基于膨脹波紋管的單一井徑鉆井技術

劉 鵬，夏柏如，陶興華，劉曉丹，胡彥峰，涂玉林

基于膨脹波紋管的單一井徑鉆井技術

劉 鵬1，2，夏柏如2，陶興華1，劉曉丹1，胡彥峰1，涂玉林1

（1．中國石化石油工程技術研究院，北京100101；2．中國地質大學（北京）工程技術學院，北京100083）

隨著勘探開發越來越多地進入深部地層，鉆井技術面臨著如何在保證井眼足夠大的情況下鉆至預定井深，減少鉆井時間和成本等問題，而單一井徑技術的發展為解決這些復雜情況提供了新的解決途徑。單一井徑技術是在膨脹管技術基礎上發展起來的始終保持同一井徑的新興技術。介紹了膨脹波紋管技術和單一井徑技術的現狀，提出了一種膨脹波紋管實現單一井徑技術，分析了制約膨脹波紋管技術實現單一井徑的技術難題并提供了一些解決方案。

膨脹波紋管；單一井徑；強度；連接方式；簡化工藝

膨脹管技術是將管柱下到井內，以機械或液壓的方法使管柱發生永久性塑性變形，實現封隔井下地層。國內外主要的膨脹管技術包括膨脹套管和膨脹波紋管。膨脹套管為圓形管柱，通過液壓驅動膨脹工具將管柱內徑擴大，利用水泥漿固結井壁和膨脹套管；膨脹波紋管為異型管柱，通過液壓將其恢復至圓管后貼緊井壁，利用摩擦力使膨脹波紋管固定在井壁上作為臨時套管。

單一井徑技術是以膨脹管技術為基礎的新技術，在鉆進過程中始終保持同一井徑，避免下入多層套管造成的井徑損失，從而實現更大的鉆深和完井井眼尺寸。2002-07，自億萬奇公司在美國得克薩斯州南部完成了1口先導性單一井徑試驗井以來，貝克石油工具、億萬奇、威德福等公司推出了各自的基于膨脹套管實現單一井徑系統，并進行了現場試驗研究。雖然從原理上分析，膨脹波紋管技術更有利于裸眼井段的封隔，但國內外仍未有基于膨脹波紋管技術實現單一井徑鉆井系統的相關報道。

1　膨脹波紋管技術

自1975年Tatneft研究院最早研究膨脹波紋管技術以來，國內外膨脹波紋管技術取得了快速的發展，應用范圍也越來越廣泛，形成了裸眼井復雜層段封隔、裸眼井尾管懸掛、套管修補3種應用技術［1］。裸眼井復雜層段封隔技術主要用于漏層、水層等復雜地層的封隔，減少井身結構的錐度，保持井眼穩定；裸眼井尾管懸掛技術主要用于側鉆和加深井鉆井作業；套管修補技術主要用于修補大段損壞套管和封堵廢棄射孔段，尤其對于修補大段的己腐蝕套管特別有利。目前，膨脹波紋管技術廣泛用于封隔漏失地層、高壓水層、易垮塌地層及補貼套管等多個方面，可以快速、高效地解決石油鉆井、開采等過程中遇到的復雜情況。

2　單一井徑技術

單一井徑技術不但可隨時處理井下復雜情況，順利鉆達目的層，也可大幅度降低鉆井液、水泥、套管等的用量，節約鉆井成本，還可用于延長水平位移、增加單井產量、提升開發效益等方面。國外公司推出3種基于膨脹套管的單一井徑技術（其結構特征如圖1所示），分別是貝克休斯公司的linE X X、威德福公司的M etalSkin、億萬奇公司的M onoDia meter，這3種系統仍處于現場試驗階段，還未實現商業化應用［2］。

膨脹套管單一井徑系統通過大尺寸套管鞋或過度膨脹段將膨脹套管固定在上層套管中實現全井段封隔。貝克休斯linE X X系統帶有一種安裝在上層套管柱上的凹形套管鞋，膨脹管下入并定位于凹形鞋處后，啟動自上至下的液壓膨脹裝置，使膨脹尾管坐于套管鞋內，實現膨脹后內徑無損失［3］。威德福M etalSkin系統是將1個大尺寸套管鞋與上部套管一并下入井中，尾管延伸系統下入后膨脹坐掛于大尺寸套管鞋內部。億萬奇M onoDia meter系統包括原套管底部過度膨脹段、膨脹套管管柱及其底部進行過度膨脹產生1個喇叭口狀重疊區，重疊區用于回接下層膨脹套管，保證井眼內徑零損失［4］。

