膨胀管技术

实心膨胀管技术是通过机械或液压手段使膨胀锥在压力或拉力下穿过管柱，使膨胀管柱内径永久膨胀的技术。大多数实心膨胀管技术应用于管柱。膨胀率一般为10% ~ 30%。

(1)裸眼可膨胀衬管(OHL)系统

可膨胀裸眼尾管系统(图3.3)有三个作用:①钻深井时需要更多的开口，表层套管使用大直径套管成本太高。使用可膨胀裸眼衬管系统可以使表层套管使用更小直径的套管，从而降低套管成本；(2)随着钻孔加深，套管尺寸越来越小，如果使用膨胀管，可以减小钻孔的锥度，保持钻孔直径和套管内径，从而提高钻井效率；为了钻更小更深的井眼，使生产套管有更大的直径，这将有利于提高油气产量；(3)可膨胀裸眼尾管使常规井身结构适用于探井。作为节省投资的应急措施，可膨胀裸眼衬管的直径大于用卡瓦固定的衬管的直径，因此将探井改造成有经济意义的生产井将是有益的。

(2)套管井膨胀衬管系统

套管井膨胀尾管有以下三个作用:①用于修复老井或套损井的套管，对修复套管长段腐蚀漏失、侧钻和深化钻井施工具有重要意义；(2)可用于封堵常规方法(如挤水泥)封堵失败的射孔井段，也可封堵完全不必要的产水或产气进行调剖，以控制现有生产井和注水井；③也可作为补充套管，修复丢失套管或破损套管。采用膨胀管作为衬管，套管缩径小，可以满足衬管下继续钻井的要求。

(3)OHC膨胀套管系统

OHC(裸眼包层)膨胀套管系统采用弹性喷涂技术，在膨胀管外侧喷涂一层特殊的弹性材料，利用弹性材料的弹性来加强管体与井壁之间的密封，从而进行层间隔离。裸眼井中使用的膨胀套管系统由于喷涂了特殊的弹性材料而被广泛使用。例如，它可以保持水平井生产层段的地层稳定。在裸眼井中，该系统可安装在泥浆漏失严重的地层中，以防止漏失。该系统由一段满足隔离裸眼井段长度的膨胀套管和一段预膨胀管组成，预膨胀管为浮动装置和膨胀锥提供压力室。膨胀套管两端有锚悬挂接头，附加的膨胀悬挂器可安装在膨胀套管长度的任何位置，以密封目标裸眼井段。由于该系统只覆盖有问题的井段，不需要密封所有裸眼井段，因此可以节省大量资金。

图3.3 OHL膨胀套管系统

(4)可膨胀衬管悬挂器(ELH)

可膨胀管用作尾管悬挂器(图3.4)。与卡瓦尾管悬挂器相比，它更简单、更经济。不是将整个尾管展开，而是只展开尾管的一小部分，挤压橡胶圈实现密封悬挂，从而形成尾管悬挂器；②可膨胀尾管悬挂器系统使用寿命长，维护成本低；③可膨胀尾管悬挂器系统集成了卡瓦悬挂器和封隔器的功能，可在坐封和整个工作期间防止环空漏失，节省水泥、尾管悬挂器和封隔器的相关费用。据统计，卡瓦悬挂器因坐封失败而泄漏的概率高达45% ~ 60%，而膨胀尾管悬挂器能有效防止这种泄漏。(4)在膨胀悬挂过程中，膨胀锥不仅可以起到悬挂膨胀吊架的作用，还可以在膨胀摩擦过程中起到打磨吊架内表面的作用。悬挂式坐封悬挂器不仅开口大，而且内表面光滑，有利于各种后续操作。

图3.4膨胀管悬挂器和滑动衬管悬挂器

3.2.2可膨胀开槽管(EST)

可膨胀割缝管(图3.5)是壳牌公司在20世纪90年代中期开发的新专利产品，用于复杂井段的钻井和完井。这种管子有一系列交错重叠的轴向狭缝，其管体比实心膨胀管更容易膨胀。在完井作业中，膨胀割缝管自下而上膨胀，在钻井作业中，自上而下膨胀。通常膨胀缝管的径向膨胀率为50%，轴向缩短率小于l%。另外，狭缝的形状、膨胀锥锥角和锥底直径的合理配置，可以使膨胀后的可膨胀狭缝管的实际直径比膨胀锥本身的直径大10%，可膨胀狭缝管膨胀所需的膨胀力相对较小。

图3.5膨胀开槽管

常见的有可膨胀防砂管(ESS)、裸眼尾管(ABL)和可膨胀完井尾管(ECL)。

(1)可膨胀防砂管(ESS)

