馮 定 王高磊 侯學文 孫巧雷 周 蘭

(長江大學機械工程學院;湖北省油氣鉆完井工具工程技術研究中心)

0 引 言

隨著油田開發(fā)普遍進入中后期，石油勘探開發(fā)逐漸向深水、超深水以及復雜地層邁進，鉆井遇到油氣水層、鹽膏層、漏失層、坍塌層以及高溫高壓地層的情況變多[1]，深井、超深井、定向井、水平井和大位移井鉆井需求增加，井身結構越來越復雜[2-5]，使油田對膨脹管技術的應用需求逐漸增加。目前，國外的膨脹管技術較為成熟，在結構設計、加工制造工藝、材料以及性能等方面都較為先進[4]，主要的生產公司有斯倫貝謝Saltel公司、Weatherford國際公司、Enventure公司以及哈里伯頓公司等[6]。國內已經研制出膨脹套管、膨脹篩管、膨脹懸掛器和等直徑膨脹管等膨脹管鉆完井工具及配套技術。相比國外，國內在膨脹管材料、篩管防砂性能、懸掛器懸掛和密封能力研究等方面還存在一定差距。筆者重點介紹了斯倫貝謝Saltel公司、Weatherford國際公司、Enventure公司、哈里伯頓公司以及國內一些公司的膨脹管產品和技術，并總結出發(fā)展趨勢和攻關方向，以期為國內膨脹管技術的研發(fā)提供參考和指導。

1 膨脹管工作原理

與常規(guī)依靠膨脹錐作業(yè)的膨脹管技術不同，目前國際上較為先進的膨脹管技術工藝獨特。膨脹管作業(yè)原理如圖1所示。井下膨脹工具位于膨脹管內部，封隔器部分充壓后緊貼膨脹管，將組件送入到井筒中的作業(yè)區(qū)后，通過來自地面的壓力脹大膨脹工具，以擴展膨脹管的頂部，并將其錨定在適當位置，然后釋放封隔器內的壓力，以0.91 m/s的速度下鉆，向下膨脹下一段。根據需要重復這一過程，直到全部完成膨脹作業(yè)，并將鉆具組合收回地面。

圖1 膨脹管作業(yè)原理圖

2 國外膨脹管技術

2.1 膨脹套管

在油氣開采過程中，套管磨損、腐蝕、穿孔及地層塑性變形等因素會導致套管失效，造成油氣井產量下降、產層污染。深井、熱采井等高溫井套管損壞和套管變形修井時，傳統(tǒng)的厚壁襯管補貼技術內通徑小、補貼長度有限，現有的橡膠密封膨脹管難以滿足高強度、耐高溫及長效密封等性能要求[7-9]。斯倫貝謝Saltel公司膨脹管能夠有效解決上述難題，相關產品主要有標準膨脹管、高溫膨脹管、“極端高溫”膨脹管以及針對特定環(huán)境定制的膨脹管，如圖2所示。

圖2 膨脹管及膨脹效果圖

標準膨脹管由321SS不銹鋼制成，密封材料為氫化丁腈(HNBR)材質的彈性體，承壓100 MPa，耐溫250 ℃，采用異型密封系統(tǒng)，能夠有效密封套管內橢圓度高達25%的井段、超限或不規(guī)則鉆孔井段。高溫膨脹管基于標準膨脹管設計，外徑范圍在177.16～339.73 mm之間，采用改進后的高溫彈性體進行密封，適用于承壓100 MPa，連續(xù)溫度高達200 ℃，短期耐高溫達250 ℃的熱井，用于修復損壞的油管或套管區(qū)域，關閉不需要的穿孔，密封泄漏的滑動套管等修井作業(yè)。斯倫貝謝Saltel公司“極端高溫”膨脹管專為CSS、SAG-D和地熱井設計，由優(yōu)質不銹鋼制成，可抵御高溫和腐蝕條件，具有可膨脹密封設計，能夠有效地密封低溫和高溫下不同的媒介(如水、蒸汽和氮)，最高耐受溫度高達350 ℃，熱循環(huán)溫度高達335 ℃，用于修復特殊油層套管損毀。