圖1　膨脹套管單一井徑系統

現場應用中要求膨脹管膨脹后的強度越大越好，但強度過高會導致膨脹過程困難，而且膨脹過程也會極大減少膨脹管的強度，無法完全達到套管要求的強度。因此，無論是膨脹套管還是膨脹波紋管只能作為臨時套管使用，鉆至目的層后，需下入生產套管。基于目前技術情況，本文提出膨脹波紋管單一井徑系統（如圖2所示），膨脹波紋管只封隔不穩定地層，穩定性高的地層不進行封隔。

圖2　膨脹波紋管單一井徑系統

3　膨脹波紋管實現單一井徑技術

利用膨脹波紋管實現單一井徑技術，意味著膨脹波紋管的強度、密封性及抗腐蝕等性能要滿足不同復雜情況下的應用要求，管串的強度需要提高。膨脹波紋管單一井徑系統需要快速處理不穩定地層，膨脹波紋管的下入長度可能幾百米甚至上千米。目前施工程序如圖3所示，施工周期較長，要提高現場施工效率，節省時間和成本，需對管串連接方式、配套工具及施工工藝等方面進行改進。

圖3　膨脹波紋管完整施工程序

3．1 管串強度

膨脹波紋管的膨脹過程涉及到復雜的金屬變形機理以及金屬力學問題，管串各部件都應具有足夠的強度、良好的塑性、良好的沖擊韌性和抗腐蝕、磨損及環境斷裂的性能，單一井徑技術對膨脹波紋管材料的選擇和成型方法都提出更高的要求。

3．1．1 管材的選擇

膨脹波紋管管材應至少滿足以下3點要求：

1） 屈強比低，具有高均勻塑性變形能力。

2） 較高的形變硬化指數，具備均勻變形而不破壞的能力。

3） 較低的屈服強度，易于加工成型。

根據膨脹波紋管加工及使用要求，可供選擇的膨脹波紋管材料從化學成分上來分主要有低碳鋼、低合金高強度鋼或微合金鋼等；從用途上來分主要有結構鋼管、鍋爐鋼管、管線鋼管等。要提高現有膨脹波紋管的強度，不僅要從現有的管材中進行優選，也需要研發相應的管材。例如：鐵素體-（馬氏體或貝氏體）雙相鋼，以硅、錳為主要合金元素，起到固溶強化作用；采取低碳設計保證良好的焊接性能和高的塑性，但隨著碳含量的降低，鋼的強度降低，淬透性變差。因此，適當地添加其他合金元素，如Cr、M o等可提高強度和淬透性。

3．1．2 成型方法

目前，膨脹波紋管是無縫鋼管經過擴孔后利用模具冷壓成型，這種成型方法存在2個問題。

1） 擴孔會造成管材性能下降，導致壁厚不均勻，局部存在殘余應力。

2） 冷壓成型會造成每根波紋管間的形狀吻合度不高，應力分布不均勻，增加了膨脹后的不圓度。

單一井徑技術要求成型后膨脹波紋管壁厚均勻、殘余應力少、斷面形狀規則，從而提高管串的整體性能，減少焊口形狀不對稱造成的焊縫強度損失。為此，可以通過直縫管成型波紋管提高壁厚均勻性，高溫熱處理＋振動時效的工藝消除殘余應力，端頭整形的方法提高波紋管斷面間形狀的一致性。端頭整形原理如圖4所示，通過加熱器對波紋管端頭進行加熱后，移到外模內，將上內模和下內模裝入波紋管內，利用油缸推動鍥形推塊向內移動，擠壓上、下內模對波紋管的端頭形狀進行修整。整形完成后，鍥形推塊向外移動，從而取出上、下內模。該端頭整形方法可在不減少波紋管強度的條件下，有效提高斷面形狀的一致性，避免了整形過程中波紋管冷卻導致內模無法取出的問題。

圖4　端頭整形原理

3．2 管串連接方式

對于膨脹波紋管的異型斷面形狀，國內外大都采用手工焊接的方式連接波紋管管串。手工焊接的效率較低，焊接質量易受外在環境和人為因素的影響。膨脹波紋管單一井徑系統需要提高管串的連接效率和質量。自動焊接可以大幅提高焊接效率，排除了人為影響因素，保證焊縫質量。螺紋連接仍是現場最便捷的連接方式，研究新型可膨脹螺紋和螺紋段徑向膨脹工具，可使膨脹波紋管在現場使用螺紋連接成為可能。

3．2．1 三維自動焊接

波紋管自動焊接技術要克服波紋管斷面曲率變化大、波谷半徑小等難題，很小的焊接執行機構上應具有“8”字形斷面焊縫軌跡適應能力、快速響應速度及較大承載能力［5］。焊接過程中焊槍要始終垂直于工件表面，焊槍與坡口間的距離保持一致。因此，要嚴格控制焊接機構的運動軌跡和運動速度，不斷調整焊槍的位置和姿態，滿足不同曲率弧面上的焊接要求。

