膨脹管概述及技術研究

1、膨脹管概述及技術研究張繼紅1ZhangJihong 劉明君2LiuMingjun摘 要：膨脹管技術誕生于20世紀80年代，主要用來優(yōu)化井深結構、預防井壁掉塊及坍塌、封堵高壓層或低壓漏失層、修補井中損壞的套管等。被認為是21世紀石油鉆采行業(yè)的核心技術之一。本文主要介紹了可膨脹管的分類及優(yōu)缺點，以及可膨脹管的相關技術研究。關鍵詞：膨脹管；膨脹椎；套管；膨脹管技術于20世紀80年代晚期誕生于殼牌石油公司1，在這之后的一段時間里，發(fā)展非常迅速。90年代末期達到了商業(yè)化應用水平，目前在國外有多家石油技術服務公司可以提供膨脹管的技術服務，其中最有名的是殼牌和哈里伯頓合資的Enventure公司23。國內多

2、家公司和科研機構也在從事膨脹管技術的研究，但多是理論及實驗室的研究。膨脹管是一種由低碳鋼經特殊加工而制成的套管，由于含碳量低，膨脹管比普通套管柔性好，可朔性強?？膳蛎浌芗夹g就是將待膨脹的套管下到井內，以機械或液壓為動力，通過冷擠擴張的方法，由上到下或由下到上，通過壓力或拉力使膨脹工具通過待膨脹的套管內孔，使其內徑或外徑由于朔性變形膨脹至設計的尺寸，從而完成待定工程目的的一種技術。膨脹管技術具有以下優(yōu)點：可有效地解決復雜地層的井壁穩(wěn)定問題；減小井眼錐度、增加套管下深，以盡可能大尺寸井眼完井；可以減少上部井眼的尺寸和套管層數；修復套損井；使完井具有更大的靈活性；能改善尾管懸掛器的密封效果；可大大降

3、低鉆井成本；可取代礫石充填,降低完井成本。因此，膨脹管技術被認為是21世紀石油鉆采行業(yè)的核心技術之一。1 膨脹管的分類及優(yōu)缺點1.1 可膨脹管的分類可膨脹管根據其結構的不同，可分為縱向波紋管、實體膨脹管（SET）和割縫膨脹管（EST）三種。其中，縱向波紋管技術是事先將套管壓扁成腰狀（如圖1a），下入井中后再用專用工具將壓扁部位脹開。割縫膨脹管有一系列串聯的,互相交錯的軸向割縫,割縫的布置使管柱易于膨脹。后來在割縫膨脹管的基礎上又發(fā)展出專門用于防砂的膨脹防砂管?？v向波紋管成本較高,而且不能作為技術套管,只能作為套管補貼用。因此本文重點介紹實體膨脹管和割縫膨脹管。圖1 縱向波紋管和可膨脹實體管1.

4、2 兩種可膨脹管的優(yōu)缺點（1）可膨脹割縫管的優(yōu)缺點：可膨脹割縫管的優(yōu)點：膨脹性能好，直徑可達原來的3倍；驅動力小，容易實施作業(yè)；選材要求不太苛刻，可借用常規(guī)套管或焊管；成木較低；可用作水平井完井的割縫篩管；可用作防砂篩管。可膨脹割縫管的缺點：不能用作生產套管，只能用作技術套管或應急套管；不能用頂替方法注水泥固井，只能用平衡塞的方法；機械性能較差，抗內壓主要依靠水泥環(huán)的強度和質量；為了保證水泥環(huán)的厚度，必須擴眼，對水泥漿性能也有特殊要求，一般使用纖維水泥。（2）可膨脹實體管的優(yōu)缺點：可膨脹實體管的優(yōu)點：可用常規(guī)的頂替注水泥固井方法；機械性能較好，抗內壓、外壓及抗拉應力大，尤其抗內壓的性能與未膨脹