斯倫貝謝Saltel公司膨脹管技術可以用于修補射孔段、補漏或隔離篩管、關閉ICD閥、修補套管損壞、斷裂、套管腐蝕，補貼井下工具泄漏，密封壓裂工具段。在裸眼井應用中隔離密封漏失層、未磨銑井段，無內徑損失。在實現油田增產或避免堵棄作業(yè)時，高膨脹比使其在膨脹后具有較大的通徑，安裝后不妨礙后續(xù)油井作業(yè)，能夠有效避免卡鉆問題。此外，通過實時控制器在操作期間驗證安裝膨脹管的內徑，可以及時發(fā)現并糾正作業(yè)異常。

2.2 膨脹防砂篩管

在產量高、生產壓差大、出砂嚴重的疏松砂巖油藏，常規(guī)篩管防砂效果差、精度低、有效期短，下入后流速降低，產量下降[10-11]。Weatherford公司的膨脹防砂篩管解決地層出砂問題效果顯著。如圖3所示，膨脹防砂篩管由開槽基管組成，重疊編織層連接在基管上，外層穿孔、膨脹護罩可保護過濾介質在作業(yè)過程中免受損壞，采用整體式開槽連接保證流量均衡。膨脹防砂篩管使用升降接頭與傳統(tǒng)的鉆機作業(yè)設備一起運行，采用特殊的微握工具進行連接，通過防旋轉鎖定螺釘鎖定到位，整體管柱的膨脹通過使用低壓ACETM軸向順應膨脹工具或錐形膨脹錐實現。膨脹防砂篩管主要有?101.6、?114.3和?139.7 mm共3種尺寸規(guī)格，對應膨脹前外徑分別為113.5、128.8和154.9 mm，膨脹后內徑范圍分別為112.0～126.2 mm、117.9～133.6 mm、170.2～191.3 mm?；堋⒑Y網和外罩材料采用316L，連接件材料為25Cr，整體抗腐蝕性能得到大大提高。篩網有120、150、230和270 μm共4種孔徑，長度有3.0、6.0和11.5 m共3種類型。順應式膨脹消除了篩管/井筒環(huán)空，可以增強防砂完整性和井眼穩(wěn)定性。膨脹后內徑較大，減小流動摩擦，從而優(yōu)化生產，大流通面積和低的壓力降過濾介質提高了油井的生產率和進流性能。

圖3 膨脹防砂篩管

馬來西亞砂拉越州的一口具有防砂問題和短產油區(qū)的海上定向淺油井，井眼直徑為152.4～155.6 mm，水深35 m，作業(yè)區(qū)長度5～80 m。巖心樣品測試表明，該油田具有高均勻系數和細粒百分比的含砂地層，無法使用獨立篩管作業(yè)。Weatherford公司采用膨脹防砂篩管系統(tǒng)，順應裸眼擴張，與傳統(tǒng)的礫石充填系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有利于防止環(huán)形細粒分散和遷移。系統(tǒng)的安裝、設置和膨脹大約在10 h完成，遠短于傳統(tǒng)礫石充填的平均安裝時間，降低了人員和設備租賃成本。防砂篩管無需壓力泵送即可順應地擴展到井筒，從而降低安全和環(huán)保風險。該技術先后在54口淺水油井中一次性完成安裝，實現零防砂故障。

2.3 大口徑膨脹尾管懸掛器

在深層側鉆井中，井眼尺寸受限，采用常規(guī)技術開窗側鉆穿過易漏層和易坍塌層難以鉆達目的層[12-15]。對于套管錯斷無法進行套管貼補的井或需要大井段懸掛套管的井，采用常規(guī)尾管懸掛器進行懸掛，則不具備密封功能，且內徑較小，懸掛力不足。哈里伯頓公司VersaFlex大口徑系統(tǒng)(見圖4)專為深水和海底大通徑井而設計，以應對復雜的井況。該系統(tǒng)不需要在預定剖面上著陸，降低了在泥線/套管井口剖面中定位常見的復雜性，凝固時不需要尾管頂部水泥完整性來實現尾管頂部密封，結合了套管安裝的靈活性，消除了相關的尾管安裝問題，彈性密封技術和防漏設計有助于降低持續(xù)的套管壓力。

