石油膨脹管技術(shù)的中國式突破

近期，國外在降低鉆井成本和提高采油技術(shù)方面有一個階段標(biāo)志性突破，其核心是膨脹管技術(shù)。它一出現(xiàn)便產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，全面帶動鉆井、完井、修井和懸掛等各層面的工藝，根本改變了原有技術(shù)格局，因此說膨脹管技術(shù)是石油鉆采技術(shù)的一次革命，是二十一世紀(jì)石油鉆采行業(yè)的核心技術(shù)之一。

一、膨脹管的提出

膨脹管技術(shù)，顧名思義，就是通過液壓或機(jī)械驅(qū)動錐體或滾球、擴(kuò)張膨脹套管。用這種施工技術(shù)既縮小鉆孔尺寸，又?jǐn)U大套管采油通徑，能大幅度地提高建井速度和降低施工成本。

這個技術(shù)創(chuàng)意提出較早，1991年由殼牌公司提出膨脹管構(gòu)想，但直到1999年殼牌與美哈里伯頓能源公司合伙成立Enventure公司，才開始正式工程實(shí)施并試用。

膨脹管類別主要有兩類，第一種是實(shí)體膨脹管SET（SolidExpandableTubulars）：管型屬于連續(xù)均質(zhì)金屬管。它的特點(diǎn)是通過液壓或機(jī)械膨脹，使管徑發(fā)生10-30%塑變。主要經(jīng)營者是上述提到的Enventure公司。至2004年4月，該公司利用錐體膨脹，在253口井進(jìn)行商業(yè)服務(wù)，施工總長度達(dá)270000英尺，膨脹接頭6800個，成功率達(dá)95%以上。另外Weatherford公司利用滾球膨脹，成功作過1500次嘗試。第二種是分層或網(wǎng)狀膨脹管，包括膨脹防砂管ESS(ExpandableSandScreens)和膨脹割縫管EST（ExpandableSlottedTubulars），管型屬于不連續(xù)金屬夾層網(wǎng)，它的特點(diǎn)是通過液壓或機(jī)械膨脹，使管徑發(fā)生30-300%塑變。主要公司是Petroline公司，產(chǎn)品在中東、歐美、亞太和中非廣泛應(yīng)用，用于裸眼膨脹井和礫石充填油氣井，現(xiàn)場成功率幾乎達(dá)100%。以下重點(diǎn)說明實(shí)體膨脹管。

二、膨脹管技術(shù)特點(diǎn)

石油膨脹管技術(shù)作為二十一世紀(jì)石油鉆采業(yè)的核心技術(shù)之一，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在五個方面：

（1）優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)新技術(shù)以近柱狀的井深結(jié)構(gòu)代替原有上大下小、大錐度分布套管，例如國內(nèi)超深井和海洋鉆井原采用的套管系列，自上而下為六級管徑30?-20?- ?- ?-7?- ?。由于上部套管過大，提高了管材成本；相應(yīng)對于大鉆孔破巖的扭矩也大，這樣只能被迫拉低鉆速，鉆進(jìn)進(jìn)尺緩慢，延長了鉆井周期。用膨脹管技術(shù)，可將上部鉆井尺寸縮小一半為16?，甚至 ?上下一樣粗。這樣鉆井加快鉆進(jìn)，節(jié)省鉆孔套管，鉆井完井周期縮短30-50%，系統(tǒng)工程費(fèi)平均降低40%。

（2）提高固井質(zhì)量，增大完井通徑，延長使用壽命膨脹管下井到位后，先壓注泥漿，后經(jīng)膨脹壓實(shí)，提高了基礎(chǔ)密實(shí)程度，穩(wěn)定固井質(zhì)量，延長油井使用壽命。同時新技術(shù)可增大套管工作通徑40%或更大，利于提高單井產(chǎn)量。