5、前基木一致；可用作生產套管；可用作尾管懸掛器?？膳蛎泴嶓w管的缺點：膨脹性能差，最大膨脹率約25%，膨脹力大，約為可膨脹割縫管的30倍；對選材的要求高；成木較高。2 膨脹管技術的應用隨著深井、超深井逐漸增多，施工過程中鉆遇的不同壓力層以及鹽膏層、油氣水層、坍塌層、漏失層越來越多，鉆井的難度越來越大，油公司對投入產出比也越來越敏感。膨脹管技術的誕生部分地解決了鉆探和生產中的難題，在石油勘探開發(fā)過程中，膨脹管技術主要應用于以下情況:2.1 鉆井方面（1）優(yōu)化井身結構。在深井鉆井設計中，為了鉆穿不同壓力層系的地層以及易縮徑、坍塌或易發(fā)生井下漏失的地層，常規(guī)的作法是用不同直徑的套管封隔各層段地層。在套管

6、程序設計上應用膨脹管技術，可減少套管層次，在保證下部井徑尺寸不變的情況下，可使上部井眼采用較小尺寸的技套，從而提高機械鉆速和降低鉆井成木。對于超深井，可減少井眼錐度，提高處理井下突發(fā)事故的能力，從而鉆更深的井眼，以便順利達到勘探開發(fā)目的。（2）封隔縮徑、坍塌、井漏或局壓層。對于在鉆井設計中沒有預料到的惡性的井眼縮徑、井壁坍塌、地層漏失或高壓，如果通過處理和調整鉆井液性能的方法仍難以湊效，最常規(guī)的方法只能通過補下一層技套來封隔2.2 套管修補作業(yè)方面（1）修補磨損的技術套管。在確定了損壞的套管的具體位置后，采用內襯可膨脹管，在犧牲極少的技術套管內徑的情況下，可恢復技術套管的承壓能力，在保證施工安

7、全的前提下繼續(xù)下一步作業(yè)。（2）修補老井生產套管。對于投產多年的油井，可用膨脹管技術修補由于抽油桿磨損或地層流體腐蝕等原因造成的生產套管的破損。（3）封隔射孔層段。對于用擠水泥等常規(guī)作業(yè)不能封隔的射孔層段，可用膨脹管技術，封固不必要的產油、產氣或出水層段，從而優(yōu)化注水、注氣或產能。2.3 完井作業(yè)方面在深井或者老井開窗側鉆井中，隨著井眼的不斷加深，套管層次越來越多，井眼直徑越來越小。完井套管直徑太小，不能有效地提高生產井產量，也滿足不了完井作業(yè)、生產作業(yè)和將來修井作業(yè)的要求。膨脹管技術在不改變上部井身結構的情況下，可使生產套管具有更大的直徑，以提供更大的井下作業(yè)空間和產能表面積，既為將來完井管

8、柱和修井作業(yè)提供更多選擇，又可提高產量，便于將探井轉換為具有經濟產能的生產井。3 可膨脹管技術研究3.1 材料學研究可膨脹管的材料必須具有足夠高的變形能力，且膨脹后的力學性能基本能達到普通套管的水平。在研究可膨脹套管管材過程中曾使用過低碳不銹鋼、低碳合金鋼、高壓鍋爐鋼等，目前采用常規(guī)套管材料，如L-80、K-55。國外針對L-80、K-55做了大量研究，試驗表明，膨脹后管材的性能仍能滿足API標準的要求(如表1)。表1 L-80、K-55膨脹前后的力學性能材料性能API 5CT未膨脹膨脹20%L-80硬度HRB241（最大）200-205217屈服強度0.2/MPa551.6（最小）567.4