圖4 VersaFlex大口徑膨脹尾管懸掛器

該系統(tǒng)在固井過程中能夠旋轉和往復運動，具備區(qū)域隔離密封完整性，其高扭矩額定值允許在井下塌陷區(qū)域進行擴眼、從先前鉆出的井段中啟動壁架、鉆新的井段。當大型套管井有較高強度要求時，VersaFlex大口徑系統(tǒng)可以與金屬密封XtremeGrip尾管懸掛器技術配合使用。這種組合系統(tǒng)具有與VersaFlex大口徑系統(tǒng)相同的功能，能夠承受更大的懸掛載荷和高溫等的作用，從而實現360°金屬對金屬順應性密封，兼具雙向錨固能力，其尾管×套管應用尺寸范圍在355.60 mm×457.20 mm～473.08 mm×558.80 mm之間。在大多數情況下，VersaFlex大口徑系統(tǒng)能夠大大減少尾管重疊，同時由于不需要承壓回接管柱，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，減少了設置尾管懸掛器所需的操作步驟，降低了作業(yè)成本。

2.4 等直徑鉆井膨脹管

當鉆井作業(yè)需要通過較深的高壓、易塌或易漏地層時，常規(guī)鉆井技術以不同直徑的套管層層封固完成，形成錐狀漏斗形井身結構，井眼直徑不斷縮小，給后續(xù)作業(yè)帶來不便[16-17]。膨脹管技術經過不斷的發(fā)展，解決了上述鉆井問題，具有施工工藝簡單、作業(yè)時間短、安全可靠性高、施工成本較低等諸多優(yōu)點[18]。2020年Enventure全球技術公司?311.15 mm SameDrift?系統(tǒng)在中東首次成功商用安裝，通過在油井建設階段處理有問題的區(qū)域，延遲或消除修井來減少鉆井作業(yè)期間的非生產時間，在油井生命周期內最大限度地提高產量。

SameDrift是建立在Enventure公司ESET產品基礎上的一種等直徑鉆井尾管，可以旋轉和往復移動，添加額外的套管柱不會損失井眼尺寸，旋轉能力有助于襯管達到設置深度，可以鉆更深的井，能夠有效提高水泥作業(yè)質量，其行業(yè)標準脹后通徑與先前在油井中運行的套管柱相匹配，因此可以輕松地將其整合到油井的標準套管設計中。SameDrift有SameDrift Openhole Liner和SameDrift Openhole Clad這2種系統(tǒng)。SameDrift Openhole Liner系統(tǒng)在不損失內徑的情況下與套管相連，而SameDrift Openhole Clad系統(tǒng)在不與現有套管捆綁的情況下隔離油井中的故障區(qū)，并在先前套管下方提供相同的通徑。SameDrift目前有?165.1、?215.9和?311.2 mm共3種尺寸規(guī)格，SameDrift Openhole Liner系統(tǒng)有標準和高性能2種型號，脹后標稱管道外徑344.5 mm，標稱管道內徑315.2 mm，極限狗腿度為每30 m 5°，抗內擠強度42.3 MPa，抗外壓強度18.9 MPa，膨脹期間最小鉆機拉力668 kN，最小泵壓41.3 MPa，適用于?355.6 mm以下尺寸范圍。

2.5 膨脹管材料

膨脹管材料的塑性和強度要高，抗恢復能力要強，抗腐蝕能力要穩(wěn)定，膨脹后要達到或優(yōu)于普通套管同等水平的力學性能。研究開發(fā)易膨脹、高性能的膨脹管，使其具有高強度、高密封性能、抗CO2和H2S腐蝕、耐高溫等特點，提高膨脹管的綜合力學性能是膨脹管材料研究的難點，因此膨脹管材料至今仍是制約膨脹管技術應用的關鍵技術之一。

