膨胀管技术现状与发展
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发布时间：2022-04-23 17:38
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时间：2023-06-30 23:56
威德福公司在可膨胀防砂筛管领域居于领先地位，其膨胀管技术分为3类：可膨胀割缝管、实体膨胀管和膨胀系统。哈里伯顿公司的膨胀产品包括可膨胀筛管系统和可膨胀尾管悬挂器/封隔器系统，这两种系统都经过了大量的室内和现场试验。Enventure公司开发了三种实体膨胀管产品：可膨胀尾管系统、套管井衬管系统和可膨胀尾管悬挂器系统。贝克石油工具公司的可膨胀产品包括可膨胀尾管悬挂器系统、六级分支井完井系统、可膨胀裸眼完井系统、套管补贴系统和膨胀封隔器。另外，俄罗斯的鞑靼石油研究设计院的膨胀管技术也得到了广泛应用。
最近几年膨胀管技术呈现爆炸式大发展，该技术对石油工业将产生*性的影响。例如等径井眼技术，一旦成熟，将极大地降低油井成本，并完全消除常规套管程序的缩径效应，井可以钻得更深，而总井深处的套管内径与常规井相比反而增大。
3.3.1 威德福公司
自1998年以来，威德福公司一直在可膨胀防砂筛管（ESS）领域居于业界领先地位。该技术发展迅速，目前已经成为降低成本、提高产量的标准方法。该公司还对实体膨胀管技术进行了大规模研究与开发。该公司的膨胀管技术分为3类：可膨胀割缝管（EST）、实体膨胀管（STE）、膨胀系统。
（1）可膨胀割缝管
威德福公司的可膨胀割缝管包括以下3种类型：可膨胀防砂筛管（ESS）、井下衬管系统（ABL）、可膨胀完井尾管（ECL）。
1）可膨胀防砂筛管（ESS）。
威德福公司是可膨胀防砂筛管技术的主要供应商，目前已经在世界范围内进行了超过225次施工作业，膨胀筛管总长度达3612km，并成功进行了世界上最长的膨胀作业，膨胀筛管长度超过1494m。ESS作为一种可靠高效的防砂方法应用日趋增多。
ESS应用范围广泛，其中在裸眼井中应用占74%，在套管井中占26%。与其他防砂方法相比可提高产量70%，降低成本超过20%。威德福公司4年前在北海的一口气井首次使用了ESS。这口高产气井至今仍稳定生产，无出砂。另一个里程碑式的成果是在2002年末，威德福公司成功地为康纳科菲利普斯（Conoco Phillips）公司在渤海湾的蓬莱油田安装了连接器经过加强的Φ139.7mm ESS，这是ESS在全球的第150次应用。
2）井下衬管系统。
井下衬管系统能代替技术套管柱，而且确保井眼直径不减小。要封固的井眼部分首先被扩眼，然后利用衬管加强，并用纤维水泥封固这部分井眼。该技术能封固异常压力地层，以确保向更深的地层钻进。
开发这项技术的目的：一是减少钻井成本；二是简化高温、高压深井的设计。在井身设计中考虑使用应急套管，这不仅增加了套管成本，而且还有许多其他不利因素。应急套管上部的井眼/套管的直径必须大于应急套管，这样，不管是否真正地使用了应急套管，其上部的钻井费用增加。
另外，钻大尺寸井眼耗时更长，处理复杂情况耗时更多。在海上，大尺寸的套管要求使用大尺寸的导管，因此平台也必须加大。用这种方式来设计钻井，费用很高。如果钻井设计中不用应急套管，那么将节约大量的费用。井下可膨胀衬管系统能够代替应急套管，而且消除了井眼直径越来越小的不利后果。
在深井钻井中，为避免井涌/井漏，必须安装附加的套管或尾管，这样可能由于套管的直径太小而导致不能钻至目的层或进入目的层。这也是开发该技术的主要原因。应用该技术可钻成深的勘探井、开发井、评价井和生产井，并使用足够直径的*来开采。
3）可膨胀完井尾管。