9、568.1抗拉強度b/MPa655.0（最?。?68.14722.6屈強比0.840.850.79伸長率/%14.0（最?。?7.119.4K-55屈服強度0.2/MPa379.2（最?。?84.00547.4抗拉強度b/MPa655.0（最?。?61.9799.8屈強比0.580.640.68伸長率/%9.5（最?。?622由表1可知，經20%膨脹后，由于加工硬化的作用，L-80、K-55的抗拉強度都有所提高，伸長率都有所降低，由于膨脹殘余應力的影響，屈服強度數據較分散，但所有數據均滿足API5CT的要求。膨脹后的管材沖擊韌性有所降低，同時由于包申格(Bauschinger)效應的影響，膨脹

10、后的套管抗擠強度降低約30%左右，如L-80的抗擠強度在膨脹后會比API Bulletin 5C3稍有降低，但通過一種特殊的工藝可使其得到部分恢復。表2 Al-killed C-Mn 鋼膨脹前后的力學性能性能未膨脹膨脹后時效后屈服強度0.2/MPa299382401抗拉強度b/MPa458507540屈強比0.650.750.74伸長率/%1965最大伸長率/%362218應變強化指數n0.190.070.07擠毀強度/MPa286217273硬度HRB72.63.985.60.489.00.3圖2 膨脹及時效對AI-killed C-Mn鋼的沖擊韌度影響 可膨脹管管材還可采用一種特殊的材料，

11、Al-killed C-Mn鋼，組織狀態(tài)為鐵素體加珠光體，經20%膨脹后其力學性能變化如表2和圖2，與L-80、K-55的性能變化類似，屈服強度、抗拉強度和硬度均有不同幅度的提高，擠毀強度、沖擊韌度降低，其性能指標基本接近K-55。管材膨脹后內部會有殘余的拉應力存在，經NACE TM0177試驗，證明上述材料對應力腐蝕不敏感。有資料顯示高強度的套管材料S-95、P-110也可以作為可膨脹管管材使用。綜上所述,可膨脹管管材必須具有足夠高的變形能力，膨脹后及應變強化后的屈服強度、抗拉強度、伸長率、硬度、沖擊韌度、擠毀強度和應力腐蝕敏感性等均應滿足API 5CT的要求。3.2 膨脹管連接螺紋的研究膨

12、脹套管連接螺紋的設計、加工是實施膨脹套管技術的重點和難點之一。膨脹套管之間的連接螺紋一般采用不同于API螺紋的特殊螺紋，要求這種螺紋在膨脹前后和膨脹過程中都能保持較好的密封性能和較高的連接強度，這對于一般的螺紋是很難做到的，必須是經過專門設計的特殊螺紋才能達到這一要求。在借鑒大量先進螺紋設計思想的基礎上，設計了一種能夠滿足膨脹套管使用要求的特殊螺紋接頭4。該連接螺紋具有以下特征：(1)接頭采用直接加工在管子上的螺紋連接，為無接箍式螺紋，需要對內、外螺紋同時進行冷磷化處理；(2)螺紋采用改進的偏梯形螺紋，螺紋齒形為倒鉤式，內外螺紋緊密咬合，強度高，該螺紋承載面角為9o，導向面角為10o，齒高為1

13、.575mm；(3)選用錐面/錐面密封形式，密封錐度為1：5密封效果好；(4)外臺肩(主臺肩)采用-15o的逆向扭矩臺肩，輔助密封效果好，同時保證在膨脹過程中內、外螺紋不分開，其中內臺肩為輔助臺肩，選擇直角臺肩形式；(5)接頭內、外均完全平齊，加工時不需要對接頭部位墩粗處理?；谙冗M的設計思想，結合可加工性能，確定該特殊螺紋的初步設計圖紙，然后將初步設計圖紙輸入計算機，運用有限元模擬方法，確定合理的公差范圍，進而確定最終的設計圖紙。3.3 驅動系統(tǒng)（驅動頭）的研究在對金屬管材擴徑膨脹芯頭調查研究和理論分析的基礎上,結合國外膨脹套管作業(yè)實踐,設計了膨脹錐幾何模型,見圖3。圖3中,a為芯頭錐角,為

