膨脹管技術研究現狀及發展趨勢*

馮 定 王高磊 侯學文 孫巧雷 周 蘭

(長江大學機械工程學院;湖北省油氣鉆完井工具工程技術研究中心)

0 引 言

隨著油田開發普遍進入中后期，石油勘探開發逐漸向深水、超深水以及復雜地層邁進，鉆井遇到油氣水層、鹽膏層、漏失層、坍塌層以及高溫高壓地層的情況變多[1]，深井、超深井、定向井、水平井和大位移井鉆井需求增加，井身結構越來越復雜[2-5]，使油田對膨脹管技術的應用需求逐漸增加。目前，國外的膨脹管技術較為成熟，在結構設計、加工制造工藝、材料以及性能等方面都較為先進[4]，主要的生產公司有斯倫貝謝Saltel公司、Weatherford國際公司、Enventure公司以及哈里伯頓公司等[6]。國內已經研制出膨脹套管、膨脹篩管、膨脹懸掛器和等直徑膨脹管等膨脹管鉆完井工具及配套技術。相比國外，國內在膨脹管材料、篩管防砂性能、懸掛器懸掛和密封能力研究等方面還存在一定差距。筆者重點介紹了斯倫貝謝Saltel公司、Weatherford國際公司、Enventure公司、哈里伯頓公司以及國內一些公司的膨脹管產品和技術，并總結出發展趨勢和攻關方向，以期為國內膨脹管技術的研發提供參考和指導。

1 膨脹管工作原理

與常規依靠膨脹錐作業的膨脹管技術不同，目前國際上較為先進的膨脹管技術工藝獨特。膨脹管作業原理如圖1所示。井下膨脹工具位于膨脹管內部，封隔器部分充壓后緊貼膨脹管，將組件送入到井筒中的作業區后，通過來自地面的壓力脹大膨脹工具，以擴展膨脹管的頂部，并將其錨定在適當位置，然后釋放封隔器內的壓力，以0.91 m/s的速度下鉆，向下膨脹下一段。根據需要重復這一過程，直到全部完成膨脹作業，并將鉆具組合收回地面。

圖1 膨脹管作業原理圖

2 國外膨脹管技術

2.1 膨脹套管

在油氣開采過程中，套管磨損、腐蝕、穿孔及地層塑性變形等因素會導致套管失效，造成油氣井產量下降、產層污染。深井、熱采井等高溫井套管損壞和套管變形修井時，傳統的厚壁襯管補貼技術內通徑小、補貼長度有限，現有的橡膠密封膨脹管難以滿足高強度、耐高溫及長效密封等性能要求[7-9]。斯倫貝謝Saltel公司膨脹管能夠有效解決上述難題，相關產品主要有標準膨脹管、高溫膨脹管、“極端高溫”膨脹管以及針對特定環境定制的膨脹管，如圖2所示。

圖2 膨脹管及膨脹效果圖

標準膨脹管由321SS不銹鋼制成，密封材料為氫化丁腈(HNBR)材質的彈性體，承壓100 MPa，耐溫250 ℃，采用異型密封系統，能夠有效密封套管內橢圓度高達25%的井段、超限或不規則鉆孔井段。高溫膨脹管基于標準膨脹管設計，外徑范圍在177.16～339.73 mm之間，采用改進后的高溫彈性體進行密封，適用于承壓100 MPa，連續溫度高達200 ℃，短期耐高溫達250 ℃的熱井，用于修復損壞的油管或套管區域，關閉不需要的穿孔，密封泄漏的滑動套管等修井作業。斯倫貝謝Saltel公司“極端高溫”膨脹管專為CSS、SAG-D和地熱井設計，由優質不銹鋼制成，可抵御高溫和腐蝕條件，具有可膨脹密封設計，能夠有效地密封低溫和高溫下不同的媒介(如水、蒸汽和氮)，最高耐受溫度高達350 ℃，熱循環溫度高達335 ℃，用于修復特殊油層套管損毀。