威德福公司已经开发了可膨胀完井尾管技术，可以取代传统的割缝尾管或者注水泥射孔尾管。该技术增强了井眼稳定性，提高了选择性隔离和处理能力，并减小了井眼尺寸。该技术尤其适用于过*侧钻油层完井，既可以到达受*的油层段，同时也避免了困难的固井和射孔作业。其他优点包括：①井眼增大，流通面积也增大，因此提高了产量；②允许再入油层进行修井作业，延长了油井寿命，也增强了老井的潜力；③重返油层灵活方便，通过插入封隔器或桥塞可以防止产水；④可适用于Φ88.9mm到Φ241.3mm的井眼。
（2）实体膨胀管
实体膨胀管包括可膨胀尾管悬挂器（ELH）和Metal Skin套管修补系统。
1）可膨胀尾管悬挂器。
ELH系统可以悬挂ESS和其他不注水泥尾管。
ELH可以悬挂Metal Skin套管修补系统。ELH使用柔性旋转技术膨胀，与外层套管形成金属对金属密封，使井眼最大化，方便将来的重入作业。
2）Metal Skin套管修补系统。
2003年中期，在加拿大艾伯塔省的冷湖油田威德福公司成功地安装了4套Metal Skin实体可膨胀套管修补系统，使4口井恢复生产。该技术是一种金属对金属可膨胀套管系统，可以修补腐蚀或损坏的套管。作业使用了威德福公司的柔性旋转膨胀系统（CRES）。
（3）膨胀系统
传统EST膨胀锥是一种锥形工具，与膨胀心轴联合使用，用来膨胀各种割缝管。威德福系统的根本优点是采用了柔性膨胀管技术。下面介绍两种系统：轴向柔性膨胀系统（ACE）和柔性旋转膨胀系统（CRES）。
1）轴向柔性膨胀系统。
轴向柔性膨胀系统用来膨胀割缝管，可以消除割缝管与井壁之间的环空，支撑井眼并防止颗粒运移。该系统包括一个由上向下膨胀的柔性膨胀工具、可回收系统、现场修整工具。柔性膨胀工具包括两部分：用于初始膨胀的固定尺寸滚轴鼻、柔性轴向滚轴。由于活塞可以随着井眼剖面的变化而伸出或缩回，使工具具有柔性。
2）柔性旋转膨胀系统。
柔性旋转膨胀系统是一种液压机械工具，用来膨胀实体管。当与可膨胀尾管悬挂器施工工具一起使用时，可用来膨胀ELH。它也用来膨胀更长的Metal Skin实体管系统。如Poro Flex可膨胀筛管系统，该系统由上至下膨胀，轴向载荷小。由于是滚动摩擦，摩擦力也大大减小，对套管内径的不规则性具有很好的适应能力，可以最大限度地防止被膨胀套管破裂。该工具与膨胀前的套管匹配，很容易回收，并具有选择性膨胀能力。
3.3.2 哈里伯顿公司
哈里伯顿公司的膨胀管产品包括可膨胀筛管系统（Poro Flex）和可膨胀尾管悬挂器/封隔器系统（Versa Flex），这两种系统都经过了大量的室内和现场试验。
（1）Poro Flex可膨胀筛管系统
Poro Flex可膨胀筛管系统由于性能可靠，该系统正在迅速被人们接受。该系统可用于套管井和裸眼井完井，主要有以下四方面特点：
1）Poro Flex可膨胀筛管系统以近乎实体管的多孔中心管作为流动管道，具有很高的抗挤能力，并允许进行多种修井作业或附件安装。封隔器、桥塞以及智能完井设备都可以很可靠地安装在膨胀后的中心管内。另外，未穿孔管可以下入井内封隔页岩段或事故地层，以提高层位隔离能力。
2）通过一层可膨胀筛网就实现了过滤功能。筛网是基于Purolator-Facet公司的Poroplate设计制造的，虽然膨胀期间或膨胀后过筛网流动面积增大，但并不改变其微米额定值（过滤固体颗粒）。
3）可膨胀筛管采用了一体式螺纹连接，可以像套管那样在钻台上连接，如果必要的话还允许筛管在井内旋转，这减少了安装所需的钻机时间。
4）筛管通过液压膨胀，使整个膨胀过程实质上不依赖重力，这对于大位移井或者水平井作业来说很理想。固定尺寸膨胀锥使整个筛管膨胀后内径一致。自投入使用以来，没有发生中心管、筛网或者连接部件故障，也没有出砂。
