破百米实体膨胀管井下应用，首次完成7套管内实体膨胀管应用，于2008年5月21日首次在林3-侧更11井完成侧钻井膨胀管完井现场应用，同时创国内膨胀套管应用最长施工纪录（243.25米），并于2008年7月4日在商23-侧27井侧钻井膨胀管完井现场实验过程中再次取得成功。 2006年，胜利钻井工艺研究院投标国家863计划“膨胀管钻井技术”和“膨胀筛管关键技术研究”项目取得成功，针对膨胀套管技术、膨胀筛管技术、同井径膨胀套管技术、膨胀波纹管技术、井眼扩眼技术等内容进行全面研究与开发。 目前，小尺寸膨胀套管技术已经取得阶段性成果，正在套管补贴领域进行大规模推广应用；通过在侧钻井进行膨

16、胀管完井应用实现了膨胀套管技术向钻井领域推进的成功；大尺寸膨胀套管技术如8-5/8、7-5/8、6等规格膨胀套管技术的研究正在进行；膨胀筛管技术也已经完成工具及筛管结构设计加工，准备进行井下模拟试验；同时也对等井径膨胀套管技术进行立项研究，并正在进行材料优选工作。通过中石化集团公司科技项目“实体膨胀管技术研究及应用”课题的研究，自主研发了4-1/4及5-1/2膨胀套管补贴技术，可广泛应用于大井段套管补贴、侧钻井完井等修井及完井作业。膨胀套管技术作为一项新兴技术，为套损井的修套补套提供了一种崭新的技术手段，为侧钻井完井提供了一种全新的完井方式，同时也为下一步在钻井过程中进行膨胀套管钻井技术应用，

17、对促进油田中后期开发中存在的套管损坏综合治理具有重要意义。 我们研究开发的膨胀套管技术主要取得了如下技术成果：膨胀套管材料选择及加工技术；膨胀套管螺纹连接及加工技术；膨胀机构设计及制造技术；膨胀管悬挂及密封技术；膨胀管缺陷涡流检测技术；膨胀套管内涂层及涂敷技术；膨胀套管固井技术。 目前，小尺寸膨胀管技术已趋成熟，并在胜利、江苏、大港等油田进行了带有膨胀螺纹的膨胀管套管补贴及侧钻井完井现场应用，同时具备了在套管内和裸眼井进行膨胀管作业的能力，实现从套管内走向裸眼井的跨越性突破，在国内率先完成膨胀管技术在裸眼井中的应用，填补了该技术的国内空白，且至今未见国内其他相关报导，而在国际上也仅有Enven

18、true公司实现了膨胀套管侧钻井应用。1.2.2 国外现状膨胀管技术始于20世纪80年代末期，由Royal Dutch Shell（壳牌石油公司）首创1。1990年初，工作的重点主要集中在管材实现膨胀变形的可能性研究，1993年在挪威的海牙进行了第1次概念性试验；19931998年，主要集中在选择和研制出既能实现管径膨胀变形，又能在完成膨胀变形后仍然符合API标准要求的管材和螺纹连接，以达到工程应用水平。1995年，壳牌公司和日本Daido公司合作研究膨胀接头，1998年壳牌公司和美国Grant Drideco公司合作研究膨胀螺纹连接。在完成了基础研究后，工作重点转向了应用工艺研究7。1998

19、年12月Shell Technology Ventures公司与Halliburton Energy Services公司合作成立了一家专门致力于可膨胀管技术的发展与商业化运作的合资公司Enventure（亿万奇）环球工艺技术公司6。1999年3月在美国休斯顿进行了模拟井下实验，1999年11月在Chevron USA进行了第1次现场应用试验7，20世纪90年代末期基本上达到了商业化应用水平1。截至2003年12月，共完成195次可膨胀管商业应用，膨胀管总长度超过了57912m，膨胀管接头总数为5000个。目前国外有多家石油技术服务公司可以提供钻井膨胀管技术服务，其中Enventure公司、W