斯倫貝謝Saltel公司膨脹管技術可以用于修補射孔段、補漏或隔離篩管、關閉ICD閥、修補套管損壞、斷裂、套管腐蝕，補貼井下工具泄漏，密封壓裂工具段。在裸眼井應用中隔離密封漏失層、未磨銑井段，無內徑損失。在實現油田增產或避免堵棄作業時，高膨脹比使其在膨脹后具有較大的通徑，安裝后不妨礙后續油井作業，能夠有效避免卡鉆問題。此外，通過實時控制器在操作期間驗證安裝膨脹管的內徑，可以及時發現并糾正作業異常。

2.2 膨脹防砂篩管

在產量高、生產壓差大、出砂嚴重的疏松砂巖油藏，常規篩管防砂效果差、精度低、有效期短，下入后流速降低，產量下降[10-11]。Weatherford公司的膨脹防砂篩管解決地層出砂問題效果顯著。如圖3所示，膨脹防砂篩管由開槽基管組成，重疊編織層連接在基管上，外層穿孔、膨脹護罩可保護過濾介質在作業過程中免受損壞，采用整體式開槽連接保證流量均衡。膨脹防砂篩管使用升降接頭與傳統的鉆機作業設備一起運行，采用特殊的微握工具進行連接，通過防旋轉鎖定螺釘鎖定到位，整體管柱的膨脹通過使用低壓ACETM軸向順應膨脹工具或錐形膨脹錐實現。膨脹防砂篩管主要有?101.6、?114.3和?139.7 mm共3種尺寸規格，對應膨脹前外徑分別為113.5、128.8和154.9 mm，膨脹后內徑范圍分別為112.0～126.2 mm、117.9～133.6 mm、170.2～191.3 mm?；?、篩網和外罩材料采用316L，連接件材料為25Cr，整體抗腐蝕性能得到大大提高。篩網有120、150、230和270 μm共4種孔徑，長度有3.0、6.0和11.5 m共3種類型。順應式膨脹消除了篩管/井筒環空，可以增強防砂完整性和井眼穩定性。膨脹后內徑較大，減小流動摩擦，從而優化生產，大流通面積和低的壓力降過濾介質提高了油井的生產率和進流性能。

圖3 膨脹防砂篩管

馬來西亞砂拉越州的一口具有防砂問題和短產油區的海上定向淺油井，井眼直徑為152.4～155.6 mm，水深35 m，作業區長度5～80 m。巖心樣品測試表明，該油田具有高均勻系數和細粒百分比的含砂地層，無法使用獨立篩管作業。Weatherford公司采用膨脹防砂篩管系統，順應裸眼擴張，與傳統的礫石充填系統相比，該系統有利于防止環形細粒分散和遷移。系統的安裝、設置和膨脹大約在10 h完成，遠短于傳統礫石充填的平均安裝時間，降低了人員和設備租賃成本。防砂篩管無需壓力泵送即可順應地擴展到井筒，從而降低安全和環保風險。該技術先后在54口淺水油井中一次性完成安裝，實現零防砂故障。

2.3 大口徑膨脹尾管懸掛器

在深層側鉆井中，井眼尺寸受限，采用常規技術開窗側鉆穿過易漏層和易坍塌層難以鉆達目的層[12-15]。對于套管錯斷無法進行套管貼補的井或需要大井段懸掛套管的井，采用常規尾管懸掛器進行懸掛，則不具備密封功能，且內徑較小，懸掛力不足。哈里伯頓公司VersaFlex大口徑系統(見圖4)專為深水和海底大通徑井而設計，以應對復雜的井況。該系統不需要在預定剖面上著陸，降低了在泥線/套管井口剖面中定位常見的復雜性，凝固時不需要尾管頂部水泥完整性來實現尾管頂部密封，結合了套管安裝的靈活性，消除了相關的尾管安裝問題，彈性密封技術和防漏設計有助于降低持續的套管壓力。

