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中国石油勘探开发研究院装备研究所二O一二年八月膨胀套管技术的发展与应用石油钻采工程新技术新工艺目录一．概述二．国外膨胀管技术发展现状三．国内膨胀管技术的研究应用四．膨胀管技术发展方向膨胀套管技术是Shell公司于1990年代开始研发的一项新技术，1999年首次应用，被称为“21世纪石油工业发展的核心技术之一”。目前已开始广泛用于油田开发中。油水井套管是油气产出的通道，套管的完好是油气田实现油气产量硬增长的关键一环。随着我国各个油田进入开发后期，井筒维护、剩余油的挖潜、套损井的治理已经成为各油田特别是老油田二次开发的重点工作油田的套管一、概述中国石油所属油田每年上报的待修套损井数居高不下（8000口左右），一些老油田套损井比例已经超过50％，大量的井停产停注，可采储量损失严重膨胀管技术与常规技术相比具有强度高、密封可靠、修复后通径大等优点，特别适用于套损井修复套损井治理的重要性2010年井筒维护措施3500多井次，实际待大修井高达8000～9000口01020304050607080901002008年2009年2010年大修井恢复产量套损井修复技术套损修复技术对比套损类型传统措施膨胀管修复适应性膨胀管技术的优势轻微缩径变形机械整形×变形量超过套管内径的12%爆炸整形工艺√通径大，强度高套管变形、破裂、错断等双端密封加固√通径大，强度高套管严重损坏取换套管√周期短，成本低，不受井深限制膨胀管补贴技术为套损井复产提供了有力支撑，对老油田的挖潜改造有重大经济价值。膨胀管技术原理原理：可膨胀套管是一种由特殊材料制成、具有良好塑性的金属钢管，下入井内后进行膨胀，在冷作硬化效应下，管材强度和刚性得到提高，膨胀变形后的机械性能达到API套管钢级的水平。原理视频动画四大关键技术：1）管材难题（化学成份、性能、热处理状态和尺寸公差）膨胀前：要求材料延伸率高，易于膨胀变形—软膨胀后：机械性能基本达到普通套管水平—硬2）膨胀锥主要解决长距离、间断可重复使用、高强度、耐磨3）膨胀螺纹多根连接、长距离膨胀，连接强度及膨胀后密封技术4）减摩难题变形量冷作硬化塑性变形点应力值膨胀管关键技术膨胀管技术应用范围该项技术有多种用途，目前按照使用环境分为两大类：最终目标：1）以全井同一尺寸套管，代替现有的多层套管结构。可以：节省59%的钻屑处理费用降低38%的套管重量节省42%的固井水泥节省44%钻井液用量。2）裸眼系统：尾管悬挂：悬挂牢靠，通径最大；老井加深/侧钻：用膨胀管完井，通径大。1）套管内补贴：套管加固、堵水及层系封堵；膨胀管技术应用范围2）用套管代替钻杆钻井，可以：减少起下钻的时间—比传统用钻杆起下钻大约快5倍至10倍；减少井下复杂情况的发生；改善水力参数、环空上返速度和清洗井筒的状况；钻井成本将大大下降—打一口井深为10000ft的井，和传统钻杆钻井方式相比，预计可节约费用30％以上。应用1：套损井加固、层系封堵套损井加固利用膨胀管技术进行套损井修复加固，修复后不仅强度高，而且通径只减少两个膨胀管壁厚，受到油田的普遍欢迎，对老油田的挖潜改造有重大经济价值。油田堵水及层系封堵利用膨胀管技术进行堵水及层系封堵，不仅密封承压效果好、封堵井段通径大；而且不影响泵挂的下入深度。与化学堵水工艺相比：施工工艺简单、成本低、有效期长;如果需要重新利用，可以采取射孔的方法，实现完全或部分打开。应用2：老井加深/侧钻利用膨胀管完井，下入井内再膨胀，解决了5½”套管内再进行下部油层开发面临的套管直径过小问题，对老油田的二次开发具有重要意义。如果利用老井眼加深，下部的套管用膨胀管做为完井套管，可以得到更大的通径，以适应常规的井下工具。应用3：尾管悬挂常规卡瓦式悬挂器因为其悬挂方式的原因，会有坐挂失败或者倒扣失败等安全隐患，并且其环空重叠段水泥环封固质量不易保证。膨胀管式尾管悬挂器可彻底解决上述问题。