20、eatherford公司以及俄罗斯Tatnipineft设院的技术居世界领先地位。截至2003年底，实体膨胀管技术已在全球应用170多口井8。膨胀管技术的另一分支是膨胀防砂筛管（Expandable Sand Screen）。1997年该技术首次在阿曼Thayfut井进行实验性应用，随着实体膨胀管技术的不断改进和完善，膨胀筛管技术也迅速发展到世界各地，包括北海、东南亚及中国海陆上油田等，应用井型包括水平井、大位移井、分支井和常规生产井9，截至2003年底，割缝膨胀管技术已在34口井中得到应用，并取得很好的效果。目前，Enventure公司已成为可膨胀套管技术领域公认的领跑者，这家公司到2006

21、年已使用实体膨胀管完成了250多口井的建井，共安装了上万米的可膨胀套管，其应用范围包括开采深水油藏，修补磨损或毁坏的套管使老井复活，延伸老井开采更深的油层，侧钻及多种类型的油井建井等。例如：威福德公司、壳牌和哈里伯顿合资Enventure公司、哈利伯顿公司、贝克石油工具公司、斯伦贝谢公司以及READ油井服务公司等。目前，Enventure公司已成为可膨胀套管技术领域公认的领跑者，这家公司到2006年已使用实体膨胀管完成了250多口井的建井，共安装了上万米的可膨胀套管，其应用范围包括开采深水油藏，修补磨损或毁坏的套管使老井复活，延伸老井开采更深的油层，侧钻及多种类型的油井建井等。威德福公司正在进

22、行大量投资以使自己享有专利的膨胀管技术快速商业化。2003年4月，威德福公司在苏格兰的阿伯丁开设了一个全球可膨胀管技术中心。该中心每年可生产7000多根ESS筛管，拥有世界上唯一的四头激光切削机，以及世界上最大的研磨性水射流设备。在休斯顿和阿伯丁该公司还拥有两个世界上最大的研发、试验、培训设施。阿伯丁的井下技术有限公司是一家主要的研发/试验中心，主要为海上油井提供服务。威德福公司还设计并建造了独特的膨胀钻机，为其所有的可膨胀管技术产品进行受控的台架试验。该装置拥有一整套数据采集系统，功率相当于全尺寸钻机。数据采集系统与威德福设计和工程办公室联网，通过视频系统可以实时传送实验进程。可以进行模拟实

23、际条件的专门实验。研究团队可以使用休斯顿和阿伯丁的钻井装置进行现场试验以及最终产品评价。新开发的商业化项目如下：Slimbore裸眼尾管：尾管外径193.7mm，可以膨胀到244.5mm。MetalSkin套管修补系统：目前可用的是139.7mm177.8mm系统，三种其尺寸系统正在开发：108mm139.7mm、193.7mm244.5mm、152.4mm193.7mm。 威德福公司新开发的柔性膨胀工具可提高73mm筛管膨胀作业效率，满足更小井眼的防砂要求。一趟完成作业系统投入商业应用，增强了101.6mm和114.3mmESS筛管作业的效率。在钻机费率高的地区，如西非、墨西哥湾、北海，可显

24、著降低成本。 2003年夏季，哈里伯顿公司生产出215.9mmPoroFlex可膨胀筛管系统，该系统使用了耐腐蚀合金，155.6mm筛管在其后不久也生产推出，2003年末实现了商业化生产。2003年三季度推出两种额外尺寸的“标准”VersaFlex可膨胀尾管系统，适合深水作业的其他尺寸产品在2004年早期推出。Security DBS正在开发一种特殊尺寸钻头和附件以配合Enventure公司的一系列膨胀管产品，不久即可交付用。 Enventure公司的SlimWell工艺可以减小套管缩径效应。MonoDiameter（等径）系统可以完全消除缩径效应，使井眼直径减小，但是总井深处的井眼直径反而增