（3）解決修井系列難題，提高可修井比例利用上述膨脹管可以修補(bǔ)長井段；同時利用膨脹管技術(shù)，借助其剛?cè)峤Y(jié)合的界面，松弛熱疲勞應(yīng)力，能把缺陷井修復(fù)率由1/2提高至4/5。特別對于修補(bǔ)大段腐蝕套管、側(cè)鉆井、水平鉆井，更為方便。目前國內(nèi)有大量中后期采油井，由于地下水腐蝕、機(jī)械損傷、應(yīng)力裂紋和套管錯斷，引起地下水灌井。國內(nèi)封井總數(shù)超過兩萬，積壓建井費(fèi)用累計(jì)逾1000億，并且每年還有5%工作井轉(zhuǎn)入上述封井行列。現(xiàn)在可能修復(fù)的漏井充其量不到封井總數(shù)的1/3，有以下四類缺陷井，用傳統(tǒng)技術(shù)無法修補(bǔ)：長度20-400m的長距離缺陷井；熱采井周期產(chǎn)生熱應(yīng)力具有熱疲勞的缺陷井段；套管內(nèi)徑大小不一的缺陷井段；管路扭曲的缺陷井段。以上四類老大難井段，用膨脹管均可修復(fù)。

（4）強(qiáng)力懸掛和封隔所制作的懸掛器和封隔器密封可靠、操作容易、結(jié)構(gòu)輕便、成本低廉。

（5）處理應(yīng)急復(fù)雜地層多發(fā)事故特別是對于我國西部油田常見的鹽壓裂碎石帶、壓裂壓力敏感帶和煤層、泥巖層、流沙層、鹽膏層、變壓力層、糖葫蘆井眼塌方等復(fù)雜井況，很適合應(yīng)用膨脹管。

三、石油發(fā)展戰(zhàn)略需要膨脹管

還沒有一種商品像石油這樣令人關(guān)注，卡特里娜旋風(fēng)再度繃緊了人們神經(jīng)。風(fēng)漲的油價扶搖直上，將石油市場推到高油價階段。從1999年每桶10美元到2006年4月紐約商品交易所原油價飆升到75.17美元，幾年之間漲幅高達(dá)650%。石油價格成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展風(fēng)向標(biāo)和人們注視的第一焦點(diǎn)。同時，石油從經(jīng)濟(jì)范疇走向政治領(lǐng)域，國際的資源外交演變成武力搶奪，發(fā)動科威特、伊拉克石油戰(zhàn)爭，又陰謀挑起伊朗戰(zhàn)爭。

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展刺激了石油需求和進(jìn)口，我國現(xiàn)已成為世界第二石油進(jìn)口國。觀察中國石油供應(yīng)來源和需求走向，2004年國內(nèi)供應(yīng)量為26000萬噸，其中內(nèi)陸產(chǎn)油近半，為12500萬噸，海外海洋采油4500萬噸，占17%，買油進(jìn)口9000萬噸，進(jìn)口率為36%。預(yù)計(jì)在大力增產(chǎn)節(jié)約和開發(fā)新能源前提下，2020年原油仍需33000萬噸左右，15年后的內(nèi)陸由于資源限制，產(chǎn)量將降到10000萬噸；海外海洋采油必須成倍增加，達(dá)到12000萬噸以上；而且買油進(jìn)口形勢也不容樂觀，估計(jì)只能有限增加約11000萬噸或更少。當(dāng)前多邊石油貿(mào)易所面臨的現(xiàn)實(shí)是石油合同反復(fù)多變，美國、日本為遏制中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，夢想把石油當(dāng)作控制中國的緊箍咒。因此今天石油超越了經(jīng)濟(jì)范疇，已成為中國應(yīng)對西方的外交主題和政治博弈。

在北側(cè)用邊境談判換回的安大輸油線，2004年12月被貝加爾湖泰舍特到納霍德卡港的所謂泰納線代替，2005年4月又發(fā)生中國支線與泰納主線建設(shè)的先后順序之爭；在西側(cè)哈薩克斯坦美國又貸款又駐軍軟硬兼施，將石油引入巴杰線，把哈薩克石油通過巴庫-里海石油管線直接送到土爾其地中海城市杰伊漢，妄圖把5000萬噸的中哈供油協(xié)議架空；南側(cè)在75%石油進(jìn)口渠道馬六甲海峽，美日聯(lián)合操練“縱橫軍刀”演習(xí)，航運(yùn)長期安全難保。設(shè)想開拓克拉地峽要十年之后，中緬石油管道提案遠(yuǎn)未定型；東側(cè)日美勾結(jié)把臺灣海峽列為動武范圍，2004年七艘航母游弋示威，2005年在釣魚島聯(lián)合進(jìn)行大規(guī)模軍事演習(xí)。因此外匯儲備優(yōu)勢不能保證石油安全進(jìn)口可靠性。