三維自動焊接裝置如圖5所示，包括焊接小車、焊接軌道、平移機構、高低調整機構等，可將每道焊縫的焊接時間由2～3 h縮短至15～20 min。

圖5　三維自動焊接示意

3．2．2 螺紋連接

膨脹波紋管如果采用螺紋連接，每根波紋管的兩端都要由“8”字型過渡到圓形，在圓形端面加工螺紋。采用螺紋連接還需解決2個方面的問題。

1） 連接螺紋段要具有良好的延展性，可膨脹至與波紋管本體相同的內徑，而且在膨脹過程中要始終保持螺紋的力學性能和密封性，保證抗壓強度和抗拉強度滿足安全要求［6］。

2） 波紋管通過液壓恢復至圓管的過程中，連接螺紋段難以在液壓作用下膨脹至所需尺寸時，需要配套相應的機械膨脹工具，對螺紋段進行機械膨脹。

3．3 膨脹施工工藝的簡化

由膨脹波紋管施工程序（如圖3）可以看出：井眼準備和膨脹作業過程中，需要多次起下鉆更換鉆具組合，這在深井、超深井將占用大量的時間。要實現單一井徑技術，需要簡化施工程序，減少起下鉆的次數，節省鉆井時間和成本，為此提出簡化井眼準備和機械膨脹的方案。

3．3．1 井眼準備

膨脹波紋管通過膨脹后管體與井壁間的摩擦力固定在井壁上。因此，井徑是膨脹波紋管現場應用的重要參數之一，井斜變化率、方位變化率等參數也對膨脹效果也有直接影響，井眼準備情況直接影響膨脹波紋管應用的成敗。通過隨鉆測井和隨鉆擴孔技術配合，可在鉆進過程中完成井眼準備，減少等待時間，提高擴孔精度和施工效率。

1） 隨鉆測井。在鉆進過程中實時測量和傳輸井徑、井斜角、方位角等參數，可以及時掌握井眼情況并有效調整鉆進參數，使其盡量滿足膨脹波紋管技術對井眼的要求。隨著半導體技術和集成電路的高速發展，隨鉆測量微系統也可應用于膨脹波紋管單一井徑系統中。微系統隨鉆井液從鉆具內進入環空，并返回地面，在這一過程中連續采集相關參數，從而指導波紋管的施工作業［7］。

2） 隨鉆擴孔。對漏失、垮塌或縮徑等復雜地層進行鉆后擴眼作業，需要承擔二次作業風險，隨鉆擴眼作業有利于減少擴孔作業風險，節省作業時間。目前，適用于膨脹波紋管單一井徑系統的隨鉆擴眼技術主要有2種：①正常鉆進時擴眼工具不工作，需要擴眼時根據隨鉆測井的數據，控制擴眼工具擴張至所需尺寸，將井徑小的井段擴至波紋管應用要求的井眼尺寸。如圖6所示的威德福Rip Tide擴眼器，擴眼工具隨管串一起下入，擴眼器處于關閉狀態。打開擴眼器時，從井口投放R FID標簽使控制部分接收到“開”的指令，切削齒翼沿斜面軸向向上爬行，徑向尺寸擴大，實現擴眼功能。擴眼結束后，再次投R FID電子標簽關閉擴眼器，使擴眼工具徑向尺寸與管柱尺寸一致［8］。②偏心隨鉆擴眼鉆頭依靠工具離心力實現擴眼，受井深、井眼尺寸、鉆井液性能的影響較小。圖7為國民油井公司的隨鉆擴孔鉆頭，由領眼段、預擴孔段和主擴孔段組成，通過領眼段和預擴孔段的雙重作用增強了鉆頭的穩定性，保證了擴孔效果［9］。

圖6　威德福Rip Tide擴眼器

圖7　國民油井公司隨鉆擴孔鉆頭

3．3．2 機械膨脹

機械膨脹的主要目的是對管串的上、下端頭進行磨銑和膨脹，提高波紋管管串的圓度，使管串通徑達到原井眼的尺寸。提出2種不同原理的可變徑脹管工具，可以替代現有的滾輪和球形脹管工具，實現單個工具完成全部機械膨脹。

1） 可變徑滾輪脹管器。

可變徑滾輪脹管器如圖8所示，通過限壓限位滑塊的中心孔面積小于上部過流面積而產生的壓力差，推動其向下滑動，限壓限位滑塊上的臺階使得滑動軸和滾輪軸向外運動，不同臺階對應著不同的外徑尺寸。完成機械膨脹后，將限壓限位滑塊上端面移到滑動軸之下，滾輪軸在小彈簧的作用下向管內移動，使脹管器的外徑收縮。