14、潤滑輔助區(qū),為膨脹區(qū),為定徑區(qū)。圖3 膨脹芯頭外形結構 圖4 膨脹芯頭幾何尺寸膨脹作業(yè)時主要靠膨脹錐的膨脹區(qū)給管子內壁施加壓力使其發(fā)生塑性變形，定徑區(qū)的作用在于防止管壁發(fā)生大幅度回彈。（1） 潤滑輔助區(qū)的直徑與長度：潤滑輔助區(qū)的作用主要有2個，一是膨脹時將潤滑劑良好地帶入膨脹區(qū)，二是對即將進入膨脹區(qū)的管子起導向作用。該區(qū)段的外徑，應該小于管子膨脹前的內徑，見圖4。根據管材冷加工經驗，如果是經過退火處理的膨脹管，則。該段的長度主要對膨脹管起導向作用，不宜過長，一般可取其值為0.40.7。（2） 膨脹區(qū)的長度與椎角：從圖4所示的幾何關系可以很明顯地看出，膨脹區(qū)圓錐段的長度可由下式來確定：式中，膨脹

15、椎定徑區(qū)的直徑。錐角的選擇考慮了以下幾點因素:使變形區(qū)的金屬流動盡量流暢；有利于使?jié)櫥瑒┰谂蛎泤^(qū)建立流體潤滑條件；有利于管子軸線與膨脹錐軸線重合，使膨脹力方向正確；使膨脹力盡可能小。要從理論上確定精確的最佳錐角數值是非常困難的，在金屬管材冷加工中，這個角度也是根據經驗確定的，建議在具體設計時最好采用小錐角芯頭，一般以612o為宜。（3） 膨脹錐定徑區(qū)的長度與直徑：該段長度可在較大范圍內波動，對膨脹力和膨脹過程的穩(wěn)定性影響不大，另外，膨脹錐定徑區(qū)在長度方向可以帶有不大的錐度(直徑差O.lmm)。該段的外徑等于管子膨脹后所要達到的內徑。3.4 套管膨脹技術的力學研究：在這項研究中，需要解決的問題有

16、：下入井內的膨脹管軸相收縮率；膨脹管在膨脹后環(huán)空體積的膨脹管徑向收縮量；膨脹管在膨脹后是否能滿足井身設計所需的抗外擠強度；膨脹管在膨脹后的殘余應力；膨脹套管膨脹后的回彈量以及與上層套管間的連接與密封。3.5 配套工藝研究應根據可膨脹管的具體應用情況來完善相關工藝可行性及工藝實施過程，如擴眼、注水泥、鉆塞等都不同于常規(guī)的鉆井技術。4 現場試驗存在問題及解決方案4.1 試驗情況目前，已經對兩口套損井應用膨脹管技術進行修復 ，其應用過程中主要存在如下兩個問題：（1） 膨脹過程中容易出現膨脹錐被卡現象；（2） 在膨脹結束后取出膨脹工具困難，需要很大的力。 4.2 解決方案針對目前現場試驗中存在的問題，

17、考慮目前膨脹錐直是不可變的，提出研究可變直徑膨脹工具，使膨脹過程中膨脹錐在套管擴徑段直徑自動增大至mm，在套管正?；蜉p微縮徑井段直徑縮小至mm（直徑根據實際情況進行選擇）。其結構主要由引導脹頭、自適應膨脹環(huán)、錐形心軸、聯動機構幾部分組成。具體工作原理如下：（1） 經脹頭裝入膨脹管發(fā)射器內，連接投送油管下入井內預定位置。（2）地面打壓，壓力作用一級脹頭和錐形心軸，其合力推動脹頭整體下行對膨脹管體進行膨脹。（3）在脹頭通過套管內徑大于109mm的套損段時，一級脹頭將膨脹管內徑初脹至mm ,自適應膨脹環(huán)在錐形脹頭錐面作用下直徑擴大至mm，對膨脹管內徑進行二次膨脹。（4）當脹頭通過正常段或縮徑段時，由