可膨胀防砂筛管技术因其操作简单、防砂可靠性高，在工业上得到广泛应用。小直径设计使可膨胀筛管能够用于各种裸眼井，甚至是高度弯曲的井和水平井。可膨胀割缝管主要包括三部分:割缝中心管、中间过滤层和保护套。在膨胀作业时，将锥形膨胀工具推入筛管内，使膨胀管膨胀，中心管和保护套结合在一起紧贴井壁，从而达到所需的筛管外径，消除筛管与井壁之间的环空。

膨胀式防砂筛管的主要优点是:①能提供更大的过流面积，降低筛管堵塞和腐蚀的概率；②操作简单；(3)与一般防砂筛管相比，内径更大，改善了井内尤其是水平井中流体的流动状态，便于下入修井工具；④在裸眼井中，可以消除筛管与井壁之间的环空，从而稳定井壁，减少出砂，降低出砂概率。

(2)可膨胀裸眼衬管(ABL)

在钻较深的超压地层、衰竭地层或易塌漏地层时，目前的技术是使用不同直径的钻头，用不同直径的套管逐层封堵。因此，井越深，套管层数越多，井眼直径越大。另一方面，如果直径固定，最终的井眼直径会更小，可能达不到目的层，甚至达不到目的层，但井眼太小，不能满足生产和后续修井、增产的要求。水泥密封可膨胀割缝衬管是一种保持井眼直径不变的金属-岩石膨胀技术，可以克服上述一些问题。

(3)可膨胀完井衬管(ECL)

目前，可膨胀完井衬管技术可以部分替代常规割缝管完井技术和射孔完井技术。该技术可以强化井壁，选择性分采，减小钻孔直径。它具有以下优点:①增加油田产量；②在某些油田，大井眼可以增加过流面积，所以产量会更高；(3)延长新老油井的生产周期；(4)可通过将分离器下入井眼进行选择性堵水；⑤适用范围广，可膨胀衬管可用于完成中、小直径井眼。

可膨胀完井衬管特别适用于侧钻固井和射孔完井。

3.2.3膨胀波纹管技术

可膨胀波纹管技术(图3.6)目前发展迅速，已形成三项技术:

1)裸眼复杂井段隔离技术。用于封堵封堵层、水层、高压层等复杂地层，减小井身结构锥度，保持井身稳定。

2)套管修扩技术和套管补贴作业。特别适用于大断面破损套管的修复，特别有利于大断面腐蚀套管的修复、侧钻和加深钻井作业。

3)裸眼衬管技术，可将橡胶密封和可膨胀波纹管合二为一，进行衬管膨胀密封作业。

可膨胀波纹管的施工工艺比可膨胀实心管简单，关键技术是管材的研制和管对管连接的焊接技术。与可膨胀波纹管相比，可膨胀实心管需要更多的配套工具和附件，且结构复杂，管材成本和施工成本高。其优点是膨胀后机械强度高，适用范围广。

图3.6可膨胀波纹管

3.2.4可膨胀防砂筛管(ESS)

威德福公司的子公司Petroline公司在1999引进了可膨胀防砂筛管技术(图3.7)。在作业过程中，膨胀锥被推入防砂筛管，使膨胀防砂筛管膨胀，中心管和保护套一起膨胀，从而达到设计井径。在筛管膨胀过程中，由三层膜组成的重叠滤层的中间层径向滑动，而另外两层轴向滑动，直到防砂筛管达到理想直径。

ESS由三个主要部分组成:可膨胀开槽中心管、重叠复合过滤层和可膨胀保护外管。

可膨胀防砂筛管的特点是:①适用于各种井眼条件:膨胀后，可膨胀防砂筛管直径扩大一倍，适用于各种井眼。此外，由于其原始直径较小，在操作过程中，屏幕可以平稳地下降到指定的设置位置；②提高井眼的利用空间:正常情况下，作业后的井眼直径仅减小25.4毫米；通过使用可膨胀防砂筛管；③降低裸眼井与套管井之间的压降:在裸眼井应用膨胀防砂筛管可以阻止砂粒运动，防止防砂筛管堵塞，避免井筒压力升高；在套管井应用中，膨胀防砂筛管缩短了地层流体从地层到筛管的流动路径，可以减小压差；④降低生产成本:在多产层油气藏的开发中。利用可膨胀防砂筛管技术防砂，作业成本明显小于传统砾石充填，因此可以大大降低油井生产成本。

图3.7可膨胀防砂管

3.2.5等径膨胀套管技术

起初，膨胀套管只是作为钻井问题的后续解决方案，如套管补贴和侧钻完井技术，这些技术在油田已经成熟。但随着该技术的发展，在井身结构设计和钻井方案中得到了广泛应用，在大斜度井、水平井、深井和热采井中得到了广泛应用，得到了业内的广泛认可。等径膨胀套管技术作为国际膨胀套管技术和井身结构的发展方向，可以实现无内径损失钻井，极大地推动了钻井技术的发展。