圖4 VersaFlex大口徑膨脹尾管懸掛器

該系統在固井過程中能夠旋轉和往復運動，具備區域隔離密封完整性，其高扭矩額定值允許在井下塌陷區域進行擴眼、從先前鉆出的井段中啟動壁架、鉆新的井段。當大型套管井有較高強度要求時，VersaFlex大口徑系統可以與金屬密封XtremeGrip尾管懸掛器技術配合使用。這種組合系統具有與VersaFlex大口徑系統相同的功能，能夠承受更大的懸掛載荷和高溫等的作用，從而實現360°金屬對金屬順應性密封，兼具雙向錨固能力，其尾管×套管應用尺寸范圍在355.60 mm×457.20 mm～473.08 mm×558.80 mm之間。在大多數情況下，VersaFlex大口徑系統能夠大大減少尾管重疊，同時由于不需要承壓回接管柱，與傳統系統相比，減少了設置尾管懸掛器所需的操作步驟，降低了作業成本。

2.4 等直徑鉆井膨脹管

當鉆井作業需要通過較深的高壓、易塌或易漏地層時，常規鉆井技術以不同直徑的套管層層封固完成，形成錐狀漏斗形井身結構，井眼直徑不斷縮小，給后續作業帶來不便[16-17]。膨脹管技術經過不斷的發展，解決了上述鉆井問題，具有施工工藝簡單、作業時間短、安全可靠性高、施工成本較低等諸多優點[18]。2020年Enventure全球技術公司?311.15 mm SameDrift?系統在中東首次成功商用安裝，通過在油井建設階段處理有問題的區域，延遲或消除修井來減少鉆井作業期間的非生產時間，在油井生命周期內最大限度地提高產量。

SameDrift是建立在Enventure公司ESET產品基礎上的一種等直徑鉆井尾管，可以旋轉和往復移動，添加額外的套管柱不會損失井眼尺寸，旋轉能力有助于襯管達到設置深度，可以鉆更深的井，能夠有效提高水泥作業質量，其行業標準脹后通徑與先前在油井中運行的套管柱相匹配，因此可以輕松地將其整合到油井的標準套管設計中。SameDrift有SameDrift Openhole Liner和SameDrift Openhole Clad這2種系統。SameDrift Openhole Liner系統在不損失內徑的情況下與套管相連，而SameDrift Openhole Clad系統在不與現有套管捆綁的情況下隔離油井中的故障區，并在先前套管下方提供相同的通徑。SameDrift目前有?165.1、?215.9和?311.2 mm共3種尺寸規格，SameDrift Openhole Liner系統有標準和高性能2種型號，脹后標稱管道外徑344.5 mm，標稱管道內徑315.2 mm，極限狗腿度為每30 m 5°，抗內擠強度42.3 MPa，抗外壓強度18.9 MPa，膨脹期間最小鉆機拉力668 kN，最小泵壓41.3 MPa，適用于?355.6 mm以下尺寸范圍。

2.5 膨脹管材料

膨脹管材料的塑性和強度要高，抗恢復能力要強，抗腐蝕能力要穩定，膨脹后要達到或優于普通套管同等水平的力學性能。研究開發易膨脹、高性能的膨脹管，使其具有高強度、高密封性能、抗CO2和H2S腐蝕、耐高溫等特點，提高膨脹管的綜合力學性能是膨脹管材料研究的難點，因此膨脹管材料至今仍是制約膨脹管技術應用的關鍵技術之一。

Weatherford公司的膨脹防砂篩管管體材料為316L，連接件材料為25Cr。316L是316SS的超低碳版本，316L的奧氏體結構即使在低溫下也能展現出出色的韌性，在高溫下具有高蠕變強度、斷裂應力和拉伸強度，以及較好的耐腐蝕性。25Cr(UNS S31260)是一種冷硬化雙相不銹鋼，在高氯化物含量的CO2和H2S環境中具有良好的耐腐蝕性。25Cr相對于22Cr，對CO2、氯化物、pH值和溫度具有更強的抵抗力，允許在具有高壓和高溫的深井中用作井下管狀部件、封隔器和其他地下設備，能夠有效解決高氯化物引起的點蝕問題。

