小口徑膨脹波紋管護壁技術在四川煤炭普查ZK3-1孔的應用

崔淑英， 邵玉濤， 陳曉君， 陳根龍

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

小口徑膨脹波紋管護壁技術在四川煤炭普查ZK3-1孔的應用

崔淑英， 邵玉濤， 陳曉君， 陳根龍

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

膨脹波紋管技術在國內外石油鉆井領域的應用已經(jīng)頗有成效，但是針對地質鉆探領域的小口徑膨脹管的研究卻成效甚微。為此專門研發(fā)了針對地質鉆探行業(yè)的小口徑膨脹管護壁技術。該技術成功應用于四川煤炭普查ZK3-1鉆孔封堵漏失地層，護壁后正常鉆進至終孔。此次小口徑膨脹波紋管的成功應用，為地質鉆探行業(yè)的事故處理提供了新方向，填補了我國在小口徑膨脹管技術領域的空白。

小口徑；膨脹波紋管；堵漏；護壁

隨著地質勘探工作的不斷深入，深井、超深井不斷增多，鉆進難度不斷加大，特別是鉆進過程中遇到坍塌、漏失、縮徑等復雜地層時，常常需要下入套管封固，增加套管層次。增加套管層次會導致完井井眼過小，甚至不能完孔，尤其是在終孔裸孔段發(fā)生需護壁的情況，不能下入套管，泥漿護壁也失敗的情況下，常常導致孔報廢，給施工方造成極大的經(jīng)濟損失?；谝陨蠁栴}，人們一直都在探索一種能夠等徑鉆進的工藝方法，遇到問題地層下入套管護壁，護壁后孔徑不減小，膨脹管護壁技術是邁向該目標的第一步。

膨脹管護壁技術目前是石油鉆井領域的前沿技術，俄羅斯韃靼斯坦石油公司(TATNEFT)在20世紀70年代利用可膨脹波紋管技術來封隔漏層，解決井漏問題，研制的規(guī)格范圍在?132～245 mm五種規(guī)格。國內自1998年開始，中國石油勘探開發(fā)研究院、中國石油大學(北京)、中石化德州石油鉆井研究所也相繼開展了膨脹波紋管的研究，研制的有?215.9～311.1 mm三種規(guī)格[1]。該技術目前在石油鉆井領域尚在探索完善階段，其在地質鉆探小直徑鉆孔中尚未使用。因地質鉆探口徑較小，裸孔段集中在?96和?76 mm左右兩種口徑較多。受空間尺寸的限制，膨脹波紋管所需的材質、器具結構及工藝要求非常苛刻。我所依托國家項目，經(jīng)過多年悉心研究，通過數(shù)百次的試驗和探索，從膨脹管材質、膨脹方式、膨脹器具、孔內應急預處理等方面進行攻關，攻克了小口徑膨脹護壁“瓶頸”，研發(fā)了具有全部自主知識產(chǎn)權的整套地質鉆探膨脹波紋管護壁器具及工藝。該護壁工藝和器具經(jīng)過大量的室內試驗后，在四川省宣漢縣樊噲鎮(zhèn)添子誠復背斜南西翼煤炭普查TZC03鉆場ZK3-1鉆孔進行了首次野外施工應用，并取得了成功，從而為膨脹波紋管護壁工藝的深入研究和推廣奠定了良好的基礎。

1 ZK3-1孔的基本情況

四川省宣漢縣樊噲鎮(zhèn)添子誠復背斜南西翼煤炭普查TZC03鉆場ZK3-1鉆孔，設計孔深510 m，鉆孔直徑77 mm，鉆深至420 m時，發(fā)現(xiàn)在上部128～132 m深沉積巖地層處出現(xiàn)不同程度的漏失。該漏失段為設計終孔孔徑段，若采用普通套管進行護壁，將會影響取心直徑，而多次采用泥漿護壁均未成功。在此種情況下決定采用膨脹波紋管進行護壁堵漏。膨脹波紋管護壁可實現(xiàn)護壁后通徑大于等于原有裸孔直徑，且膨脹后波紋管能夠穩(wěn)固的懸掛到孔壁，能夠經(jīng)受正常鉆進后鉆桿對孔壁的擾動。