25、大。等径井眼技术的首次现场应用是在得克萨斯州的一口气井中进行的，合作单位包括Enventure、壳牌勘探开发公司、壳牌国际勘探开发公司。为了进行此次作业，首先在井内下入298.5mm套管，后来又下入244.5mm可膨胀套管。套管膨胀到内径251.5mm，可膨胀套管与外层套管通过橡胶元件实现悬挂与密封。然后钻掉套管鞋，使用由上至下膨胀工艺将套管膨胀至内径264.2mm，随后将下段井眼扩眼至311.2mm，然后下入另一段244.5mm可膨胀套管并膨胀。这两段膨胀套管经受了27.6MPa压力测试。 Envneture公司将继续提高其基本的膨胀管技术（如裸眼尾管系统、套管井衬管系统、尾管悬挂器系统），

26、延长膨胀套管长度，缩短作业时间；生产抗挤能力更强的套管、更高效的螺纹接头，进一步提高系统可靠性；还将提高套管的抗内压和抗外挤能力，新的螺纹连接将允许膨胀率超过30%。Lin EXX可膨胀尾管系统于2003年三季度投入使用，可以有效封堵事故地层，隔离产层，新的尾管膨胀后保持与上方套管相同的内径，该系统可用来封堵事故地层。贝克公司目前将研发重点放在防腐蚀合金、可靠的气密螺纹连接、提高实体管膨胀后的抗外挤强度等方面。休斯敦的壳牌勘探开发公司在得克萨斯州南部的1口试验井上试验了两项膨胀完井新技术，即可膨胀衬管悬挂器（ELH）系统和PoroFlex可膨胀筛管完井系统。ELH系统结合了机械式衬管悬挂器和衬

27、管顶部封隔器的功能特点，降低了安装的复杂性，并且不需要高费用的衬管顶部挤水泥作业。以气体为介质的现场试验结果表明，在149的温度下，ELH可产生的环空密封能力为35MPa，破裂和挤毁压力额定值分别为49MPa和28MPa，承载能力为1889kN。PoroFlex可膨胀筛管完井系统包括3个筛管和1个无眼间隔管，用可膨胀丝扣连接实现各件间的标准连接。1.3 膨胀管完井技术的应用石油膨胀尾管完井技术作为21世纪石油工程领域的核心技术之一，其在石油钻采方面有着广泛的应用。1.3.1 钻井作业中的应用在钻超深井或在海洋深水区作业以及需要钻穿高压地层、枯竭层或易塌、易漏地层时，在常规作业中往往采取下中间套

28、管进行的方式，以确保施工安全。但钻井越深，套管层数就越多，这样导致最终井眼减小，在有的情况下，还有可能导致不能按计划到达目的层。而且，由于要求最初的井眼直径很大，增加了对钻机负荷、钻井设备及钻井液处理能力的要求。采用膨胀管技术可以简化井身结构，减小套管层次，可避免这种情况的发生。膨胀管技术可以为钻井过程中出现的复杂问题提供应急方案，尤其适用于钻进高压层、漏失层、泥页岩蠕动层、盐岩蠕动层。能封隔膨胀性页岩层和漏失层，防止井眼缩径。此技术还可以应用于多种类型的油井建井，能满足大位移井、侧钻井、水平井、多分支井以及小井眼井对井眼和套管尺寸的要求。用于老井侧钻时，可降低重钻成本，使套管内径损失最小。1

29、.3.2 采油、修井作业中的应用采用膨胀管完井方式的油井，不但井底井眼的直径较常规井眼大，能为生产管柱的下入提供良好的条件，而且井眼的裸露面积大，能提高油井的产能。在油田的开发后期，套管损坏井越来越多，膨胀管技术为套管损坏治理提供了新的方法。它可以修补数百米的套管，这对于大段套管被腐蚀的井有特别的意义。另外该技术还可以用来封堵炮眼和漏失层。该技术与常规的套管补贴技术相比，井眼内径的减小很少，因而受到油公司的青睐。1.3.3 可膨胀实体管用作尾管悬挂器可膨胀管用作尾管悬挂器，比常规尾管悬挂器和尾管上封隔器更简单、经济。膨胀时，其驱动头不是让整个尾管膨胀，而仅膨胀一小段尾管（约10m）来形成尾管悬

