可膨脹管關鍵技術及機理簡述

【摘 要】為應對在石油鉆井工程中堵漏、修復、防砂和防塌等技術難題，國內外開始研究可膨脹管技術。現如今可膨脹管技術已經成為石油工業領域發展迅速的技術之一。國外已成功應用可膨脹管技術，國內對于該技術也相應的進行了理論研究和室內室外實驗。可膨脹管技術可用于多種類型油井的建井、完井及固井作業。其使用范圍相對來說比較廣，從陸地到淺海，甚至到深海。本文針對可膨脹管關鍵技術及膨脹機理進行簡述。

【關鍵詞】完井及固井；可膨脹管技術；石油工業領域

可膨脹管技術就是將下到井眼中的鉆井管柱，在管材塑性變形區域內，通過液壓或機械驅動錐體，使管柱徑向膨脹并發生永久塑性變形，達到所需生產管柱內徑，從而“節省”井眼直徑、縮小鉆孔尺寸的一種鉆井新技術。該技術最終目標是可用同一種直徑的鉆頭鉆進，并用同一種直徑的套管完井，優質快速、高效地鉆達預定層，實現同一直徑的鉆井、完井、固井，能提高鉆井作業效率和固井質量，以及改善現有的井身結構和解決修井系列難題，降低成本，提高經濟效益。本文對可膨脹管的關鍵技術進行闡述并對可膨脹管發展提出建議。

1.可膨脹管關鍵技術

1.1可膨脹管材料的挑選

可膨脹管在塑性變形區域內膨脹[3]（見圖1），這就要求其材料在膨脹過程中應具有良好的塑性變形能力，低的屈服強度和屈強比、足夠的抗拉強度、良好的塑性、沖擊韌性和抗腐蝕、磨損及斷裂等性能[4]。許瑞萍等通過實驗研究，提出了可膨脹管材料鐵基膨脹合金設計準則，認為可膨脹管材料應具備高塑性、高強度、高加工硬化率和強塑性等特點，可采用材料在外加應力的作用下，發生奧氏體γ轉變為ε馬氏體相變來提高材料的強塑性[5]。

目前所用的可膨脹管材料是經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]。理論和實踐證明，管體在膨脹后，管體長度將收縮3%～4%，壁厚將減少3%～6%；管柱在膨脹后其抗拉強度有所增加，但抗外擠壓強度會下降至膨脹前的50%～60%，其原因普遍認為是金屬的包辛格效應造成的。在國內，自從引進可膨脹管技術后，國內多家研究機構開始關注管材的研究，但都還沒有取得實質性進展，因而我國對膨脹套管技術的研究還僅限于機理分析和室內實驗時期[1]，還不能把可膨脹管技術運用于油氣田的開發。

圖 1 應力和應變

1.2膨脹錐

膨脹錐是膨脹系統的主要結構，分為固定式和可變徑式兩種。由于管柱被下到井下幾百米、甚至上千米再進行徑向膨脹，膨脹錐要受到很大的界面應力，這就要求膨脹芯頭具有硬度高、強度大、耐磨損和潤滑性好，以及適宜的摩擦因數、合適膨脹芯頭接觸錐角及錐體結構，才能在鉆井完井中保證膨脹作業的順利進行。劉永剛等用ADTNA有限元軟件對膨脹芯頭在不同的接觸錐角a取值情況下進行計算機模擬分析，通過定量分析、比較其模擬結果，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構設計提供依據。由于膨脹芯頭接觸錐角選值與膨脹區的接觸面、膨脹管與膨脹芯頭間的潤滑和接觸壓力以及膨脹管膨脹后的管內殘余應力和內壁的表面質量有關，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。國外最初在地面實施了用焊接的方法將管子連接起來的膨脹試驗，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.可膨脹管膨脹機理

可膨脹管分為可膨脹式割縫管和可膨脹式實體管兩大類，可膨脹式割縫管具有一系列串聯的、互相交錯的軸向割縫，割縫的布置使得管柱更易于膨脹。可膨脹實體管對選材要求較嚴格，必須利于膨脹。

無論是割縫管還是實體管都是以常規的尺寸下入到井內的預定位置固定，然后用驅動頭驅動膨脹管產生永久變形，最后通過注水泥固井或其它的配套工藝來達到不同的目的。

可膨脹管封固技術的工藝流程主要包括：擴眼、下入膨脹管、注水泥、膨脹、鉆水泥塞等幾個方面，見圖3。

圖 3 可膨脹管封固技術工藝流程圖

可膨脹管是通過驅動頭及與之相連的鉆柱送至井下的，驅動頭與膨脹管用剪銷連接。當膨脹管被送至預定位置，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鍵技術，可膨脹管附件包括：（1）可膨脹引鞋，它的作用一是引導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。可膨脹管之間的連接是用特殊螺紋，國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度及密封的完整性，對于可膨脹割縫管需保持（下轉第239頁）（上接第227頁）連接及抗拉、抗壓強度的完整性。因此，它要求驅動時從公扣開始，以免脫扣。

在注水泥的時候，對于可膨脹式割縫管只能應用平衡塞注水泥技術，且割縫必須預先用樹脂類物質填充。

在鉆水泥塞的時候，所用鉆頭必須是欠尺寸的，以免破壞膨脹管。

3.建議

（1）膨脹管技術在鉆井領域的應用，可在不改變原有井身設計的條件下處理鉆遇問題，達到節約鉆井成本、延長鉆井深度的目的。

（2）隨著膨脹管技術的快速發展和鉆井工程中的需求提高，該技術將會逐步完善，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，具有廣闊的生產需求和市場前景。 [科]

【參考文獻】

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

[2]李作會.膨脹管關鍵技術研究及首次應用[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，February，2001.

[4]許瑞萍，劉潔，張玉新，等.石油膨脹管材料的設計準則[J].石油機械，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.