张继红1ZhangJihong     刘明君2LiuMingjun

摘 要：膨胀管技术诞生于20世纪80年代，主要用来优化井深结构、预防井壁掉块及坍塌、封堵高压层或低压漏失层、修补井中损坏的套管等。被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。本文主要介绍了可膨胀管的分类及优缺点，以及可膨胀管的相关技术研究。

关键词：膨胀管；膨胀椎；套管；

膨胀管技术于20世纪80年代晚期诞生于壳牌石油公司[1]，在这之后的一段时间里，发展非常迅速。90年代末期达到了商业化应用水平，目前在国外有多家石油技术服务公司可以提供膨胀管的技术服务，其中最有名的是壳牌和哈里伯顿合资的Enventure公司[2～3]。国内多家公司和科研机构也在从事膨胀管技术的研究，但多是理论及实验室的研究。

膨胀管是一种由低碳钢经特殊加工而制成的套管，由于含碳量低，膨胀管比普通套管柔性好，可朔性强。可膨胀管技术就是将待膨胀的套管下到井内，以机械或液压为动力，通过冷挤扩张的方法，由上到下或由下到上，通过压力或拉力使膨胀工具通过待膨胀的套管内孔，使其内径或外径由于朔性变形膨胀至设计的尺寸，从而完成待定工程目的的一种技术。

膨胀管技术具有以下优点：可有效地解决复杂地层的井壁稳定问题；减小井眼锥度、增加套管下深，以尽可能大尺寸井眼完井；可以减少上部井眼的尺寸和套管层数；修复套损井；使完井具有更大的灵活性；能改善尾管悬挂器的密封效果；可大大降低钻井成本；可取代砾石充填,降低完井成本。因此，膨胀管技术被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。

1  膨胀管的分类及优缺点

1.1 可膨胀管的分类

可膨胀管根据其结构的不同，可分为纵向波纹管、实体膨胀管（SET）和割缝膨胀管（EST）三种。其中，纵向波纹管技术是事先将套管压扁成腰状（如图1a），下入井中后再用专用工具将压扁部位胀开。割缝膨胀管有一系列串联的,互相交错的轴向割缝,割缝的布置使管柱易于膨胀。后来在割缝膨胀管的基础上又发展出专门用于防砂的膨胀防砂管。纵向波纹管成本较高,而且不能作为技术套管,只能作为套管补贴用。因此本文重点介绍实体膨胀管和割缝膨胀管。

图1  纵向波纹管和可膨胀实体管

1.2 两种可膨胀管的优缺点

（1）可膨胀割缝管的优缺点：

可膨胀割缝管的优点：膨胀性能好，直径可达原来的3倍；驱动力小，容易实施作业；选材要求不太苛刻，可借用常规套管或焊管；成木较低；可用作水平井完井的割缝筛管；可用作防砂筛管。

可膨胀割缝管的缺点：不能用作生产套管，只能用作技术套管或应急套管；不能用顶替方法注水泥固井，只能用平衡塞的方法；机械性能较差，抗内压主要依靠水泥环的强度和质量；为了保证水泥环的厚度，必须扩眼，对水泥浆性能也有特殊要求，一般使用纤维水泥。

（2）可膨胀实体管的优缺点：

可膨胀实体管的优点：可用常规的顶替注水泥固井方法；机械性能较好，抗内压、外压及抗拉应力大，尤其抗内压的性能与未膨胀前基木一致；可用作生产套管；可用作尾管悬挂器。

可膨胀实体管的缺点：膨胀性能差，最大膨胀率约25%，膨胀力大，约为可膨胀割缝管的30倍；对选材的要求高；成木较高。

2  膨胀管技术的应用

随着深井、超深井逐渐增多，施工过程中钻遇的不同压力层以及盐膏层、油气水层、坍塌层、漏失层越来越多，钻井的难度越来越大，油公司对投入产出比也越来越敏感。膨胀管技术的诞生部分地解决了钻探和生产中的难题，在石油勘探开发过程中，膨胀管技术主要应用于以下情况:

2.1 钻井方面

（1）优化井身结构。在深井钻井设计中，为了钻穿不同压力层系的地层以及易缩径、坍塌或易发生井下漏失的地层，常规的作法是用不同直径的套管封隔各层段地层。在套管程序设计上应用膨胀管技术，可减少套管层次，在保证下部井径尺寸不变的情况下，可使上部井眼采用较小尺寸的技套，从而提高机械钻速和降低钻井成木。对于超深井，可减少井眼锥度，提高处理井下突发事故的能力，从而钻更深的井眼，以便顺利达到勘探开发目的。