采用膨胀管式尾管悬挂：悬挂牢靠不受井深和温度的限制尾管重叠段相对更短。两种悬挂方案对比应用4：钻井工程应急套管钻井过程中，经常遇到井眼垮塌、恶性漏失等井下复杂情况：这些情况的出现，将导致提前下套管，从而，使原设计的套管序列无法满足钻井设计的要求，甚至无法钻达目的层。利用膨胀管技术，可在原有的套管序列间增加一层应急套管，对有问题的层段进行封堵，从而确保钻达目的层。全井同一尺寸套管海上钻井总成本可以节约33-48%。如一口1500米深水水域、井深为8800米的油井，分析结果表明单一井径油井可节约1200～3100万美元的钻井成本。一．概述二．国外膨胀管技术发展现状三．国内膨胀管技术的研究应用四．膨胀管技术发展方向目录二、国外膨胀管技术发展现状国外发展历史：20世纪90年代初，开始套管膨胀变形的可能性研究；1993年在挪威进行了第一次概念性试验；1998年Shell和Halliburton公司合资成立Enventure公司，并率先进行了模拟井下试验；1999年Chevron公司进行了第一次现场应用试验；20世纪末达到商业化应用水平。膨胀管技术在国外发展较快，已有多家公司进行膨胀管的技术研发，并且广泛应用于套管修复、裸眼系统以及膨胀筛管完井等领域。膨胀方案在国外分为液压和机械两种方式。二、国外膨胀管技术发展现状国外公司的主要技术特点：Enventure公司，实体膨胀管技术为主；Halliburton公司，综合完井方案为主；Weatherford公司，综合完井和膨胀筛管；BakerHughes公司，综合完井方案为主；俄罗斯Tatnipinefi设计院，波纹管及实体膨胀管。国外公司在国内进行的与实体膨胀管相关的技术服务，以Enventure公司最早、最具代表性，其技术先进，价格昂贵。二、国外膨胀管技术发展现状套管补贴普遍采用了直缝焊管（ERW）专用管材胀后强度已经达到N80钢级指标作业施工压力低于30MPa一次膨胀长度达到1700米已经开发出膨胀式尾管悬挂器、膨胀筛管防砂系统国外已经成功地完成了单一井径系统主要工具的试验。套管补贴尾管悬挂445/3单一直径钻井老井加深/侧钻膨胀筛管二、国外膨胀管技术发展现状一般膨胀管井身设计单一直径井BakerHughes已经进入现场试验阶段单一直径井钻井目录一．概述二．国外膨胀管技术发展现状三．国内膨胀管技术的研究应用四．膨胀管技术发展方向1、常规套管补贴技术；2、水平井用全内置膨胀管技术；3、薄壁大通径膨胀管技术；4、高温热采井用耐高温膨胀管技术；5、长段腐蚀套管修复；6、膨胀套管裸眼系统；7、免钻胀捞一体化膨胀管工具；8、连接螺纹及密封技术9、仿生减磨技术10、水平井多分支井完井技术国内技术发展介绍：三、国内膨胀管技术的研究应用更强事故处理能力卡簧→钻杆扣增加引鞋通过性更好结构改进胀锥丝堵花键结构由下丝堵、膨胀器、连接杆、膨胀管、油管、打压接头等部分组成。1、常规套管补贴工具高压泥浆下放管柱密封环可膨胀管2膨胀管尾可膨胀管1套管可膨胀螺纹下封头膨胀锥试验条件：膨胀管发射腔冲压台架；打压试验台架；多参数实时监控综合试验平台发射腔冲压台架打压试压台架传感器及电源采集卡、监控程序界面膨胀管综合实验台膨胀套管综合试验台架试验试件：膨胀螺纹大直径膨胀螺纹密封段切片破坏的膨胀螺纹悬挂试件膨胀锥疲劳试验膨胀套管综合试验台架数据处理：01020304050607080901001101201300510152025303540试件7试件13压力(MPa)时间(s)11.211.411.611.812.012.212.412.612.8BF1Data1B膨胀率（%）角度（度）812162024280510152025303540改进结构过胶压力改进前压力改进后压力压力（MPa）时间（s）材料对膨胀力影响锥角与膨胀率减压效果润滑介质对膨胀力影响膨胀锥角度对膨胀力影响膨胀套管试验可用于51/2”、7”、95/8”及非标套管修复；51/2”套管修复后通径达到φ108mm（最大φ114mm）以上；膨胀管抗内压91MPa,抗外压51MPa，超过J55钢级；膨胀螺纹抗内压≥45MPa；抗外压≥15MPa；补贴加固长度已达到150.7m；悬挂力≥450KN；最大工作温度≥350℃；膨胀管补贴技术性能修复后通径大，方便后续作业；密封效果好，强度高。