30、挂器，同时，这一小段尾管还充当尾管上封隔器。可膨胀尾管悬挂器集尾管悬挂和尾管上密封功能于一身，因而可最大限度地减少尾管顶部的挤水泥作业。与常规尾管悬挂器和尾管上封隔器相比，可膨胀尾管悬挂器可延长平均故障间隔时间，减少维修费用。1.3.4 完井作业中的应用由于本课题的主要研究是完井工程，膨胀管技术在完井作业中主要有以下几个方面的应用：（1）可有效地解决复杂地层的井壁稳定问题，对井壁有很好的支撑，可用于分支井完井、水平井裸眼完井和欠平衡完井；（2）修复套损井；使完井具有更大的灵活性；（3）能改善尾管悬挂器的密封效果；（4）可取代砾石充填，节省钻井时间和完井费用；（5）用于深井、超深井和深水井完井，

31、降低表层套管和隔水管尺寸，实现单一井径油井的建井，减小常规套管的锥度效应。1.4 论文研究主要内容1、膨胀管完井技术国内外研究现状；2、膨胀技术原理分析；3、膨胀管技术的关键分析；4、膨胀尾管完井技术应用分析。2 膨胀管原理及优缺点分析2.1 膨胀管技术原理膨胀管是一种由低碳钢经特殊加工而制成的套管，根据其本体结构的不同可分为实体膨胀管和割缝膨胀管2种。实体膨胀管可通过机械或液压方式使膨胀锥从膨胀管柱中穿过，从而使管柱发生永久性胀大，膨胀率可达10% 30%；割缝膨胀管只能用机械方式胀管，但割缝膨胀管的膨胀率远比实体膨胀管大，最大可达60%27 。对可膨胀管实施胀管的工艺过程，改变了可膨胀管的

32、组织结构和机械 性能， 其强 度指标得到提高，而塑性指标下降。通过选择或调整可膨胀管材料、控制膨胀率等技术手段，可在完成胀管过程后获得满意的机械性能指标，从而满足石油工程的使用要求。2.1.1 膨胀系统 可膨胀管（SET）的基本概念是在井下冷拉钢管达到预定尺寸。该过程本上具有机械不稳定性。因此，在井下进行冷拉处理需要克服许多技术和作业障碍。采用机械膨胀装置膨胀锥（见图2-1），使钢管发生永久性机械变形。在液力压差和（或）直接的机械推（拉）力作用下，驱动膨胀锥在钢管内产生移动，使钢管超过弹性极限发生塑性变形，膨胀到预定的内径和外径，同时保持应力在极限屈服强度之下。通过连接膨胀锥的工作管柱（钻杆）

33、泵送压差，机械力则由提升或下放工作管柱产生。对于339.7mm钢管，通过钻杆向下泵送钻井液驱动膨胀，压差约需12.411MPa。目前设计的膨胀压差都小于34.475MPa，以使该工艺适于现有钻机设备。图2-1 早期膨胀锥膨胀一般以速度6.1m/min进行。305m长的钢管膨胀，施工需33.5h。钢管内径可以膨胀25%，然而，对于108339.7mm钢管，大部分膨胀要求小于20 %，一般为10% 15%。膨胀锥的外径决定可膨胀管的内径，因此需根据膨胀锥的外径设计可膨胀管的最终尺寸37。膨胀过程遵循材料守恒定律，即膨胀过程既不能产生材料，也不会消灭材料。 由于材料被增加的钢管直径消耗，引起钢管长度

