可膨脹管關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)理簡(jiǎn)述

【摘 要】為應(yīng)對(duì)在石油鉆井工程中堵漏、修復(fù)、防砂和防塌等技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外開始研究可膨脹管技術(shù)?，F(xiàn)如今可膨脹管技術(shù)已經(jīng)成為石油工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速的技術(shù)之一。國(guó)外已成功應(yīng)用可膨脹管技術(shù)，國(guó)內(nèi)對(duì)于該技術(shù)也相應(yīng)的進(jìn)行了理論研究和室內(nèi)室外實(shí)驗(yàn)?？膳蛎浌芗夹g(shù)可用于多種類型油井的建井、完井及固井作業(yè)。其使用范圍相對(duì)來說比較廣，從陸地到淺海，甚至到深海。本文針對(duì)可膨脹管關(guān)鍵技術(shù)及膨脹機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)述。

【關(guān)鍵詞】完井及固井；可膨脹管技術(shù)；石油工業(yè)領(lǐng)域

可膨脹管技術(shù)就是將下到井眼中的鉆井管柱，在管材塑性變形區(qū)域內(nèi)，通過液壓或機(jī)械驅(qū)動(dòng)錐體，使管柱徑向膨脹并發(fā)生永久塑性變形，達(dá)到所需生產(chǎn)管柱內(nèi)徑，從而“節(jié)省”井眼直徑、縮小鉆孔尺寸的一種鉆井新技術(shù)。該技術(shù)最終目標(biāo)是可用同一種直徑的鉆頭鉆進(jìn)，并用同一種直徑的套管完井，優(yōu)質(zhì)快速、高效地鉆達(dá)預(yù)定層，實(shí)現(xiàn)同一直徑的鉆井、完井、固井，能提高鉆井作業(yè)效率和固井質(zhì)量，以及改善現(xiàn)有的井身結(jié)構(gòu)和解決修井系列難題，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)可膨脹管的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述并對(duì)可膨脹管發(fā)展提出建議。

1.可膨脹管關(guān)鍵技術(shù)

1.1可膨脹管材料的挑選

可膨脹管在塑性變形區(qū)域內(nèi)膨脹[3]（見圖1），這就要求其材料在膨脹過程中應(yīng)具有良好的塑性變形能力，低的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比、足夠的抗拉強(qiáng)度、良好的塑性、沖擊韌性和抗腐蝕、磨損及斷裂等性能[4]。許瑞萍等通過實(shí)驗(yàn)研究，提出了可膨脹管材料鐵基膨脹合金設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，認(rèn)為可膨脹管材料應(yīng)具備高塑性、高強(qiáng)度、高加工硬化率和強(qiáng)塑性等特點(diǎn)，可采用材料在外加應(yīng)力的作用下，發(fā)生奧氏體γ轉(zhuǎn)變?yōu)棣篷R氏體相變來提高材料的強(qiáng)塑性[5]。

目前所用的可膨脹管材料是經(jīng)過特殊熱處理后普通油田管材用的鋼材，熱處理后能增加材料的塑性、延展性和斷裂韌性，降低缺陷敏感性[6]。理論和實(shí)踐證明，管體在膨脹后，管體長(zhǎng)度將收縮3%～4%，壁厚將減少3%～6%；管柱在膨脹后其抗拉強(qiáng)度有所增加，但抗外擠壓強(qiáng)度會(huì)下降至膨脹前的50%～60%，其原因普遍認(rèn)為是金屬的包辛格效應(yīng)造成的。在國(guó)內(nèi)，自從引進(jìn)可膨脹管技術(shù)后，國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)開始關(guān)注管材的研究，但都還沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，因而我國(guó)對(duì)膨脹套管技術(shù)的研究還僅限于機(jī)理分析和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)期[1]，還不能把可膨脹管技術(shù)運(yùn)用于油氣田的開發(fā)。

圖 1 應(yīng)力和應(yīng)變

1.2膨脹錐

膨脹錐是膨脹系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，分為固定式和可變徑式兩種。由于管柱被下到井下幾百米、甚至上千米再進(jìn)行徑向膨脹，膨脹錐要受到很大的界面應(yīng)力，這就要求膨脹芯頭具有硬度高、強(qiáng)度大、耐磨損和潤(rùn)滑性好，以及適宜的摩擦因數(shù)、合適膨脹芯頭接觸錐角及錐體結(jié)構(gòu)，才能在鉆井完井中保證膨脹作業(yè)的順利進(jìn)行。劉永剛等用ADTNA有限元軟件對(duì)膨脹芯頭在不同的接觸錐角a取值情況下進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，通過定量分析、比較其模擬結(jié)果，找出適合膨脹管膨脹錐角a的最佳取值，目的為膨脹芯頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于膨脹芯頭接觸錐角選值與膨脹區(qū)的接觸面、膨脹管與膨脹芯頭間的潤(rùn)滑和接觸壓力以及膨脹管膨脹后的管內(nèi)殘余應(yīng)力和內(nèi)壁的表面質(zhì)量有關(guān)，故一般以6～7°為宜。圖2是膨脹錐各部分的幾何尺寸圖[2]。

