膨脹管技術在鉆井與壓裂領域研究進展

鐘勇(中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010)

0 引言

膨脹管技術主要是采用一種具有良好塑性的金屬套管，在液力或者機械驅動下在井下發生徑向脹大，來解決石油勘探開發過程中的復雜地層封隔、尾管完井窗口密封、套損井補貼修復等工程技術難題。目前國內外均成立了專業研究機構與技術開發推廣公司，形成了尾管懸掛封隔器、套管補貼修復、可膨脹襯管重復壓裂、裸眼補貼等直徑鉆完井技術和金屬管外封隔器等系列技術。其中膨脹式尾管懸掛器、裸眼補貼技術和套管補貼修復技術在國內已經開始大規模推廣應用。近年來國內外各研究機構結合石油鉆完井熱點問題，推動膨脹管技術向鉆井、壓裂等領域拓展，膨脹管技術取得的新進展為該項技術注入了新的活力，其使用價值也將進一步得到增強。

1 膨脹管技術在鉆井領域最新進展

1.1 國外等直徑膨脹管裸眼補貼技術

等直徑膨脹管鉆井的理念提出于1999年，并于2002年開展了原理性試驗。該項技術是膨脹管技術發展和鉆井井身結構的發展方向，當深井鉆遇復雜地層時，可作為臨時技術套管進行機械封堵，無需改變鉆頭尺寸和井身結構繼續鉆進，避免常規逐級變小的錐形井身結構，有利于把井鉆得更深，最終實現建井成本的大幅度降低。據報道，國外膨脹管技術開發最早且應用規模最大的億萬奇公司開發出等直徑裸眼補貼技術，于2020年10月27日在沙特油田成功開展井下試驗，據報道，此次試驗是沙特油氣市場首次成功應用等直徑膨脹管技術。由于工藝復雜、工序繁雜、對操作要求高等原因，該項技術直至第四口井才得以試驗成功。

該井情況簡介：沙特阿美石油公司某些區塊地質條件復雜，希望采用低成本新技術來解決復雜井段封隔問題。該井四開12.25”(φ311.1 mm)井眼鉆進500英尺(157.4 m)后，擴眼作業至13.25”(φ336.55 mm)，然后進行電測檢查井眼效果，并選擇確定膨脹管貼合井段。膨脹管是公扣朝上，母扣朝下，左旋扣，和正常套管不一樣，且質地較正常套管軟，操作時，稍不注意就會碰壞管子。而膨脹管串底部的膨脹錐室是不能膨脹的，管串貼合成功后，需要磨掉底部浮鞋后，倒銑掉膨脹錐室。倒銑作業是世界首次，需要司鉆嚴密關注鉆壓、扭矩變化。相關作業完成后進行通井作業，直達井底，這標志著等直徑膨脹管裸眼補貼技術試驗取得成功。

1.2 國內等直徑膨脹管技術

據報導2020年11月13日，勝利鉆井工藝研究院自主研發的241.3 mm等直徑膨脹管系統在勝利油田河31-斜190井進行全過程井下試驗，歷時23天取得圓滿成功。

該井情況簡介：該井目的是在φ339.7 mm表層套管內下入等直徑膨脹管系統，膨脹后作為臨時技術套管滿足φ241.3 mm鉆頭進行二開鉆進至完井。施工過程中，將總成9.05 m，包含5個膨脹管短節共4個可膨脹螺紋，內徑199 mm的膨脹管膨脹至內徑245 mm。通過井下電視監測影像表明，膨脹后管體內壁完整、螺紋連接可靠。11月13日，該井順利完鉆并完成電測作業，完鉆井深2 751 m。膨脹后的等直徑膨脹管經受住了鉆塞和二開鉆進雙重考驗，作業臨時技術套管服役23 d，安全起下鉆16趟，成功完成試驗任務。

2 膨脹管技術在壓裂方面的最新進展

2.1 可膨脹襯管重復壓裂技術

由于油價一直處理低位徘徊，二次完井技術因成本低、回收快等優勢，受到了各大油田的青睞。在此大環境下，重復壓裂必將成為各大油田公司開發計劃的重要組成部分。傳統暫堵劑重復壓裂法作業過程中存在很多不確定因素，最主要的是重復壓裂作業過程中，我們根本無法控制壓裂液的去向。億萬奇全球技術公司開發的可膨脹襯管重復壓裂法很好彌補了這一不足。通過在現有的井筒中下入一個可膨脹的襯管，不僅可以封堵原有的射孔孔眼，同時可以重復壓裂射開新孔眼。該公司正在努力向廣大油田公司證實，這種可膨脹襯管在重復壓裂時性能優于化學暫堵劑。

工藝過程簡介：在下入膨脹襯管之前，先用管內柱狀銑刀銑削生產套管。然后再下入可膨脹襯管至井底。下一步，從送入管柱內泵入高壓流體推動膨脹錐體上行至井口，從而將可膨脹襯管膨脹至其最大直徑，并將該襯管固定在適當位置。一旦襯管膨脹，原來的孔就會被完全封堵，這時就可以射新孔和水力壓裂了。