34、缩4%5%，壁厚减少3%4%。因此，如果需要305m钢管，应多下入15.25m可膨胀管位于重叠段。同理，确定可膨胀管的破坏、坍塌压力额定值，必须考虑壁厚损失和膨胀后的面积10。膨胀系统的下部是薄壁、高强度的钢制金属筒，称作发射器，壁厚小于可膨胀管，内装膨胀锥。由于发射器壁薄，且外径与原有钢管的通径相同。因此，它可以通过原有管柱下入井眼。由于可膨胀管壁厚，膨胀后其外径大于发射器的外径，内径则与发射器的内径相同。膨胀系统的上部是弹性涂层的悬挂器接头。当可膨胀管膨胀到原有钢管的内径时，该悬挂器就产生一个“非常稳固”的密封。根据预测的井底温度和暴露的化学环境选择弹性材料，可以是腈、氟化橡胶或Aflas

35、橡胶。如果进行钻井作业，需对该系统进行扭矩测试39。膨胀系统的关键是选择合适的材料。当膨胀锥膨胀钢管时，膨胀锥要承受高的界面应力，其形状和润滑作用对于成功膨胀钢管也很重要。因此，膨胀系统的材料应具备足够的强度、耐冲击韧性，并且抗腐蚀、抗磨损、抗破裂1112。2.1.2 SET工艺目前采用SET工艺开发了3种可膨胀系统（见图2-2）：裸眼可膨胀尾管 （OHL）系统；套管井可膨胀尾管（CHL）系统；可膨胀尾管悬挂器（ELH） 1314。 裸眼可膨胀尾管（OHL）系统 采用OHL系统，可以克服与井眼不稳定性、孔隙压力/破裂梯度及盐层或含盐地层等相关的施工问题。这些施工问题最终都导致井下套管尺寸过早变

36、小。OHL 系统通过原有套管或尾管正常下入井眼，速度与常规尾管相同，定位在裸眼段后，液压驱动膨胀锥向上移动，从下往上膨胀尾管。当膨胀锥到达OHL和原有套管的重叠段时，膨胀锥膨胀专门的弹性涂层悬挂器接头来永久性密封这2个管柱。图2-2 3种可膨胀系统OHL 从下往上膨胀有2个原因 ：（1）与膨胀过程中尾管的缩短有关。尾管通常难以定位在设计井深（TD），如果定位在高一点的地方，采用从上向下膨胀，就会首先将可膨胀尾管固在原有套管柱里，后续的膨胀将从下往上缩短尾管，缩短后的可膨胀尾管就不可能封固井底适当的井段。相反，采用从下往上膨胀，首先将可膨胀尾管固定在最低深度，后续的缩短发生在重叠段，从而可以保证

37、尾管在井底的封固 。 （2）与工作管柱作业有关。与增加工作管柱重量相比，通过工作管柱泵送及提升工作管柱更容易产生较大的力。从下往上膨胀作业时，由于工作管柱正被拉出井眼，因此工作管柱受到了附加的拉力，必要时可以作为驱动膨胀的辅力。如果采用从上向下膨胀，工作管柱所受的任何向下的力或附加的重量将作为膨胀辅力，使工作管柱（钻杆）受压。钻铤和加重钻杆可作为工作管柱的一部分，提供附加的重量。但这只会增加工作管柱的连接时间，与可用的拉力相比，所受压力很小。例如，驱动339.7mm套管移动产生膨胀的力接近1335kN。套管的尺寸和机械性能决定膨胀所需力的大小。 OHL的应用必须包括末层套管下面的井眼扩眼。根据