Poro Flex膨胀筛管可用尺寸为155.6mm和215.9mm（均为膨胀后尺寸）。施工作业表明进行可膨胀筛管完井需要一整套系统方法。完井效率/性能比很大程度上与所钻井眼质量、钻井液、产层情况了解程度密切关联。哈里伯顿公司与斯派里森公司和白劳德公司密切合作开发了一套工艺新技术，使整个系统协调，以提高膨胀筛管完井的效力。
（2）Versa Flex尾管系统
Versa Flex尾管系统采用了业界领先的实体膨胀管技术，以及哈里伯顿公司最好的固井设备、套管附件和浮动设备，可以形成可靠的尾管悬挂器系统。普通尾管悬挂器上部失效率高达30%，由此导致的修补作业成本很高。失效的主要原因是尾管悬挂器机械失效或者上封隔器失效，或者是水泥环不能封隔套管重叠段。
与传统的尾管悬挂器/封隔器系统相比该系统在机械方面有很大优势。更重要的是，尾管悬挂器/封隔器没有运动部件或暴露的水力孔。为了进一步保证尾管顶部的完整性，一体的尾管悬挂器/封隔器还包括抛光回接器，采用5个的橡胶元件提供环空密封。膨胀工艺保证尾管悬挂器/封隔器不会提前坐放。
为了提高水泥环的可靠性，系统允许增大循环速率以获得紊流。另外，哈里伯顿公司还与Enventure环球技术公司合作开发了专用的注水泥设计，可以消除窜槽、气窜。
（3）近钻头扩眼器
哈里伯顿的Security DBS公司为可膨胀产品市场推出了一种近钻头扩眼器（NBR）。切削臂可以通过现有套管跟在一个标准钻头后面，可将套管下井眼尺寸扩大20%。NBR已经在世界范围内超过500个钻具组合上使用。
3.3.3 ENVENTURE公司
前实体膨胀管99%的施工进尺是由Enventure公司实施的，该公司开发了3种实体膨胀管产品。
（1）可膨胀尾管系统
可膨胀尾管系统（OHL）主要解决井眼稳定以及地层压力（破裂压力）等产生的问题。在不减小井眼直径的情况下多下一层套管，可以钻达更深的储层或者隔离水层，对于老油田挖潜增效有重要意义。目前该系统作业时最大泥浆密度为1.8g/cm3，最大井斜超过100°，膨胀深度大于7925m。可膨胀尾管系统可以过窗口安装和膨胀，这样就不再需要锻铣套管。最近的一次套管开窗膨胀管作业是在墨西哥湾进行的，Φ193.7mm（244.5mm）可膨胀尾管系统安装在Φ244.5mm套管内，共膨胀了610m的套管，其中窗口下方膨胀了579m。
（2）套管井衬管系统
套管井衬管系统（CHL）主要用于作业，尤其适合修补大段损坏的套管。Enventure公司于2002年6月在马来西亚沙捞越海上的E11气井安装并膨胀了1373m的衬管。
（3）可膨胀尾管悬挂器系统
可膨胀尾管悬挂器系统（ELH）集传统的尾管悬挂器和尾管上封隔器的功能于一体，结构简单可靠，避免了环形空间可能发生的漏失，而且增加了悬挂器和尾管内部的可用内径。
Enventure公司目前正在大力开发等径井眼技术，该技术消除了目前油井设计中存在的缩径效应，使作业者可以在上部使用直径相对小的套管，而完钻井深处的井眼直径反而增大。2002年9月，壳牌公司在南得克萨斯一口气井的部分井段成功地使用了该技术。随着实体膨胀管技术的逐步发展与应用，最终将实现使用一种直径的钻头钻进，并用同一种直径的套管完井。
3.3.4 贝克石油工具公司
贝克石油工具公司自1994年以来一直为业界提供膨胀管技术，其第一个商业化可膨胀产品是ZXP尾管封隔器系统，在全球已经应用了超过12000次，该系统可以承受69MPa高压和204℃高温。
（1）可膨胀尾管悬挂器系统
2002年4月，FORM lock可膨胀尾管悬挂器在阿拉斯加州普鲁德霍湾的一口井中使用，悬挂器下入深度3150m（测深），尾管长度335m。这是首次可膨胀尾管顶部完井，完井管柱插入尾管顶部。后来这种可膨胀尾管悬挂器系统在巴西、印尼、马来西亚、北美超过12口井中使用。