根據(jù)所取巖心情況(見圖1)，判斷漏失段發(fā)生在128～132 m處，在127 m以淺地層和133 m以深地層巖心的完整性均較好。

圖1 漏失段巖心

2 膨脹波紋管的工作原理

膨脹波紋管主要利用金屬的塑性變形原理將圓形管通過拉拔或壓軋等方法使其變?yōu)楫愋?，異形管端面?字形[2]或呈瓣數(shù)不等的梅花形(見圖2)，統(tǒng)稱為膨脹波紋管。變形前圓管內徑大于需要護壁的孔徑，變形后管外徑小于所需護壁段孔徑，將變形后的膨脹波紋管送入到需要護壁的孔段，通過機械或液壓的方式將其膨脹開，膨脹后的管內徑大于等于需要護壁段的孔徑。膨脹波紋管變形膨脹過程如圖3所示。

若完成上述變形過程，要求管子本身具有以下幾個特點：

(1)良好的塑性及金屬流動性；

(2)機械變形后不易出現(xiàn)應力集中；

(3)可焊接性好，由于管子長度受運輸條件限制，護壁長度較長時需要對管子進行焊接；

(4)膨脹后具有較好的冷作硬化特性。

圖2 膨脹波紋管斷面

圖3 膨脹波紋管變形膨脹過程

只有滿足以上幾點要求，波紋膨脹管才能完成變形和膨脹兩個過程。膨脹波紋管的膨脹方式有機械式和液壓式，機械式膨脹由于膨脹前后的尺寸變化較大，膨脹阻力較大，因此，通常采用液壓式膨脹，膨脹后再通過機械規(guī)圓器具對膨脹后的波紋管內徑進行規(guī)圓處理。

3 膨脹波紋管施工工藝流程

波紋管護壁能否成功一方面取決于波紋管自身屬性，如管材屬性、截面形狀等，另一方面取決于施工工藝流程是否合理，能否準確下放到事故地層，能否在千米深孔下順利膨脹、膨脹后如何順利提鉆等都是影響護壁成功的重要因素，因此一套合理的施工工藝流程至關重要。膨脹波紋管施工工藝流程見圖4。

圖4 膨脹波紋管施工工藝流程

(1)判斷擴孔位置及護壁位置：根據(jù)巖心情況，判斷孔內問題地層出現(xiàn)的位置，確定需要擴孔的孔段及膨脹護壁的位置；

(2)擴孔：根據(jù)膨脹后波紋管的外徑及橡膠壓縮量，確定擴孔直徑進行擴孔；

(3)計算護壁長度：若護壁長度在單根膨脹波紋管長度范圍內，直接焊接上下封隔器即可，若護壁長度大于膨脹波紋管單根長度，則需在現(xiàn)場焊接兩根波紋管，然后再焊接上下封隔器；

(4)下入波紋管：孔口組裝膨脹波紋管(已焊接上下封隔器)+送入器具+接頭+鉆桿；

(5)膨脹打壓：將波紋管下放到護壁位置，向鉆桿內注水膨脹打壓，膨脹壓力達到設計要求后停止打壓；

(6)切頭切尾：膨脹工作結束后，下入切頭切尾工具，將上下封隔器切除；

(7)機械規(guī)圓：下入規(guī)圓器具將已膨脹后的波紋管內壁進行規(guī)圓處理，使鉆頭能夠順利通過；

(8)下入鉆頭繼續(xù)等直徑鉆進。

4 膨脹波紋管護壁技術在ZK3-1孔的現(xiàn)場應用

4.1 判斷擴孔段位置和護壁段位置

根據(jù)所取巖心情況，判斷漏失地層位置，根據(jù)巖心的完整情況，判斷膨脹波紋管的懸掛段位置及擴孔段位置。漏失段：128～132 m；護壁段：127～133 m；擴孔段：126～134 m；懸掛段：126～127和133～134 m。