38、岩性学和钻井经验，采用双心钻头或带进钻头扩眼器的常规钻头钻要求扩大的井眼。 OHL 系统的下入步骤如下：钻进井眼；将可膨胀尾管、膨胀组合和发射器下入井中；可膨胀尾管注水泥；下入闭锁塞，以促进尾管膨胀；膨胀OHL；膨胀可膨胀尾管悬挂器接头；下入铣鞋，钻穿可膨胀尾管浮鞋。 套管井可膨胀尾管（CHL）系统 采用 CHL系统，将可膨胀套管补贴到原有套管柱上，可以有效地修补或加固现有套管，封堵腐蚀段或者不再需要生产的老射孔段，同时内径和最大流量减小最少 。除了弹性涂层的悬挂器接头位于CHL系统的上部和下部之外，该系统与OHL系统相似。CHL系统以2种方式开口式或封口式下入井眼。开口模式中，该系统进入井眼

39、定位后，需泵送一个闭锁突板。在封口模式中，该系统进入井眼后，采用闭锁突板就地定位，尾管下入过程中充满钻井液以防止坍塌。由于封口模式减少了一个作业步骤，因此减少了现场作业时间，较适于浅井和低压井。由于套管内外的侵蚀可引起套管磨损，因此下入CHL系统之前必须进行电缆测井，确定套管的内/外完整性、内径、壁厚和椭圆度，以使CHL膨胀到内外都具良好完整性的套管上，这是非常关键的。 CHL 系统的下入步骤如下：下入钻头和刮削组合，清洗结垢和腐蚀的套管；评估套管，确定它的完整性、内径、壁厚和椭圆度；将可膨胀尾管、膨胀组合和发射器下入井中；下入闭锁突板，以促进尾管膨胀；膨胀 CHL； 压力测试可膨胀尾管；钻穿

40、可膨胀尾管浮鞋。 可膨胀尾管悬挂器（ELH） 下入常规尾管时可采用ELH系统。ELH接头采用单棒材加工而成，没有常规尾管悬挂器的丝扣、卡瓦、J形槽和排水孔，底部有一个刮塞系统或井下释放塞。在接头内部，安装在心轴上的膨胀锥在接头长度内移动。弹性夹头将心轴锁紧在接头底部，支持尾管重量，并允许尾管在下入过程中旋转及上下活动。与常规工艺相比，由于消除了常规尾管悬挂器/封隔器 ，ELH 使井眼尺寸守恒，更能提供高级的压力密封。 ELH 下入步骤如下：钻进井眼；将带有ELH的常规尾管下入井中；常规尾管注水泥；下入闭锁塞，以促进ELH膨胀；膨胀ELH；清除ELH下入工具；钻穿常规尾管浮鞋。 2.2 优缺点分

41、析2.2.1 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，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。2.2.2 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；

42、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。两种膨胀管有许多相似之处但性能及其工艺要求存在不同，为了能更加直观的看到这些问题。列下表 表2-1 可膨胀割缝管与可膨胀实体管性能对比表名称优 点缺 点可 膨 胀 割 缝 管1.膨胀性能好，直径可达到原来的三倍1.不能用作生产套管，只能用作技术套管或应急套管2.驱动力小，容易实施作业2.不能用顶替方法注水泥固井，只能用平衡塞的方法3.选材要求低，可借用常规套管或焊管3.机械性能较差，抗内压主要依靠水泥环的强度和质量4.成本较低4.为保证水泥环的厚度

43、，一般必须扩眼，对水泥浆的性能也有特殊要求，一般使用纤维水泥5.可用于水平井完井的割缝筛管6.可用作防沙筛管。可 膨 胀 实 体 管1.可用常规的顶替注水泥固井方法1.膨胀性能差，目前最大膨胀率约为25%2.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基本一致2.膨胀力大，约为可膨胀割缝管的30倍3.可用作生产套管3.对选材的要求高4.可用作尾管悬挂器4.成本较高3 膨胀管技术的关键分析3.1 可膨胀管材料的挑选膨胀管的选材是实体膨胀管的又一个关键技术。各部件的材料应具有足够的强度、良好的塑性、良好的冲击韧性和抗腐蚀、磨损及环境断裂的性能。可膨胀管在塑性变形区域内膨胀15（