经济分析表明，使用膨胀套管减小上部井眼尺寸可以提高机械钻速，节省井口设备、钻井液、循环时间、水泥、钻头和平台费用。壳牌认为，单井直径油井是石油和天然气行业的重大突破。它将减少44%的钻井液消耗、42%的水泥消耗、38%的套管消耗和59%的钻屑产生。在海上钻井和建井中可节约33% ~ 48%的建井成本。

等径膨胀套管技术是指在钻井过程中始终采用一定的钻头和钻具规格，并在整个钻井过程中保持一定的井眼尺寸的一种钻井方法，是在膨胀裸眼尾管系统的基础上发展起来的，其技术基础是膨胀套管技术。随着这项技术的发展，未来的钻井可以达到更大的深度和完井孔尺寸，尽可能缩短钻井周期，节约钻井成本。

(1)等径膨胀套管系统的分类

等径膨胀套管系统包括等径裸眼补贴系统(图3.8)和等径裸眼尾管系统(图3.9)。

1)可用于封堵裸眼地层坍塌或漏失等复杂井段，其特点是:可通过补贴段补贴多段漏层，保持内径不变；地层隔离不需要回接到上部技术套管中；对失地、高压地层、坍塌地层有非常有效的封堵效果，可以降低钻穿复杂地层不下套管的风险。

2)等径裸眼尾管系统是等径膨胀套管系统的发展方向。通过等径裸眼尾管系统改变井身结构，可以实现所有井下套管尺寸一致的长期目标。等井径裸眼尾管系统可避免钻井时扩大井身结构，可解决漏失层、高压层、薄层漏失层等复杂地层的钻井问题。要获得与以前相同尺寸的井眼，用相同尺寸的钻头继续钻进，有两种方法可以实现:一种是采用超大套管鞋的设计；第二，膨胀套管和基础套管的重叠部分过度膨胀。

(2)等径膨胀套管系统的技术优势

等井径技术是油气领域的重大突破，可以在不减小井眼内径的情况下，实现安装相同尺寸的多层钻井尾管串。采用该技术是实现全井同尺寸套管的最佳技术途径。与传统的外壳结构相比，本发明具有以下优点:

1)有助于地面设备的标准化。在深海和深井钻井作业中，大量时间花费在钻台上，例如更换底部钻具组合、从钻台投掷和悬挂钻杆，并且防喷器组的尺寸受到设计的套管柱的限制。使用等径钻井技术可以标准化不同尺寸的地面设备，使用一种尺寸的钻柱和钻头来减小防喷器组的尺寸，从而大大降低一口井的钻井和完井成本。

2)有利于环境保护，降低建井总投资成本。由于不需要下多层大尺寸套管，只需要用小钻机钻进，所以等径系统可以明显降低环境影响，减少材料消耗。据报道，等径钻井技术可节约钻井液用量44%，套管质量42%，固井水泥42%，岩屑处理费用59%。

3)有利于海上和陆地作业的安全。在常规操作中，设备处理过程中经常会造成人身伤害。等径钻井技术虽然不能取消这些操作，但可以明显减小处理设备的体积，获得更安全的工作环境。

4)有望大幅度扩大现有钻井面积，大幅度提高石油采收率，促进油田经济发展和其他技术的发展。等井径技术可以减小中上部井段的井眼直径，保持或增加完井尺寸，增加现有基础设施下的油井数量，经济地开发更深的油藏。还可以配合多分支井和智能井的建设，推动多分支井和智能井技术的发展。

等径膨胀套管技术可以在不损失井眼内径的情况下，通过套管将地层与井筒隔离，从而达到封堵地层的目的，可以显著改善钻井过程中复杂地层压力系统因素导致的井眼缩径问题，特别适用于难以达到所需目标的深水深井作业。

图3.8等直径裸眼补贴系统施工程序

图3.9四种井筒结构的对比

(3)等径膨胀管系统

目前，国外等径膨胀套管系统的研究主要是Enventure Global Technology公司的单径系统、Weatherford公司的单筒系统和Baker Oil Tools公司的Lin EXX系统。1999年，Enventure公司率先提出等径膨胀套管系统概念；2002年，壳牌公司和Enventure公司在南德克萨斯州1气井成功进行了等径膨胀套管钻井原理试验。2004年，壳牌公司和Enventure公司完成了等径系统的综合现场试验，在等径井施工程序方面取得了重大进展。2007年，Enventure完成了等径技术的实际现场应用。

1)单直径系统

单直径系统包括原套管底部的过膨胀段、膨胀套管柱和原套管底部过膨胀产生的钟形重叠区，重叠区用于回接下部膨胀套管，保证井眼内径零损失。目前，Enventure Global Technology公司是唯一一家能够实现等径膨胀套管重叠区设计和膨胀的公司。