（2）封隔缩径、坍塌、井漏或局压层。对于在钻井设计中没有预料到的恶性的井眼缩径、井壁坍塌、地层漏失或高压，如果通过处理和调整钻井液性能的方法仍难以凑效，最常规的方法只能通过补下一层技套来封隔

2.2 套管修补作业方面

（1）修补磨损的技术套管。在确定了损坏的套管的具体位置后，采用内衬可膨胀管，在牺牲极少的技术套管内径的情况下，可恢复技术套管的承压能力，在保证施工安全的前提下继续下一步作业。

（2）修补老井生产套管。对于投产多年的油井，可用膨胀管技术修补由于抽油杆磨损或地层流体腐蚀等原因造成的生产套管的破损。

（3）封隔射孔层段。对于用挤水泥等常规作业不能封隔的射孔层段，可用膨胀管技术，封固不必要的产油、产气或出水层段，从而优化注水、注气或产能。

2.3 完井作业方面

在深井或者老井开窗侧钻井中，随着井眼的不断加深，套管层次越来越多，井眼直径越来越小。完井套管直径太小，不能有效地提高生产井产量，也满足不了完井作业、生产作业和将来修井作业的要求。膨胀管技术在不改变上部井身结构的情况下，可使生产套管具有更大的直径，以提供更大的井下作业空间和产能表面积，既为将来完井管柱和修井作业提供更多选择，又可提高产量，便于将探井转换为具有经济产能的生产井。

3  可膨胀管技术研究

3.1 材料学研究

可膨胀管的材料必须具有足够高的变形能力，且膨胀后的力学性能基本能达到普通套管的水平。在研究可膨胀套管管材过程中曾使用过低碳不锈钢、低碳合金钢、高压锅炉钢等，目前采用常规套管材料，如L-80、K-55。国外针对L-80、K-55做了大量研究，试验表明，膨胀后管材的性能仍能满足API标准的要求(如表1)。

表1  L-80、K-55膨胀前后的力学性能

表2  Al-killed C-Mn 钢膨胀前后的力学性能

图2  膨胀及时效对AI-killed C-Mn钢的冲击韧度影响 

可膨胀管管材还可采用一种特殊的材料，Al-killed C-Mn钢，组织状态为铁素体加珠光体，经20%膨胀后其力学性能变化如表2和图2，与L-80、K-55的性能变化类似，屈服强度、抗拉强度和硬度均有不同幅度的提高，挤毁强度、冲击韧度降低，其性能指标基本接近K-55。管材膨胀后内部会有残余的拉应力存在，经NACE TM0177试验，证明上述材料对应力腐蚀不敏感。有资料显示高强度的套管材料S-95、P-110也可以作为可膨胀管管材使用。

综上所述,可膨胀管管材必须具有足够高的变形能力，膨胀后及应变强化后的屈服强度、抗拉强度、伸长率、硬度、冲击韧度、挤毁强度和应力腐蚀敏感性等均应满足API 5CT的要求。

3.2 膨胀管连接螺纹的研究

膨胀套管连接螺纹的设计、加工是实施膨胀套管技术的重点和难点之一。膨胀套管之间的连接螺纹一般采用不同于API螺纹的特殊螺纹，要求这种螺纹在膨胀前后和膨胀过程中都能保持较好的密封性能和较高的连接强度，这对于一般的螺纹是很难做到的，必须是经过专门设计的特殊螺纹才能达到这一要求。在借鉴大量先进螺纹设计思想的基础上，设计了一种能够满足膨胀套管使用要求的特殊螺纹接头[4]。该连接螺纹具有以下特征：

(1)接头采用直接加工在管子上的螺纹连接，为无接箍式螺纹，需要对内、外螺纹同时进行冷磷化处理；

(2)螺纹采用改进的偏梯形螺纹，螺纹齿形为倒钩式，内外螺纹紧密咬合，强度高，该螺纹承载面角为9o，导向面角为10o，齿高为1.575mm；

(3)选用锥面/锥面密封形式，密封锥度为1：5密封效果好；

(4)外台肩(主台肩)采用-15o的逆向扭矩台肩，辅助密封效果好，同时保证在膨胀过程中内、外螺纹不分开，其中内台肩为辅助台肩，选择直角台肩形式；

(5)接头内、外均完全平齐，加工时不需要对接头部位墩粗处理。

基于先进的设计思想，结合可加工性能，确定该特殊螺纹的初步设计图纸，然后将初步设计图纸输入计算机，运用有限元模拟方法，确定合理的公差范围，进而确定最终的设计图纸。

3.3 驱动系统（驱动头）的研究

在对金属管材扩径膨胀芯头调查研究和理论分析的基础上,结合国外膨胀套管作业实践,设计了膨胀锥几何模型,见图3。图3中,a为芯头锥角,Ⅰ为润滑辅助区,Ⅱ为膨胀区,Ⅲ为定径区。