Weatherford公司的膨脹防砂篩管管體材料為316L，連接件材料為25Cr。316L是316SS的超低碳版本，316L的奧氏體結構即使在低溫下也能展現出出色的韌性，在高溫下具有高蠕變強度、斷裂應力和拉伸強度，以及較好的耐腐蝕性。25Cr(UNS S31260)是一種冷硬化雙相不銹鋼，在高氯化物含量的CO2和H2S環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性。25Cr相對于22Cr，對CO2、氯化物、pH值和溫度具有更強的抵抗力，允許在具有高壓和高溫的深井中用作井下管狀部件、封隔器和其他地下設備，能夠有效解決高氯化物引起的點蝕問題。

斯倫貝謝Saltel公司膨脹管管體材料為321SS不銹鋼。321SS(UNS S32100)是一種鈦穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼，具有更強的抗晶間腐蝕能力，能適應815 ℃的高溫，雖然在退火狀態(tài)下的耐腐蝕性與304和304L相似，但他具有更高的蠕變和應力斷裂性能，使其成為壓力容器的理想材料選擇。321SS不銹鋼無磁性且耐熱，可在高溫下連續(xù)使用，延展性好，可以輕松成型，耐腐蝕性非常好，尤其是對稀有機酸，但321SS不適合氯化物溶液，易受點蝕和縫隙腐蝕的影響。其膨脹管密封材料為氫化丁腈(HNBR)材質的彈性體，氫化丁腈橡膠具有良好的耐油性能，并且由于高度飽和的結構，使其具有良好的耐熱性能(耐高溫性能達到130～180 ℃)，優(yōu)良的耐化學腐蝕性能，較高的抗壓縮永久變形性能，同時氫化丁腈橡膠還具有高強度，高撕裂性能，耐磨性能優(yōu)異等特點，且機械性能優(yōu)良，廣泛用于油田和汽車等行業(yè)。

2.6 膨脹錐

作為膨脹管施工中的重要工具，膨脹錐結構和性能的優(yōu)劣直接影響到施工后膨脹管的力學性能。目前，國外膨脹錐技術主要有機械式和液壓式2種，根據膨脹錐受力方式的不同機械式膨脹錐又可分為拉拔式和擠壓式。圖5為Weatherford公司機械式膨脹錐。該膨脹錐主要依靠液壓拉動活塞桿的拉力使膨脹錐向上移動，進而完成膨脹作業(yè)。其有主要作業(yè)面和次要作業(yè)面，主要作業(yè)面負責實現膨脹管的初次成形，次要作業(yè)面負責對脹后膨脹管進行整形，以確保膨脹管膨脹后能夠緊密貼合套管，同時減小殘余應力和應力集中。該膨脹錐結構簡單，膨脹作業(yè)時能夠提供足夠大的徑向膨脹力，但固定的錐體最大外徑使其難以順利通過井眼縮徑的不規(guī)則井段，可能導致膨脹作業(yè)無法順利進行。

圖5 Weatherford公司機械式膨脹錐

圖6為Enventure全球技術公司機械式膨脹錐。該膨脹錐投球后形成密閉腔室，流體經過膨脹錐側壁上的圓孔進入腔室后，產生液體壓力作用在膨脹錐底部，推動膨脹錐向上運動，從而實現膨脹作業(yè)。該膨脹錐除具有上述膨脹錐的特點外，由于膨脹作業(yè)對氣密性有嚴格要求，膨脹管上、下兩端各采用5圈彈性體進行密封；此外，在膨脹壓力作用下，對膨脹錐的材料性能要求較高。

圖6 Enventure全球技術公司機械式膨脹錐

圖7為斯倫貝謝Saltel公司液壓式膨脹工具，其作業(yè)原理如圖1所示。該技術采用特殊的膨脹封隔器與膨脹管配套使用，通過從上到下液壓膨脹封隔器來實現膨脹管與套管的緊密貼合，完全規(guī)避傳統(tǒng)膨脹管依靠機械錐從下往上脹開膨脹管工藝的風險和缺陷，極大地降低了膨脹管作業(yè)的環(huán)境限制。由于膨脹的最大外徑由泵送壓力決定，所以其膨脹直徑可根據實際井眼直徑進行調整。該技術具有高膨脹率、大內徑、高抗內壓強度等特點，能承受高溫、H2S和CO2等惡劣環(huán)境。