单直径和其他井径系统可以完全消除井眼锥度的影响，并且膨胀套管及其重叠的基础套管都膨胀以形成连续的内径。等径膨胀套管的重叠段是获得较高膨胀率的决定性因素。如244.475mm直径膨胀套管放入298.45mm标准套管，内径膨胀至φ 264.16 mm (10.4 in)，要求基础套管膨胀率为17%，搭接段膨胀率为24%，均在材料允许膨胀率范围内，φ 244.475。此外，244.475mm等径膨胀套管可连续膨胀至设计套管长度。

单直径膨胀系统(图3.10)基于裸眼膨胀管技术，该技术中使用的膨胀锥置于1膨胀锥发射器中。由于膨胀锥放置在锥形发射筒内，等径系统需要两个大小不同的膨胀锥进行两次膨胀。φ 264.16 mm (10.4 in)膨胀锥可用于初始自下而上膨胀，φ 278.13 mm (10.95 in)膨胀锥自上而下移动，膨胀等直径套管钟形搭接区，搭接区用膨胀吊架悬挂密封。目前已研制出一种新型变径膨胀锥，只需自上而下1次膨胀即可完成膨胀作业。

图3.10等径衬管系统膨胀过程

等径系统的工具串(图3.11)包括六个工具，包括套管锚、助力器、扩张器、φ264.16mm和φ278.13mm膨胀锥(或变径膨胀锥)、封隔器工具和切割工具。

图3.11等径膨胀套管系统膨胀工具组合

2)单孔系统

单孔系统采用威德福公司的金属表皮衬管/悬挂器系统。安装后，衬管和上部套管之间的单孔衬管系统不限于使用原始管柱交付超尺寸管鞋，还可以使用常规套管柱交付。等径尾管系统可以避免钻井时扩大井身结构，可以获得与以前相同尺寸的井眼，可以用相同尺寸的钻头继续钻井(图3.12，图3.13)。

图3.12威德福公司等径膨胀衬管系统施工程序

虽然威德福已多次完成常规金属蒙皮裸眼膨胀管系统的安装，但仍有一定的内径损失。新开发的金属表皮单孔膨胀管系统可作为井身结构设计的应急措施，致力于开发φ 298.45 mm× φ 339.725 mm裸眼膨胀管系统，并进行了现场试验，但离真正的工业应用还有很大差距。迄今为止，威德福公司尚未进行等径膨胀套管的现场安装。

图3.13单孔系统超大套管鞋

3)林EXX等径膨胀管系统

贝克石油工具公司最新研制的Lin EXX膨胀套管系统，在保持环空间隙不变的情况下，采用单冲程向下膨胀的方法使膨胀套管膨胀，使作业者无内径损失。公司开发的超大套管鞋为钟形结构，可防止井眼内径损失。作为应急方案，它被连接到上部套管的底部并被下入井中。内管采用玻璃纤维材料，防止水泥浆进入，容易被磨掉。套管鞋的钟形结构是将膨胀管连接回上部套管。

用更大的钻孔钻更深的勘探井。作为应急设计，该系统还隔离了活化页岩、盐层和低裂缝梯度地层。该系统可以在不减小井眼尺寸的情况下提供最佳且经济的套管结构。Lin EXX膨胀套管系统由六个基本部件组成:RC9系列套管鞋、FORM lock悬挂器、Lin EXX膨胀管、FORM pac裸眼封隔器、引鞋和卡特彼勒EXX膨胀系统。RC9系列套管鞋是一种安装在技术套管柱上的凹形加大套管鞋，以便将膨胀套管固定在上部套管的底部。固井后，可用随钻扩眼器或钻头将套管鞋钻掉。前封隔裸眼封隔器用于无固井套管鞋，其表面涂有弹性材料。膨胀后，RNX鞋上的膨胀套管可与裸眼井段形成密封。

图3.14林EXX膨胀管系统RC9系列套管鞋

RNX鞋安装在Lin EXX管柱的底部，用于将膨胀套管导入裸眼井段。膨胀后，鞋脱落，与卡特彼勒E2XX系统一起回收到井口，或留在Lin EXX管柱中，待重新钻井时再钻(图3.14，图3.15)。

图3.15林EXX膨胀管道系统膨胀施工程序

由于Mono Bore系统和Lin EXX系统都设计有超大套管鞋，等井径膨胀套管嵌入在超大套管鞋内，因此无法实现多段等井径膨胀套管的嵌套膨胀，只能实现一段等井径膨胀套管，而Enventure公司的单井径系统可以实现扩口重叠段的过渡膨胀，可以实现多段膨胀套管的等井径膨胀，进行连续等井径膨胀作业。