（2）六级分支井完井系统
1998年在加利福尼亚州的Belridge油田，贝克公司使用FORMation叉口系统完成了世界上第一口6级分支井，随后该系统在世界范围内获得成功应用。迄今，在非洲、亚洲、欧洲、北美和南美已经应用了十多个FORMation叉口系统，使其成为应用最广泛的6级叉口系统。金属成形技术使叉口系统可通过标准尺寸套管，然后使用固定尺寸膨胀锥在井下将叉口的一个分支撑开。这样就可以形成水力密封，有了全尺寸分支井叉口系统就可以使用传统方法固井、钻井、完井。
（3）可膨胀裸眼完井系统
EXPress是一种可膨胀裸眼完井系统。它包括可膨胀防砂筛管，可以减小或消除环空间隙，其最大用途是水平井裸眼防砂。它结合了该公司EXCLUDER 2000筛管的防砂能力和金属膨胀管技术。筛管的流动面积比膨胀前大，即使不膨胀也可作为一种优质筛管发挥作用。
可膨胀筛管包括穿孔的中心管和渗滤膜结构。渗滤膜允许符合条件的泥浆固相通过，防止了筛管的堵塞，同时维持有效的防砂能力。穿孔中心管结构比割缝管具有更高的抗挤能力，尤其适合使用电潜泵的情况，电潜泵可以产生超过6.9MPa的压降。
该系统在世界范围内进行了大量应用。2002年3月，贝克公司使用可膨胀裸眼完井系统为中国石油在印尼海上的Intan油田的三口井中实施了一趟作业完成的可膨胀完井，使用了可膨胀防砂筛管、FORM lock EXPress可膨胀尾管悬挂器、EXPress实体可膨胀无眼管、FORM pacXL裸眼隔离封隔器。
完井作业成功隔离了生产层，并提供了有效的防砂能力，不再需要砾石充填。施工作业程序由于取消了几趟作业，与传统完井作业相比节省了钻机时间。3口井都投入生产，生产指数远远高于相同储层的邻井。
2003年3月，贝克石油工具公司在北美洲的一个浅层气田首次应用实体可膨胀管和EXPress筛管系统以及变径涨管器。因为地层砂不均匀，分选差，非常细，传统的防砂方法不成功。气田有两个储层，由薄的页岩分隔，由于下部砂岩有一水层，需要层位封隔。所有的设备都使用可变径涨管器膨胀，可膨胀完井装备和膨胀工具一起下井。膨胀前后筛管内径测量证明筛管按设计成功膨胀。该井生产稳定，没有出砂。
（4）EXPatch套管补贴系统
EXPatch套管补贴系统可用于套管井和裸眼井。在套管井中可以封隔射孔，减少进水量，也可以用来修补损坏的或腐蚀的套管。在防砂完井中可以封堵进水，它可以放置在FORM pacXL裸眼封隔器之间，帮助封隔器产生一个机械的液流屏障以选择性隔离井段。该系统与外层套管形成一个锚定/密封段。其坐封机制不依赖周围媒介的完整性，其长度根据应用可精确调整。
（5）膨胀封隔器
FORM pacXL膨胀封隔器可以防止裸眼尾管和筛管之间的环状流动，同时维持最大尺寸井眼内径。膨胀封隔器使液流重新流过筛管，消除了热点的威胁，防止了腐蚀。封隔器可以承受6.9MPa压差和121℃的测试。与传统的管外封隔器不同，它不需要注水泥以产生一个永久性接触力。
3.3.5 等井径系统
目前，等井径膨胀套管技术用来封堵井内复杂层段，例如对于异常高压、衰竭地层或膏盐层等复杂层段，采用该技术可很好地解决难题。由于膨胀套管的强度、气体密封性及抗腐蚀性能还无法完全达到生产要求，Enventure公司计划在2010年实现等井径膨胀套管技术在海洋钻井领域的现场应用。随着等井径技术的发展，其关键技术的突破将大大简化深井、超深井的井身结构，最终实现等径井眼钻进。
直接应用膨胀管作为钻杆进行钻井（即膨胀套管钻井）将是建井的最高水平，可以作为钻井技术发展的一个长远目标。套管钻井不仅可以节省套管下入时间，产生更小的环空和更容易消除井筒的泥饼效应，也可以协作进行多分支井和智能井的建设，促进多分支井和智能井技术的发展，实现膨胀套管内多分支井的智能化生产控制，但会增加额外的时间和费用，而且还需在钻井过程中增加其他的安全措施。