圖7 Saltel公司液壓式膨脹工具

2.7 膨脹管螺紋連接技術

膨脹管螺紋接頭不僅起到將套管連接起來的作用，而且在套管的安全使用壽命期內，螺紋連接處需在能夠承受拉伸、擠壓、彎曲以及扭轉等復雜載荷作用的情況下兼具良好的密封性能。螺紋嚙合不緊密會大大降低螺紋連接強度和密封承壓能力，腐蝕液浸入螺紋間隙會腐蝕嚙合面，嚴重影響工作性能，因此保證膨脹后螺紋連接的完整性是膨脹管膨脹成功的關鍵。膨脹管螺紋接頭作為膨脹成形過程的關鍵環(huán)節(jié)，膨脹后的性能是該技術發(fā)展的主要難點。目前，膨脹管螺紋接頭大多由偏梯形螺紋設計組成，可為螺紋連接提供較高的結構可靠性。圖8為Enventure全球技術公司分別在2015年和2020年對膨脹管螺紋連接的設計和改進[18-20]。在膨脹管螺紋接頭的早期開發(fā)過程中，通過研究及現場使用發(fā)現，膨脹過程中接頭外徑的損壞會影響密封完整性。現階段膨脹管螺紋接頭采用內部O形圈密封，高性能厚壁膨脹管螺紋連接也使用外部O形圈密封，以在膨脹前、膨脹期間和膨脹后為其提供最大的壓力，確保密封完整性。

圖8 膨脹管螺紋連接示意圖

3 國內膨脹管技術

3.1 中國石油膨脹套管技術

2014年，塔河油田部分深層側鉆井存在地質避水、鉆井遇易漏和易坍塌地層的情況。由于油田采用常規(guī)小套管完井，井眼內徑無法滿足后續(xù)作業(yè)要求，所以需用膨脹管充當技術套管以封堵復雜地層，同時增加套管內徑，保證后續(xù)小井眼鉆進作業(yè)。塔河油田采用中國石油集團工程技術研究院有限公司機械所研發(fā)的側鉆水平井膨脹套管完井技術，在TH12115CH井進行現場施工，膨脹管作業(yè)長度為526.88 m，下入井深達6 065 m，最大井斜達到65.8°，入井深度、井斜和連續(xù)膨脹長度為當時國內紀錄。2020年，寧209H33-3井為西南油氣田部署在長寧頁巖氣區(qū)塊的水平開發(fā)井。該井漏失段長，井眼工況復雜，地層承壓能力不足，無法采用常規(guī)化學堵漏方式進行安全鉆進。該井采用中國石油集團工程技術研究院有限公司機械所研發(fā)的PZG194型高性能膨脹管裸眼封堵技術，成功實施756 m封堵作業(yè)，為我國單次膨脹管裸眼封堵最長施工紀錄，同時也是世界大管徑膨脹管裸眼封堵長度記錄。膨脹管封堵技術作為解決地層惡性漏失難題的有效手段，成為助力我國油氣勘探開發(fā)和提質增效的工程技術利器。

3.2 中國石化等井徑膨脹管鉆井技術

勝利油田鉆井工藝研究院先后在勝2-斜101井、草702-平6井、墾東641-斜27井進行?241.3 mm裸眼井段下入膨脹管和大通徑裸眼井段擴眼試驗，以驗證?241.3 mm等井徑膨脹管系統(tǒng)功能和螺紋膨脹可靠性。2020年，在前期試驗基礎上，經過系統(tǒng)結構優(yōu)化設計、工具加工測試、組裝和室內膨脹試驗，進一步優(yōu)化現場試驗方案，在河31-斜190井進行等井徑膨脹管膨脹試驗，將等井徑膨脹管系統(tǒng)下入?339.7 mm表層套管內，膨脹后作為臨時技術套管保證?241.3 mm鉆頭進行二開鉆進至完井作業(yè)。該次施工作業(yè)，將5個膨脹管短節(jié)(總長9.05 m，內徑199 mm的膨脹管)膨脹至?245.1 mm，完鉆井深2 751 m，膨脹后管體內壁完整、螺紋連接可靠，能夠承受鉆塞和二開鉆進雙重考驗。當深井鉆遇復雜地層時，等井徑膨脹管鉆井技術作為臨時技術套管進行機械封堵，在不改變鉆頭直徑和井身結構時仍能繼續(xù)鉆進，避免常規(guī)鉆井的錐形井身結構，有利于將井鉆得更深。