圖 2 膨脹錐幾何尺寸

1.3可膨脹管的螺紋連接

膨脹管在膨脹前、膨脹過程中以及膨脹后能否保持管柱的抗壓和抗拉及密封的完整性，決定管柱膨脹是否順利進(jìn)行。因而，可膨脹管之間的連接不能用普通管螺紋，這樣既不能使膨脹錐通過，更不能確保膨脹后密封。國(guó)外最初在地面實(shí)施了用焊接的方法將管子連接起來的膨脹試驗(yàn)，并取得了成功。后來，專門用于可膨脹管連接的特殊螺紋問世，能充分滿足膨脹管膨脹后的力學(xué)性能和密封的完整性。該特殊螺紋的膨脹先是公接頭向外膨脹，并保持和母接頭的適宜的螺紋接觸，采用連接部分和管體部分具有相同的外徑和內(nèi)徑的“平齊式”連接，這樣有利于保持密封性，還能克服普通螺紋連接在膨脹過程中可能遇到的一系列難題。

2.可膨脹管膨脹機(jī)理

可膨脹管分為可膨脹式割縫管和可膨脹式實(shí)體管兩大類，可膨脹式割縫管具有一系列串聯(lián)的、互相交錯(cuò)的軸向割縫，割縫的布置使得管柱更易于膨脹?？膳蛎泴?shí)體管對(duì)選材要求較嚴(yán)格，必須利于膨脹。

無論是割縫管還是實(shí)體管都是以常規(guī)的尺寸下入到井內(nèi)的預(yù)定位置固定，然后用驅(qū)動(dòng)頭驅(qū)動(dòng)膨脹管產(chǎn)生永久變形，最后通過注水泥固井或其它的配套工藝來達(dá)到不同的目的。

可膨脹管封固技術(shù)的工藝流程主要包括：擴(kuò)眼、下入膨脹管、注水泥、膨脹、鉆水泥塞等幾個(gè)方面，見圖3。

圖 3 可膨脹管封固技術(shù)工藝流程圖

可膨脹管是通過驅(qū)動(dòng)頭及與之相連的鉆柱送至井下的，驅(qū)動(dòng)頭與膨脹管用剪銷連接。當(dāng)膨脹管被送至預(yù)定位置，為保證水泥漿的完全頂替，必須在膨脹割縫管之前注水泥，然后加力剪斷剪銷就可促使可膨脹管膨脹。膨脹管之間的可膨脹連接及可膨脹式套管附件是關(guān)鍵技術(shù)，可膨脹管附件包括：（1）可膨脹引鞋，它的作用一是引導(dǎo)可膨脹管的順利下入，二是幫助將膨脹管膨脹到底部。（2）可膨脹扶正器，其作用是在斜井中使可膨脹管居中，以利于注水泥和固井?？膳蛎浌苤g的連接是用特殊螺紋，國(guó)外已在這方面做了大量的工作，其基本的原理是要保證在膨脹前、膨脹過程中及膨脹后保持連接強(qiáng)度及密封的完整性，對(duì)于可膨脹割縫管需保持（下轉(zhuǎn)第239頁(yè)）（上接第227頁(yè)）連接及抗拉、抗壓強(qiáng)度的完整性。因此，它要求驅(qū)動(dòng)時(shí)從公扣開始，以免脫扣。

在注水泥的時(shí)候，對(duì)于可膨脹式割縫管只能應(yīng)用平衡塞注水泥技術(shù)，且割縫必須預(yù)先用樹脂類物質(zhì)填充。

在鉆水泥塞的時(shí)候，所用鉆頭必須是欠尺寸的，以免破壞膨脹管。

3.建議

（1）膨脹管技術(shù)在鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用，可在不改變?cè)芯碓O(shè)計(jì)的條件下處理鉆遇問題，達(dá)到節(jié)約鉆井成本、延長(zhǎng)鉆井深度的目的。

（2）隨著膨脹管技術(shù)的快速發(fā)展和鉆井工程中的需求提高，該技術(shù)將會(huì)逐步完善，并成為解決鉆遇漏失、套管下放不到位和高低壓同層等問題的新技術(shù)，具有廣闊的生產(chǎn)需求和市場(chǎng)前景。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]孟慶昆，謝正凱，馮來.可膨脹套管技術(shù)概述[J].2003，26（4）：67-68.

[2]李作會(huì).膨脹管關(guān)鍵技術(shù)研究及首次應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2004，26（3）：17-19.

[3]Kenneth K.，Dupal，Donald B.Campo，etal.SolidExpandableTubular Technology-A Year of Case Histories in the Drilling Environment. SPE/IADC 67770，F(xiàn)ebruary，2001.

[4]許瑞萍，劉潔，張玉新，等.石油膨脹管材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[J].石油機(jī)械，2005，33（11）.

[5]SET Technology：setting the standard.Solid Expandable Tubulars，2002，（3）：2.

[6]Rune Gusevik，Randy McrrittReaching.Deep Rese-voir Targets Using Solid Expandable Tubular[R].SPE77612，2002.