機械膨脹作業時，通過脹管器的旋轉進行自上而下的膨脹作業，完成1次膨脹作業后，將脹管器提出管串，控制鉆井液的排量實現1次變徑，直至波紋管管串的通徑逐漸增大到所需的尺寸，再將滾輪恢復至起始狀態。該膨脹工具可以減少單次膨脹作業時的受力，降低施工難度；采用滾輪滾動進行膨脹作業，減少摩擦作用；可以實現變徑后的鎖定和膨脹完成后的回縮功能，保證膨脹精度和工具的順利起下。

圖8　可變徑滾輪脹管器

2） 可變徑徑向脹管器。

可變徑徑向脹管器直接對波紋管管串施加均勻的徑向膨脹力，完成1段的膨脹后，恢復成原尺寸，進入下段未膨脹管串中繼續膨脹。徑向脹管器有利于采用螺紋連接方式時的膨脹，可保持螺紋的完整性，減少機械膨脹對螺紋密封的損壞。可變徑徑向脹管器需要反復實現膨脹單元的膨脹和回縮，可采用液壓推動活塞的方式或者控制井下電機實現。

4　結論

1） 等井徑膨脹波紋管技術是以膨脹波紋管技術為基礎，作為臨時套管在現場快速封隔漏失、易坍塌、易縮徑等復雜地層，鉆進過程中對于穩定性高的地層不進行封隔，完鉆后下入生產套管。隨著該等井徑技術的發展，能夠解決由于漸縮式井身結構導致完鉆井眼尺寸小、產油能力低等問題，節省套管、水泥的用量，大幅節約時間和成本。

2） 針對膨脹波紋管技術的現狀，應從增加膨脹波紋管技術管串的強度、縮短現場連接的時間、簡化施工工藝等方面進行改進，提高波紋管的適用性，縮短應用時間，滿足不同條件下的應用要求，使得膨脹波紋管實現單一井徑技術早日得到實現。

［1］ 陶興華，馬開華，吳波，等．膨脹波紋管技術現場試驗綜述及存在問題分析［J］．石油鉆探技術，2007，35（4）：63-66．

［2］ 唐明，吳柳根，寧學濤，等．等井徑膨脹套管技術發展現狀［J］．石油礦場機械，2009，38（12）：12-17．

［3］ Rob M ckee，Jerry Fritsch．Successful Field A ppraisal W ell M akes Single-Diameter W ellbore a Reality［G］．SP E 112755，2008．

［4］ Perry A Fischer．Single-Diameter Expandable Casing A pplications Continue to A dvance［J］．W orld Oil，2008 （7）：37-40．

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［6］ 齊國權，楊釗，上官豐收，等．可膨脹管技術研究進展與工程應用［J］．石油礦場機械，2012，41（12）：72-76．

［7］ 朱祖揚，李光泉，張衛，等．井筒微芯片示蹤器研制［J］．石油鉆探技術，2013，41（5）：111-114．

［8］ 范亞民，張永澤，欒蘇．國外擴張式隨鉆擴眼工具應用現狀及發展趨勢［J］．石油礦場機械，2011，40（12）：25-28．

［9］ 白彬珍，臧艷彬，周偉，等．深井小井眼定向隨鉆擴孔技術研究與應用［J］．石油鉆探技術，2013，41（4）：73-77．

Expandable Profile Liner M akes Single-Diameter W ellbore

LIU Peng1，2，XIA Bairu1，TAO Xinghua1，LIU Xiaodan1，HU Yanfeng1，TU Yulin1
（1.Sinopec Research Institute of Petroleu m Engineering，Beijing100101，China；2.College of Engineering and Technology，China Uniuersity of Geosciences，Beijing100083，China）

With the exploration and develop ment in deep formation，drilling technology is faced with a series of problems，including how to drill to designed depth，save rig time，reduce drilling cost and so on．Single-Dia meter wellbore provides a new approach to overco me these technical difficulties．Single-Dia meter wellbore，w hich retain the sa me hole size during the entire drilling，is based on expandable tubing technology．T he present situation of expandable profile liner and Single-Diameter wellbore technology are introduced and a new Single-Dia meter wellbore method depending on expandable profile liner technology is developed．T he unfavorable factor of restricting the develop ment of the Single-Diameter expandable profile liner technology analyzed to set out so me practical solutions．

expandable profile liner；single-dia meter wellbore；strength；connection m ode；sim plify process flow

T E931．2

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．018

1001-3482（2015）01-0074-05

2014-07-11

劉 鵬（1982-），男，山東煙臺人，工程師，博士研究生，主要從事膨脹波紋管技術和鉆井工具的研發工作，E-mail：liupeng023＠163．co m。