44、见图 3-1），这就要求其材料在膨胀过程中应具有良好的塑性变形能力，低的屈服强度和屈强比、足够的抗拉强度、良好的塑性、冲击韧性和抗腐蚀、磨损及断裂等性能4。许瑞萍等通过实验研究，提出了可膨胀管材料铁基膨胀合金设计准则，认为可膨胀管材料应具备高塑性、高强度、高加工硬化率和强塑性等特点，可采用材料在外加应力的作用下，发生奥氏体转变为马氏体相变来提高材料的强塑性16。Enventure最初对API标准的套管进行了膨胀实验，以便寻求一种比较适合膨胀安装的尾管材料，经过大量的计算机模拟与地面实物实验发现17：1、K55套管在膨胀后缺乏在大多数钻井应用所需的强度2、P110套管在膨胀后能提供足够的强度，但

45、是它的塑性变形区域范围相对较小，限制了它在破坏断裂前可获得的膨胀量，也就是说膨胀幅度受到了极大地限制，容易发生破坏断裂。3、L80套管提供了适合的膨胀后的强度以及不伤害破坏材料的合理的塑性膨胀量。然而，这种材料还需要进一步的完善。目前，Enventure与LoneStarSteel一起工作开发了LSX80，一种新型的膨胀尾管材料。LSX80具有在膨胀前与API的L80材料相似的性质。LSX80的金属组分在保持其强度性质的同时允许有更大的屈服。是一种电接触焊管（ERW），它提供更均匀的壁厚。LSX80尾管的规范要比常规能源工业应用API的规定严格的多。对比LSX80这种材料和APIL80材料的优

46、点可以看出，新的膨胀套管材料的研究与开发的方向与前面的理论分析一致，即：在保持其强度性质的同时允许有更大的屈服，采用电接触焊管（ERW）以提供更均匀的壁厚18。国内，有人根据金属冷拨加工工艺与膨胀套管技术都是发生径向塑性变形这一共同特点，用35CrMo无缝钢管进行了实际膨胀实验，通过对不同膨胀幅度的多次实验，得出了一些膨胀套管在膨胀时的金属流动规律和膨胀后管体的机械性能变化情况，对膨胀套管的选材给出如下建议19：（l）以直缝焊管作为膨胀套管对直缝焊管与无缝管的相关质量标准进行对比，可以看出，直缝焊管与无缝管相比，具有以下优点，更适宜用作膨胀套管：尺寸精度高直径和壁厚偏差，焊接钢管比无缝钢管小得

47、多，这是因为钢带轧制和焊管成形易于控制，所以尺寸精度高。力学性能好由于焊管用钢带易于实现控制轧制，随着焊接技术和下线热处理技术的发展，对焊缝性能可以控制，直缝电阻焊钢管的延伸率比无缝钢管高8%10%，这主要是因为直缝电阻焊钢管的含碳量比无缝管底1/2左右149。直缝电阻焊钢管的同心度高、壁厚均匀，焊缝经热处理后，金相组织均匀，具有较高的抗挤毁性能。由于直缝钢管钢材的延伸性好，直缝电阻焊钢管压扁试验比无缝钢管好。直缝焊管的冲击韧性要高于无缝管。直缝电阻焊管没有焊条等异种金属渗入，又经过严格的在线热处理，因此焊缝性能与基体材料性能一致。（2）严格限制管子的初始壁厚不均度及不圆度实验表明，管子的壁厚不均度及不圆度会随着管子膨胀幅度的增大而增加。整体上，不均匀变形也会随着膨胀幅度的增加而增加，管子膨胀时横截面上的变形主要发生在壁厚薄弱部位，变形不均匀严重会导致存在薄壁的管段首先发生开裂。所以，膨胀套管的壁厚薄弱部位对管子膨胀构成了潜在的隐患，也成了影响管子在膨胀后机械性能的一个主要因素，应该严格控制管子的初始壁厚不均度及不圆度。（3）采用低钢级钢材由于油气井井眼中的管柱膨胀要使钢材达到其屈服点