图3  膨胀芯头外形结构                    图4  膨胀芯头几何尺寸

膨胀作业时主要靠膨胀锥的膨胀区给管子内壁施加压力使其发生塑性变形，定径区的作用在于防止管壁发生大幅度回弹。

（1）润滑辅助区的直径与长度：

润滑辅助区的作用主要有2个，一是膨胀时将润滑剂良好地带入膨胀区，二是对即将进入膨胀区的管子起导向作用。

该区段的外径，应该小于管子膨胀前的内径，见图4。根据管材冷加工经验，如果是经过退火处理的膨胀管，则。该段的长度主要对膨胀管起导向作用，不宜过长，一般可取其值为0.4～0.7。

（2）膨胀区的长度与椎角：

从图4所示的几何关系可以很明显地看出，膨胀区圆锥段的长度可由下式来确定：

式中，—膨胀椎定径区的直径。

锥角的选择考虑了以下几点因素:使变形区的金属流动尽量流畅；有利于使润滑剂在膨胀区建立流体润滑条件；有利于管子轴线与膨胀锥轴线重合，使膨胀力方向正确；使膨胀力尽可能小。

要从理论上确定精确的最佳锥角数值是非常困难的，在金属管材冷加工中，这个角度也是根据经验确定的，建议在具体设计时最好采用小锥角芯头，一

般以6～12o为宜。

（3）膨胀锥定径区的长度与直径：

该段长度可在较大范围内波动，对膨胀力和膨胀过程的稳定性影响不大，另外，膨胀锥定径区在长度方向可以带有不大的锥度(直径差O.lmm)。该段的外径等于管子膨胀后所要达到的内径。

3.4 套管膨胀技术的力学研究：

在这项研究中，需要解决的问题有：下入井内的膨胀管轴相收缩率；膨胀管在膨胀后环空体积的膨胀管径向收缩量；膨胀管在膨胀后是否能满足井身设计所需的抗外挤强度；膨胀管在膨胀后的残余应力；膨胀套管膨胀后的回弹量以及与上层套管间的连接与密封。

3.5 配套工艺研究

应根据可膨胀管的具体应用情况来完善相关工艺可行性及工艺实施过程，如扩眼、注水泥、钻塞等都不同于常规的钻井技术。

4现场试验存在问题及解决方案

4.1 试验情况

目前，已经对两口套损井应用膨胀管技术进行修复 ，其应用过程中主要存在如下两个问题：

（1）膨胀过程中容易出现膨胀锥被卡现象；

（2）在膨胀结束后取出膨胀工具困难，需要很大的力。 

4.2 解决方案

针对目前现场试验中存在的问题，考虑目前膨胀锥直是不可变的，提出研究可变直径膨胀工具，使膨胀过程中膨胀锥在套管扩径段直径自动增大至mm，在套管正常或轻微缩径井段直径缩小至mm（直径根据实际情况进行选择）。

其结构主要由引导胀头、自适应膨胀环、锥形心轴、联动机构几部分组成。具体工作原理如下：

（1）经胀头装入膨胀管发射器内，连接投送下入井内预定位置。

（2）地面打压，压力作用一级胀头和锥形心轴，其合力推动胀头整体下行对膨胀管体进行膨胀。

（3）在胀头通过套管内径大于109mm的套损段时，一级胀头将膨胀管内径初胀至mm ,自适应膨胀环在锥形胀头锥面作用下直径扩大至mm，对膨胀管内径进行二次膨胀。

（4）当胀头通过正常段或缩径段时，由于自适应膨胀环阻力增加，地面压力增大，联动机构开始动作，自适应膨胀环靠心轴锥面挤压作用下滑压缩联动机构，使直径缩小至mm，从而通过套管缩径段。