4.2 擴孔作業(yè)

膨脹波紋管護壁工藝能否取得成功，擴孔作業(yè)是關鍵性、基礎性的環(huán)節(jié)，擴孔孔徑的尺寸及孔壁的表面質量直接影響到后期懸掛效果好壞，孔徑過大，懸掛力不足；孔徑過小，膨脹不到位，波紋管的通徑減小，因此選擇合適的擴孔鉆頭及工藝是至關重要的環(huán)節(jié)。現(xiàn)場擴孔作業(yè)見圖5。

根據(jù)巖層情況采用的擴孔鉆頭為PDC復合片式的開合刀翼形式。擴孔鉆頭由鉆頭體、刀翼、活塞桿、彈簧和限位塊等組成。在液壓力推動作用下活塞桿下移，活塞桿下移過程推動刀翼打開，根據(jù)擴孔尺寸的需要調整限位塊位置，刀翼打開至設定尺寸后限位塊阻止刀翼繼續(xù)打開，從而保證擴孔直徑不會超過設計尺寸。

(1)擴孔準備：為保證擴孔工作的正常進行，確定擴孔鉆頭與現(xiàn)場配套泥漿泵站的參數(shù)，在井口對擴孔器具進行工作性能測試；測試結果表明，擴孔鉆頭能夠正常工作，工作過程中泵壓為3～4 MPa。

(2)擴孔鉆桿準備：根據(jù)擴孔起始位置126 m、立根長度9 m、單根鉆桿長度3 m以及立柱有效長度4.2 m，確定擴孔所需立根14根、單根鉆桿2根。

(3)擴孔施工：順序連接擴孔鉆頭+14根立根+立柱，開啟鉆機系統(tǒng)、泥漿泵系統(tǒng)，添加鉆桿至擴孔深度134 m處停止鉆進。

(4)擴孔效果檢驗：擴孔工作完成后，保持泵站開啟狀態(tài)下提升下放鉆具。如提升下放正常，則認為擴孔效果良好；如遇阻，則需從遇阻上段重新開始擴孔，直至擴孔段完成擴孔作業(yè)。

4.3 膨脹作業(yè)

4.3.1 鉆桿試壓

進行膨脹作業(yè)前隨機選取若干根鉆桿進行打壓測試，保證鉆桿密封性。

4.3.2 波紋管連接

ZK3-1鉆孔漏失地層為128～132 m，護壁段為127～133 m，護壁長度為6 m,單根波紋管長度為9 m，在單根波紋管長截取6 m，上下焊接封隔器，焊接后通過超聲波檢測儀檢測焊道質量。

膨脹波紋管管串的連接順序為：下封隔器+膨脹波紋管+上封隔器+送入器具+接頭+鉆桿。

4.3.3 液壓膨脹

將波紋管管串下放到設計的位置(見圖6)，使用現(xiàn)場BW-160型泥漿泵和3倍增壓缸，向波紋管管串內注入液體，由于鉆桿老化密封性較差，設計膨脹壓力21 MPa時能達到最佳的膨脹效果，但現(xiàn)場膨脹壓力達到17 MPa后則不能繼續(xù)上升，根據(jù)室內試驗結果，17 MPa壓力下膨脹波紋管的通徑已經(jīng)滿足要求大于原裸孔直徑，基于此結束膨脹，開始進行后續(xù)工作。

圖5擴孔作業(yè)圖6下放波紋管管串

4.3.4 切頭

啟動鉆機，正常鉆進13 min后，鉆進速度明顯加快，此時割管器底端所處位置為127.08 m，繼續(xù)鉆進300 mm后提起鉆桿鉆具。經(jīng)檢查，切管器內有完整的波紋管上封隔器，證明切頭作業(yè)順利完成，切頭后波紋管無滑移現(xiàn)象，波紋管頂端所處位置在孔內127.08 m處，和下放尺寸基本吻合。