编制国家标准不断完善《膨胀管施工工艺规范》从方案设计、井眼准备、施工顺序及操作规程、验收、HSE等方面进行规范装备所主持编制了《油田套管补贴用膨胀管》、《油田套管补贴用膨胀管施工规范》等国家、行业标准施工工艺规范井眼准备洗井刮管通井膨胀管补贴下补贴管柱校正、调整深度液压膨胀管补贴套管直接试压验封钻底堵交井现场施工工艺流程：中石油膨胀管补贴技术已经在大庆、胜利、辽河、长庆等国内11个油田得到了现场应用推广，累计总施工井数超过了850口（2011年250口），在油田产生了较大经济效益，每年直接效益折合数亿元。应用情况施工后续跟踪：杏3-1-226井2005年1月测井径曲线2007年6月测井径曲线对2005年1月膨胀管施工的杏3-1-226井进行了后续效果跟踪。2005年与2007年测井径曲线进行比较，补贴段井径并无明显变化。应用情况目前国内外膨胀管补贴作业中大部分设计为膨胀锥带动打压管柱（油管或钻杆）上行，液体压力必须对抗管柱重力、管柱与套管内壁的摩擦力。随着井斜角度的增加，管柱摩擦力急剧增大，导致膨胀力过大，降低施工可靠性。为此，研制了斜井、水平井专用的减摩膨胀工具及其配套施工工艺，以满足斜井水平井套管修复作业需求。2、水平井用全内置膨胀管技术针对斜井、水平井管柱摩擦阻力大的难题，研制了基于内置拉杆的膨胀管补贴工具，彻底解决了管柱摩擦问题。技术优势：大钩悬持管柱，管柱补贴位置更准确；膨胀锥为自上而下膨胀，方便后续事故处理；在膨胀过程中，行走部件全内置，无额外摩擦阻力，膨胀压力最低，接近地面试验值；上丝堵倒扣丢手打开通道，免钻，节省一趟管柱。2、水平井用全内置膨胀管技术3、薄壁大通径膨胀管技术堵水及层系封堵：随着油田开发进入高含水期，堵水及层系封堵的生产需求越来越多。目前采用的下封隔器、爆炸式机械堵水以及化学堵水等常规堵水工艺都存在明显不足，已不能满足生产需要。机械堵水：爆炸式堵水存在密封承压差、封堵井段长度受限、悬挂不牢等缺点；下封隔器堵水则存在通径小、有效寿命短等缺点。化学堵水：化学堵水施工工艺复杂、有效期受限；挤水泥容易造成二次套损风险；解堵不完全。膨胀管技术进行堵水及层系封堵：密封承压效果好、封堵井段通径大，深度、长度不受限；不影响泵挂的下入深度；施工工艺简单、可靠性高、有效期长；可重新射孔，实现完全或部分打开。适用范围：51/2”套管的堵水、层系封堵技术指标：修复后内径114mm；管材外径114mm，壁厚5mm；抗内压35MPa，抗外压15MPa；研究成果：5mm膨胀螺纹问题已解决；已实现长段补贴；大通径膨胀管结构设计、尺寸设计；参数校核、有限元分析；零部件外协加工，样机试制；对膨胀、密封、悬挂等性能进行室内试验；样机完善，现场试验。工作内容:3、薄壁大通径膨胀管技术对修井作业领域的影响传统膨胀管施工工具分类工具外径mm适用性新型膨胀管施工工具分类工具外径mm适用性打捞类工具打捞公锥105打捞类工具打捞公锥106≥105≥106打捞母锥114打捞母锥115≥114≥115通井规工具114通井规工具115≥114≥115切割类工具机械内割刀101切割类工具机械内割刀102≥101≥102震击器类工具≥108震击器类工具≥109对于后续修井作业的影响：3、薄壁大通径膨胀管技术4、高温热采井用耐高温膨胀管技术常规膨胀管技术采用橡胶密封，最大工作温度≤140℃，无法满足辽河、塔里木等油田热采井、深井等高温井套损修复的需要。为此，对耐高温的膨胀管套管补贴技术进行公关，以解决高温井（350℃以上）套损治理、油田堵水及层系封堵的实际