（5）当胀头通过套管缩径段进入扩大段时，联动机构释放自适应膨胀环，锥形胀头的锥体继续起作用，将自适应膨胀环直径扩大至mm进行膨胀。

4．2．1自锁角的计算

为防止膨胀过程中膨胀环与心轴产生自锁，膨胀环角度（即图1所示线段AB与CD延长线的夹角）必须大于其自锁角。因此，应首先知道自锁角的大小，然后再计算膨胀环的角度。

目前胀头与膨胀管内壁成角（即CD线与垂直方向的夹角为）。对图1中滑块的受力分析如图2所示，其中：

图1 滑块的结构示意图

图2  自锁角确定示意图

                                            （1）

                                            （2）

                                            （3）

       （4）

式中：

—膨胀管与膨胀环CD面之间的压力（N）；

—膨胀管与膨胀环CD面之间的摩擦力（N）；

—膨胀环与心轴之间的压力，即AB面压力（N）；

—膨胀环与心轴之间的摩擦力（N）；

—膨胀管与膨胀环之间DE面的压力（N）；

—膨胀管与膨胀环DE面之间的摩擦力（N）；

—线段AB与CD的夹角；

—膨胀锥角（15O已知）；

—钢—钢静摩擦系数（=1.5查表得）。

当自适应胀头沿AB面滑动不产生自锁时，即

         （5）

将（1）、（2）、（3）式代入上式，则

      （6）

将（4）式代入（6）式，有

     （7）

变形得：                 

                                     （8）

又因为：，两端同时除以有：

               （9）

整理得：

                                     （10）

由于膨胀管膨胀过程中，力主要作用于滑块的CD面上，，因此，分两种极限情况对（10）式进行讨论：

（1）

当时，（10）式可转化为：

                             （11）

所以有：

则                     

（2）

当时，（10）式可转化为：

代入数值，有：

则                      

综上所述，自锁角应该在～之间。所以在设计时，为了避免滑块自锁，取。

4.2.2 联动机构提供力—弹簧力的计算

通过试验得到数据：膨胀管内径99.3mm，胀头的最大外径109.8mm，当压强达到32～33MPa时开始膨胀（这里选取=33MPa）。二次膨胀由109.8mm膨胀至112.8mm。

所以：，，。

当膨胀管内径由99.3mm膨胀至109.8mm时，膨胀压力为：

图3  膨胀锥在膨胀管内启动示意图

图4  膨胀锥受力示意图

由图3所示，设处的压强为，且由到压强从0逐渐增加到。由图4可知，为的函数，则设=。

当时，；

当时，；

所以：     

当启动时，膨胀锥所受向上的力与向下的力相等，所以有：

                           （12）

即：

                （13）

当进行二次膨胀时力的变化趋势和第一次是相同的，又由于材料变形后其达到塑性变形的极限值变化不大，所以仍假设处的压强为。则此时作用于第二个膨胀锥的液压力为：

又因为：

则

图5  确定合力作用点处膨胀锥的半径示意图

如图4所示的受力情况，作用于滑块CD面的合力的作用点应该位于距底端2/3处。如图5所示，设合力作用点处膨胀锥的半径为，所以有：

则             

因此，膨胀管作用于膨胀锥的力可以看作是作用于半径为55.9mm的圆周上的力，设该圆周上单位长度（mm）的力为，如图6所示，则

(N)

（N）

设联动机构提供给该圆周单位长度（mm）上的力为T，则滑块滑动的临界条件为：

                     （14）

当滑块即将滑动时，（4）式中，，。所以有（4）式知：

                             （15）

图5  滑块开始滑动受力分析

将式（15）代入式（14），有：

则：

                      （16）

带入数值后得：（N）

则联动机构提供的总的力为：

（N）

T总即为联动机构应提供的力，即弹簧力。

5结论

（1）膨胀管技术是解决井下复杂地层顺利施工的有效手段。尤其是对深井和探井，更具有广阔应用前景，被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。

（2）可膨胀管技术是一项富有生命力的新兴技术，所涉及的研究内容较多，其技术研究集中在材料学研究、可膨胀管的连接、驱动系统研究、配套工艺研究等。

（3）可膨胀管的管材应具有较低屈强比、较高的变形硬化指数、无明显的屈服现象等性质。

（4）从理论上确定精确的最佳椎角数值是非常困难的，建议在具体设计时最好采用小椎角芯头，一般以6～12o为宜。

参考文献

[1] 余金陵，周延军，王锡洲.膨胀管技术的应用研究初探.石油钻探技术，2002，30(5)：55~57

[2] Filippov A, Mack R, Cook L, et al. Expandable Tubular Solutions[R]. SPE 56500

[3] Ruggier M, Benzie S, Urelmann R, et al. Advances in Expandable Tubuing-A Case History[R].SPE/IADC 67768

[4] 谢香山. 油井管特殊螺纹接头的发展. 钢管，2000，29(5)：9~12

作者简介：

张继红 1969年生，女，博士生,副教授，从事油气田开发及提高采收率方面的研究。

刘明君1981年生，男，大庆石油学院硕士研究生，联系地址：大庆石油学院684#，邮箱：liumingjun3448@yahoo.com.cn。下载本文