2009年以來，億萬奇全球技術公司相繼在巴內特、馬塞勒斯鷹福特和阿納達科盆地利用其可膨脹襯管技術完成了15口井的重復壓裂作業。考慮到成本，億萬奇公司提出了一種全新的混合理念，即將可膨脹襯管只放到水井的跟端。這種混合壓裂的辦法將成為介于可膨脹襯管重復壓裂和暫堵劑重復壓裂兩者之間的一個選項，因為它仍然會用到大約1 000英尺(304.8 m)的較昂貴的可膨脹襯管，該方法會減少暫堵劑的使用量，同時能夠為水平井的跟端傳遞更多的產生裂縫的壓力[1]。

2.2 膨脹金屬封隔器應用于分段壓裂

國外Saltel等公司將金屬膨脹管應用于管外封隔器，研發出一種全新的全金屬膨脹管壓裂封隔器。該封隔器基于金屬膨脹技術，利用安裝在兩金屬環之間的動密封組，通過管內壓力使金屬膨脹式封隔器膨脹，封隔套管和井眼間的環空，達到密封效果。

工具原理：壓裂封隔器采用雙襯壓力平衡設計，允許一定溫度下不同環空壓差的有效密封。兩端能通過接頭配件連接，末端的接頭在工具入井過程中能夠起保護可膨脹襯套。入井過程中允許旋轉，同時保留套管所有特性。可膨脹部分安裝有單向閥，自然狀態下環空到套管內的流道處于關閉狀態，避免內部襯套在后期重復壓裂過程中壓癟。

主要特點：(1)適用于任何壁厚和材質的套管；(2)屈服和抗擠強度等同于套管機械強度；(3)封隔壓差能達到103.4 MPa；(4)兩組密封系統聯合大膨脹率金屬襯管保證在坍塌區域的密封；(5)較低的熱傳導性和溫度波動影響；(6)單向閥系統保證重復壓裂時，內襯套不被擠癟。

3 膨脹管技術前景分析與建議

3.1 簡化等直徑裸眼補貼工藝，提高技術可靠性、經濟性與適用范圍

等直徑技術在解決多壓力體系井漏、井塌等鉆井難題方面具有突出優勢，并且能夠保持原井身結構，備受各大油田公司與鉆井公司的期待，成為了國內外各大公司的研究熱點，但目前僅進行數次現場試驗，離商業化應用仍存在諸多困難。特別是在目前國內低成本鉆井的大環境下，受鉆井周期和投資的影響，筆者認為該項技術若需要在短時間內在現場應用中嶄露頭角，仍然需要在總結目前已突破的關鍵技術前提下，開展以下幾方面工作：一方面根據工程實際需要簡化工藝，通過對地層可膨脹性、高效隨鉆擴孔技術展開攻關，確定好最優適合膨脹補貼的井眼尺寸，最大程度上縮短復雜地層補貼封固時間，這樣不僅能縮短施工周期，也能將風險降至最低。第二方面，結合機械液控技術，進一步探索半自動或者全自動化脹管液壓系統，實現自動化大膨脹率高效脹管，提高技術可靠性、經濟性與適用范圍。

3.2 提高管材性能，豐富膨脹工具，保障井下施工安全性

目前，國內各大研發機構普遍采用的膨脹工具主要是實體膨脹錐、液壓變徑膨脹工具，相對比較單一。導致技術應用范圍相對較狹窄，復雜情況應對能力不足，阻礙了該項技術進一步大規模推廣應用。筆者建議加強以下兩方面的工作，促進技術全面規模化推廣。

一方面提高管材性能與穩定性。管材要滿足膨脹過程中的應力一應變性能要求，具有足夠的強度、良好的塑性變形能力和一定的抗腐蝕能力。同時，膨脹后要求管材的機械性能均一、應力集中盡可能得低，滿足不同地層需求的管材應達到API標準中N80鋼級或者更高級別。同時，配套完善好制管及加工工藝，保證好管材幾何尺寸及加工精度、管材表面處理工藝。其中，管材外形幾何尺寸及加工精度的研究是指如何滿足管材橢圓度、同軸度以及加工過程中的精度要求；在管材表面處理工藝方面的研究主要體現在如何提高管材光潔度、表面硬化強度等處理工藝，以此來降低膨脹壓力及減少膨脹錐損傷等，并建立先進的標準化體系。另一方面，進一步開發擴張式、滾珠式等膨脹工具與配套液壓驅動系統，開發出配套安全應急工具，滿足日益復雜的井下工況要求，保障井下施工安全性，為規模應用提供有效保障[2]。

4 結語

綜上所述，在過去的幾年里，膨脹管技術在國內外均取得了飛速的發展，也面臨著諸多挑戰，建議加大研發力度，盡早實現技術更大突破，實現全面推廣，為石油鉆完井降本增效提供工程利器。