4 膨脹管技術發(fā)展趨勢

國內膨脹管技術基礎相對薄弱，配套工具的研發(fā)速度與國外產品研發(fā)速度相比有一定滯后。從調研的國外新型膨脹管產品情況可以看出，目前市場推出的新型膨脹管產品主要集中在等直徑膨脹管、大口徑高性能膨脹尾管懸掛器以及針對特殊環(huán)境的膨脹管定制服務上，他們的發(fā)展將主要集中在以下幾個方面：

(1)等直徑膨脹管對于鉆井技術發(fā)展的重大意義在于開鉆井眼小，完井可獲得較大直徑，甚至開鉆井眼與完井井眼具有相同直徑，是提高鉆井深度和優(yōu)化井身結構的關鍵技術。采用膨脹管技術鉆井能夠鉆更深的直井和更長的大位移水平井，從根本上解決大尺寸井眼鉆速慢、鉆進難的問題。該技術國外已經處于初步商業(yè)應用階段，國內目前仍處于試驗階段，與國外相比還存在較大差距。

(2)大口徑高性能膨脹尾管懸掛器具有入井安全方便、環(huán)空過流面積大、密封能力強，能夠承受更大的懸掛載荷和高溫的作用，兼具雙向錨固能力，注水泥過程中可以活動套管提高水泥固井質量等諸多優(yōu)點。與套管鉆井技術相結合，大口徑高性能膨脹尾管懸掛器可以獲得較大的井眼通徑，改善鉆井作業(yè)質量，大大降低建井成本，在現場應用中顯現出巨大的經濟效益和技術優(yōu)勢。懸掛器作為膨脹管鉆完井裝備的主力產品，其大通徑和強密封的優(yōu)勢，是尾管懸掛器的發(fā)展方向之一。

(3)標準膨脹管的設計符合大多數油田的作業(yè)條件，同時兼具成本效益，但油田施工作業(yè)有時會面臨各種挑戰(zhàn)，為適應苛刻的環(huán)境，如硫化氫、氯化物或其他化學物質的存在，目前國外Saltel公司和Enventure公司等多家公司憑借對各種密封材料和管道冶金的了解，可以通過研究特定油井狀況，調整產品的材料選擇，提出定制解決方案。由于支持產品幾何形狀定制，無論是較高的抗坍塌能力、較小的通徑限制、較高的膨脹比，還是非標準的膨脹管長度，在滿足特殊油田的作業(yè)需求時，都具有可靠和靈活的設計。

5 結束語

由于膨脹管技術包含膨脹套管、膨脹防砂篩管、膨脹尾管懸掛器及等直徑膨脹管，相關配套設備繁多，單憑一家單位研發(fā)膨脹管產品和配套設備很難在短時間內趕上與國外的技術差距，很大程度上造成了國內膨脹管技術的研發(fā)周期變長。國內膨脹管系統(tǒng)的研發(fā)需要專業(yè)的科研單位通力合作，在膨脹管管體和密封材料、膨脹錐結構和性能、膨脹管螺紋連接、膨脹尾管懸掛器密封及懸掛能力、膨脹篩管過濾性能研究等方面進行協(xié)調合作，整合國內各項優(yōu)質資源，逐步優(yōu)化并完善膨脹管技術的各個模塊，不斷增強其安全性和可靠性，早日實現產品規(guī)?；瘧?，創(chuàng)新研究出具有我國特色的膨脹管系統(tǒng)，真正實現產品自主化。