18、于自適應膨脹環(huán)阻力增加，地面壓力增大，聯動機構開始動作，自適應膨脹環(huán)靠心軸錐面擠壓作用下滑壓縮聯動機構，使直徑縮小至mm，從而通過套管縮徑段。（5）當脹頭通過套管縮徑段進入擴大段時，聯動機構釋放自適應膨脹環(huán)，錐形脹頭的錐體繼續(xù)起作用，將自適應膨脹環(huán)直徑擴大至mm進行膨脹。421自鎖角的計算為防止膨脹過程中膨脹環(huán)與心軸產生自鎖，膨脹環(huán)角度（即圖1所示線段AB與CD延長線的夾角）必須大于其自鎖角。因此，應首先知道自鎖角的大小，然后再計算膨脹環(huán)的角度。目前脹頭與膨脹管內壁成角（即CD線與垂直方向的夾角為）。對圖1中滑塊的受力分析如圖2所示，其中：圖1 滑塊的結構示意圖圖2 自鎖角確定示意圖 （1）

19、（2） （3） （4）式中：膨脹管與膨脹環(huán)CD面之間的壓力（N）；膨脹管與膨脹環(huán)CD面之間的摩擦力（N）；膨脹環(huán)與心軸之間的壓力，即AB面壓力（N）；膨脹環(huán)與心軸之間的摩擦力（N）；膨脹管與膨脹環(huán)之間DE面的壓力（N）；膨脹管與膨脹環(huán)DE面之間的摩擦力（N）；線段AB與CD的夾角；膨脹錐角（15O已知）；鋼鋼靜摩擦系數（=1.5查表得）。當自適應脹頭沿AB面滑動不產生自鎖時，即 （5）將（1）、（2）、（3）式代入上式，則 （6）將（4）式代入（6）式，有 （7）變形得： （8）又因為：，兩端同時除以有： （9）整理得： （10）由于膨脹管膨脹過程中，力主要作用于滑塊的CD面上，因此，分兩種極

20、限情況對（10）式進行討論：（1）當時，（10）式可轉化為： （11）所以有：則 （2）當時，（10）式可轉化為：代入數值，有：則 綜上所述，自鎖角應該在之間。所以在設計時，為了避免滑塊自鎖，取。4.2.2 聯動機構提供力彈簧力的計算通過試驗得到數據：膨脹管內徑99.3mm，脹頭的最大外徑109.8mm，當壓強達到3233MPa時開始膨脹（這里選取=33MPa）。二次膨脹由109.8mm膨脹至112.8mm。所以：，。當膨脹管內徑由99.3mm膨脹至109.8mm時，膨脹壓力為： 圖3 膨脹錐在膨脹管內啟動示意圖圖4 膨脹錐受力示意圖由圖3所示，設處的壓強為，且由到壓強從0逐漸增加到。由圖4可

21、知，為的函數，則設=。當時，；當時，；所以： 當啟動時，膨脹錐所受向上的力與向下的力相等，所以有： （12）即： （13）當進行二次膨脹時力的變化趨勢和第一次是相同的，又由于材料變形后其達到塑性變形的極限值變化不大，所以仍假設處的壓強為。則此時作用于第二個膨脹錐的液壓力為：又因為：則 圖5 確定合力作用點處膨脹錐的半徑示意圖如圖4所示的受力情況，作用于滑塊CD面的合力的作用點應該位于距底端2/3處。如圖5所示，設合力作用點處膨脹錐的半徑為，所以有：則 因此，膨脹管作用于膨脹錐的力可以看作是作用于半徑為55.9mm的圓周上的力，設該圓周上單位長度（mm）的力為，如圖6所示，則(N)（N）設聯動機構提供給該圓周單位長度（mm）上的力為T，則滑塊滑動的臨界條件為： （14）當滑塊即將滑動時，（4）式中，。所