從安全穩(wěn)妥供油角度考慮，近海開發(fā)和海外采油應(yīng)成為國家供油的主要渠道，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展海洋石油，盡快提高國內(nèi)海洋井的比例。中石油在北非、中亞、南美、亞澳18個國家，參與44項(xiàng)石油工程、總投資400億美元；中石化參與伊朗、加蓬、哈薩克斯坦、也門、厄瓜多爾石油天然氣項(xiàng)目，并在油氣密集區(qū)沙特阿拉伯登陸。中海油收購澳大利亞、加拿大、印尼和西班牙的十個油田和緬甸A10-M10區(qū)塊，參與摩洛哥、菲律賓、越南合作勘探。現(xiàn)已查明海洋石油儲量是內(nèi)陸三倍，并已具備開發(fā)條件，有很大潛力。例如東海油田油儲量有77億噸，僅石油一項(xiàng)即可供中國使用80年。現(xiàn)在的中海油每年充其量只建一百口生產(chǎn)井和三十口探測井，只相當(dāng)內(nèi)陸年鉆井量的百分之一。現(xiàn)在淺海部分以我為主互相合作，而深海技術(shù)我們還在交白卷，工程只能送到外國公司手里，風(fēng)吹草動難以依靠，問題關(guān)鍵是我們沒有獨(dú)立自主的海洋石油技術(shù)。中海油曾用185億美元收購優(yōu)尼克公司，引起美國朝野一片噪動，懷疑這種收購是用天價購買海洋石油技術(shù)，所以國會連夜開會，斷然拒絕中國收購。優(yōu)尼克事件再次提供了重要啟示，正如溫家寶所說的，“自主創(chuàng)新是支撐一個國家崛起的筋骨，真正的核心技術(shù)是買不來的”。

膨脹管是石油鉆采方面一項(xiàng)重要的核心技術(shù)，特別是其中的“同一口徑膨脹管技術(shù)”將在開發(fā)深海起重大作用。隨著膨脹管技術(shù)普及和價格走平，完全有可能大規(guī)模代替普通套管，這樣膨脹管年產(chǎn)量就能達(dá)到幾十或上百萬噸，意義十分重大。因此推廣膨脹管技術(shù)，絕不是銷售幾種新產(chǎn)品，而是進(jìn)行一場石油鉆采的技術(shù)革命。

產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵是技術(shù)升級，首要是創(chuàng)新和掌握核心技術(shù)，開發(fā)膨脹管能“以技術(shù)換石油”。膨脹管技術(shù)的使用，不僅可使石油工業(yè)大量節(jié)能，獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益，而且可以帶動海洋石油技術(shù)發(fā)展，擺脫國外技術(shù)控制局面，可以充分利用我國近海和大陸架以及國外石油天然氣資源，大量增產(chǎn)石油，從根本上解脫我國石油需求的風(fēng)險，使我們國家在政治上、外交上以及經(jīng)濟(jì)上處于更為有利的地位。

四、膨脹管給創(chuàng)新鋼管產(chǎn)業(yè)帶來機(jī)遇

人均GDP不能說明經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，還應(yīng)當(dāng)考慮未來一段時間的漲落趨勢，稱作持續(xù)人均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值（SPCGDP）。顯然這個指數(shù)取決于投入資源（包括市場、礦產(chǎn)和環(huán)境）和投入技術(shù)（包括科技、教育和政策）兩大因素。早在40年前山西煤化工專家蘭弗就提倡節(jié)約能源，反對大量燃煤污染環(huán)境，主張通過煤的深加工，提取高附加值材料，但直到今天我們還是世界煉焦主要生產(chǎn)和經(jīng)受污染的國家；另外國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值與原油耗量的比值外為4.7GDP元/石油升，中國竟是英國的12倍，過量消耗資源，這代人生活上去了，而資源不能再生，子孫后代怎么辦？單純投入資源必然使SPCGDP下滑，相反投入技術(shù)則明顯上升。2003年美Enventure公司在勝利油田安裝 ″膨脹管，對外保密封閉施工，每米賣萬元天價，兩口側(cè)鉆井800米、花費(fèi)800萬元，折合每噸管60萬元/噸。其實(shí)這種含少量錳、鉻的直縫管和施工指導(dǎo)費(fèi)，充其量成本0.8萬/噸，這里技術(shù)附加值高達(dá)96%，高額利潤促進(jìn)良性循環(huán)均衡發(fā)展，必然使SPCGDP直線上升。因此目前在利用市場和人力優(yōu)勢、振興經(jīng)濟(jì)和積累外匯的基礎(chǔ)上，應(yīng)及時轉(zhuǎn)向大力投入技術(shù)，以獲得高SPCGDP值，快速提高人均GDP。