3.3.6 膨胀管技术发展动向
（1）威德福公司
威德福公司正在进行大量投资以使自己享有专利的膨胀管技术快速商业化。2003年4月，威德福公司在苏格兰的阿伯丁开设了一个全球可膨胀管技术中心。该中心每年可生产7000多根ESS筛管，拥有世界上唯一的四头激光切削机，以及世界上最大的研磨性水射流设备。
在休斯敦和阿伯丁该公司还拥有两个世界上最大的研发、试验、培训基地。阿伯丁的井下技术有限公司是一家主要的研发/试验中心，主要为海上油井提供服务。威德福公司还设计并建造了独特的膨胀钻机，为其所有的可膨胀管技术产品进行受控的台架试验。该装置拥有一整套数据采集系统，功率相当于全尺寸钻机。
数据采集系统与威德福设计和工程办公室联网，通过视频系统可以实时传送实验进程。可以进行模拟实际条件的专门实验。研究团队可以使用休斯敦和阿伯丁的钻井装置进行现场试验以及最终产品评价。
新开发的商业化项目如下：
Slimbore裸眼尾管：尾管外径193.7mm，可以膨胀到244.5mm。
Metal Skin套管修补系统：目前可用的是Φ139.7mm×177.8mm系统，三种其他尺寸系统正在开发：Φ108mm×139.7mm、Φ193.7mm×244.5mm、Φ152.4mm×193.7mm。
威德福公司新开发的柔性膨胀工具可提高Φ73mm筛管膨胀作业效率，满足更小井眼的防砂要求。
一趟完成作业系统投入商业应用，增强了Φ101.6mm和Φ114.3mmESS筛管作业的效率。在钻机费率高的地区，如西非、墨西哥湾、北海，可显著降低成本。
（2）哈里伯顿公司
2003年夏季，哈里伯顿公司生产出Φ215.9mm Poro Flex可膨胀筛管系统，该系统使用了耐腐蚀合金，Φ155.6mm筛管在其后不久也生产推出，2003年末实现了商业化生产。
2003年三季度推出两种额外尺寸的“标准”Versa Flex可膨胀尾管系统，适合深水作业的其他尺寸产品在2004年早期推出。
Security DBS正在开发一种特殊尺寸钻头和附件以配合Enventure公司的一系列膨胀管产品，不久即可交付使用。
（3）Enventure环球技术公司
Enventure公司的SlimWell工艺可以减小套管缩径效应。MonoDiameter（等径）系统可以完全消除缩径效应，使井眼直径减小，但是总井深处的井眼直径反而增大。
等径井眼技术的首次现场应用是在得克萨斯州的一口气井中进行的，合作单位包括Enventure、壳牌勘探开发公司、壳牌国际勘探开发公司。为了进行此次作业，首先在井内下入Φ298.5mm套管，后来又下入Φ244.5mm可膨胀套管。套管膨胀到内径251.5mm，可膨胀套管与外层套管通过橡胶元件实现悬挂与密封。然后钻掉套管鞋，使用由上至下膨胀工艺将套管膨胀至内径2.2mm，随后将下段井眼扩眼至311.2mm，然后下入另一段244.5mm可膨胀套管并膨胀。这两段膨胀套管经受了27.6MPa压力测试。
Envneture公司将继续提高其基本的膨胀管技术（如裸眼尾管系统、套管井衬管系统、尾管悬挂器系统），延长膨胀套管长度，缩短作业时间；生产抗挤能力更强的套管、更高效的螺纹接头，进一步提高系统可靠性；还将提高套管的抗内压和抗外挤能力，新的螺纹连接将允许膨胀率超过30%。
（4）贝克石油工具公司
LinEXX可膨胀尾管系统于2003年三季度投入使用，可以有效封堵事故地层，隔离产层，新的尾管膨胀后保持与上方套管相同的内径，该系统可用来封堵事故地层。
贝克公司目前将研发重点放在防腐蚀合金、可靠的气密螺纹连接、提高实体管膨胀后的抗外挤强度等方面。