4.3.5 切尾

將切尾器具下放送入到孔內，至無法下放，測量此時下入的鉆具及鉆桿的尺寸為132.76 m，和波紋管設計的下放底部尺寸133 m基本吻合。啟動鉆機及泥漿泵系統(tǒng)，1 h后鉆進切割速度變慢，切尾作業(yè)結束。

4.3.6 機械膨脹

在孔口檢測機械膨脹器具的工作性能，泥漿泵壓力5～6 MPa，工作介質泥漿，滑塊上升下降順暢，滑塊最大打開至?78 mm。下放機械膨脹器到孔內126.5 m處，開啟旋轉機構和泥漿泵，當壓力升到6 MPa時開啟鉆機給進機構。至膨脹器下放到孔內134 m處，機械膨脹完成。機械膨脹鉆具與接頭之間連接通管器，直徑76 mm，機械膨脹鉆具自上而下后，將滑塊收回至最小，上提下放鉆桿，上下無阻力證明波紋管內徑已經(jīng)大于76 mm，?75 mm繩索取心鉆頭能夠順利通過。

4.4 施工效果

膨脹波紋管膨脹作業(yè)結束后，漏失情況完全控制，下入?75 mm繩索取心鉆頭，正常鉆進至終孔510 m。

5 膨脹波紋管護壁技術在其他鉆孔的應用

膨脹波紋管護壁技術在ZK3-1鉆孔的應用為該技術在地質鉆探孔的首次成功應用，此后該技術成功應用于不同問題地層，成功解決了這些問題地層長期無法鉆進的難題，防止了廢孔的產(chǎn)生，為施工方挽回了巨大經(jīng)濟損失。膨脹波紋管護壁技術在其他地質鉆探孔成功應用情況見表1。

表1 膨脹波紋管護壁技術成功應用情況

6 結語

(1)小口徑膨脹波紋管護壁技術在四川煤炭普查ZK3-1鉆孔的成功應用，是我國膨脹波紋管技術首次成功應用于地質鉆探領域，據(jù)可查閱資料，在如此小口徑孔內成功進行膨脹管護壁的案例在國際上尚未見報道。

(2)在施工中發(fā)現(xiàn)膨脹波紋管技術仍有很大的提升空間，本次施工屬于淺孔施工，多次提下鉆對工期影響不明顯，若遇深孔超深孔施工，一次提下鉆時間十幾個小時，后續(xù)工作需繼續(xù)優(yōu)化膨脹波紋管的護壁工藝流程，盡量減少起下鉆次數(shù)。

(3)根據(jù)目前地質鉆探孔徑系列，應研發(fā)系列膨脹波紋管，使該技術能夠廣泛應用于地質鉆探領域。

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ApplicationofSmallDiameterExpandableConvolutedTubingTechnologyinZK3-1DrillingforSichuanCoalSurvey

CUIShu-ying,SHAOYu-tao,CHENXiao-jun,CHENGen-long

(The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China)

Expandable convoluted tubing technology has been applied in the field of petroleum drilling both in China and abroad, but the research on small diameter expandable convoluted tubing in the field of geological drilling has little effect. In this case, mall diameter expandable convoluted tubing technology for geological drilling industry is researched and developed, which has been successfully applied in sealing up the leaky stratum in ZK3-1 drilling in Sichuan coal survey, then drilling to the final depth. This application is a new field for the accident treatment in geological drilling industry, which fills the gap in the field of small diameter expandable convoluted tubing in China.

small diameter; expandable convoluted tubing; sealing; breast wall

2017-03-31；

2017-06-13

國土資源部公益性科研項目“馬坑礦區(qū)復雜地層膨脹管技術的應用研究”(編號：201311059)

崔淑英，女，漢族，1983年生，碩士，從事地質鉆探工藝及器具研究工作，河北省廊坊市金光道77號，306011322@qq.com。

P634

A

1672-7428(2017)09-0073-04