我國是鋼管大國，2005年產(chǎn)量2547萬噸，占世界1/4，但總體檔次較低，出口139萬噸的品位有待提高。無縫鋼管占總量40%，年產(chǎn)1047萬噸；其中油井管屬于無縫鋼管中的上乘產(chǎn)品，年產(chǎn)約209萬噸，占整個無縫鋼管20%；而套管是油井管的主體，占86%，年產(chǎn)180萬噸。相對比較，石油套管在鋼管中屬于重中之重的地位。而石油膨脹管，屬于套管的高科技的換代產(chǎn)品。強(qiáng)度和塑性有良好的結(jié)合，并且耐腐蝕，具有高的技術(shù)附加值，預(yù)計(jì)出口和內(nèi)銷都有遠(yuǎn)大前景。當(dāng)前世界每年鉆井5萬口，油井套管年需求800萬噸，調(diào)平價位后，膨脹管可以代替普通套管，完全可能超過百萬噸。從世界產(chǎn)品價值鏈分布看，品牌和創(chuàng)新為利潤價值上端，裝配和加工屈居下側(cè)，而品牌又主要決定于創(chuàng)新技術(shù)的含量。可以看出，在國家支持下，中石油、中石化、中海油大力協(xié)同下，膨脹管作為典型產(chǎn)品，在三五年內(nèi)不僅能創(chuàng)造高額利潤，推動建立高新技術(shù)企業(yè)，帶動我國鋼管業(yè)自主創(chuàng)新，填補(bǔ)石油鉆采技術(shù)的空白，同時能建立我國膨脹管CPI標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)體系以及工程技術(shù)創(chuàng)新體系。

五、我國膨脹管技術(shù)日臻完善

如前所述，集中國家力量投入膨脹管技術(shù)是十分必要的，而且目前投入是最好的選擇和最佳的機(jī)遇。膨脹管技術(shù)現(xiàn)在國內(nèi)外炒作火熱，但客觀評價它的發(fā)展速度有待于提高。究其原因，制約當(dāng)前廣泛應(yīng)用的有兩個關(guān)鍵技術(shù)難題：第一是相同直徑膨脹管的圓柱型井型結(jié)構(gòu)，井段之間需要有高塑性膨脹管，作二次膨脹懸掛，要求材料拉伸塑性δL≥50%，圓周塑性δC≥30%，國外提供的膨脹管塑性僅為δL30%、δC15%；第二對于長井段、全井或海洋井，長度一般大于500m，要求必須大幅度降低價位，要小于3萬/噸，而國外膨脹管價位過高，一般在12-100萬/噸之間，這樣不可能大規(guī)模推廣。

上海天合形狀記憶材料有限公司和中原油田采油技術(shù)研究院密切合作，經(jīng)過三年努力，現(xiàn)在已經(jīng)研制出高塑性（δ≥61%）的膨脹管和找到大幅度降低膨脹管價位的方法，這一技術(shù)突破不止是發(fā)明兩個鋼種，而是對兩種類型膨脹材料的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)理論作了根本創(chuàng)新；同時針對地下深層復(fù)雜條件的工程控制采取智能化處理，另外研制了膨脹、懸掛、連接和密封等配套的工具設(shè)備，技術(shù)集成完備，并且補(bǔ)井施工順利成功，這項(xiàng)成果解決了國際上膨脹管發(fā)展的技術(shù)難題，為貫徹國家能源發(fā)展方針做出貢獻(xiàn)。