斯倫貝謝Saltel公司膨脹管管體材料為321SS不銹鋼。321SS(UNS S32100)是一種鈦穩定的奧氏體不銹鋼，具有更強的抗晶間腐蝕能力，能適應815 ℃的高溫，雖然在退火狀態下的耐腐蝕性與304和304L相似，但他具有更高的蠕變和應力斷裂性能，使其成為壓力容器的理想材料選擇。321SS不銹鋼無磁性且耐熱，可在高溫下連續使用，延展性好，可以輕松成型，耐腐蝕性非常好，尤其是對稀有機酸，但321SS不適合氯化物溶液，易受點蝕和縫隙腐蝕的影響。其膨脹管密封材料為氫化丁腈(HNBR)材質的彈性體，氫化丁腈橡膠具有良好的耐油性能，并且由于高度飽和的結構，使其具有良好的耐熱性能(耐高溫性能達到130～180 ℃)，優良的耐化學腐蝕性能，較高的抗壓縮永久變形性能，同時氫化丁腈橡膠還具有高強度，高撕裂性能，耐磨性能優異等特點，且機械性能優良，廣泛用于油田和汽車等行業。

2.6 膨脹錐

作為膨脹管施工中的重要工具，膨脹錐結構和性能的優劣直接影響到施工后膨脹管的力學性能。目前，國外膨脹錐技術主要有機械式和液壓式2種，根據膨脹錐受力方式的不同機械式膨脹錐又可分為拉拔式和擠壓式。圖5為Weatherford公司機械式膨脹錐。該膨脹錐主要依靠液壓拉動活塞桿的拉力使膨脹錐向上移動，進而完成膨脹作業。其有主要作業面和次要作業面，主要作業面負責實現膨脹管的初次成形，次要作業面負責對脹后膨脹管進行整形，以確保膨脹管膨脹后能夠緊密貼合套管，同時減小殘余應力和應力集中。該膨脹錐結構簡單，膨脹作業時能夠提供足夠大的徑向膨脹力，但固定的錐體最大外徑使其難以順利通過井眼縮徑的不規則井段，可能導致膨脹作業無法順利進行。

圖5 Weatherford公司機械式膨脹錐

圖6為Enventure全球技術公司機械式膨脹錐。該膨脹錐投球后形成密閉腔室，流體經過膨脹錐側壁上的圓孔進入腔室后，產生液體壓力作用在膨脹錐底部，推動膨脹錐向上運動，從而實現膨脹作業。該膨脹錐除具有上述膨脹錐的特點外，由于膨脹作業對氣密性有嚴格要求，膨脹管上、下兩端各采用5圈彈性體進行密封；此外，在膨脹壓力作用下，對膨脹錐的材料性能要求較高。

圖6 Enventure全球技術公司機械式膨脹錐

圖7為斯倫貝謝Saltel公司液壓式膨脹工具，其作業原理如圖1所示。該技術采用特殊的膨脹封隔器與膨脹管配套使用，通過從上到下液壓膨脹封隔器來實現膨脹管與套管的緊密貼合，完全規避傳統膨脹管依靠機械錐從下往上脹開膨脹管工藝的風險和缺陷，極大地降低了膨脹管作業的環境限制。由于膨脹的最大外徑由泵送壓力決定，所以其膨脹直徑可根據實際井眼直徑進行調整。該技術具有高膨脹率、大內徑、高抗內壓強度等特點，能承受高溫、H2S和CO2等惡劣環境。

圖7 Saltel公司液壓式膨脹工具

2.7 膨脹管螺紋連接技術

膨脹管螺紋接頭不僅起到將套管連接起來的作用，而且在套管的安全使用壽命期內，螺紋連接處需在能夠承受拉伸、擠壓、彎曲以及扭轉等復雜載荷作用的情況下兼具良好的密封性能。螺紋嚙合不緊密會大大降低螺紋連接強度和密封承壓能力，腐蝕液浸入螺紋間隙會腐蝕嚙合面，嚴重影響工作性能，因此保證膨脹后螺紋連接的完整性是膨脹管膨脹成功的關鍵。膨脹管螺紋接頭作為膨脹成形過程的關鍵環節，膨脹后的性能是該技術發展的主要難點。目前，膨脹管螺紋接頭大多由偏梯形螺紋設計組成，可為螺紋連接提供較高的結構可靠性。圖8為Enventure全球技術公司分別在2015年和2020年對膨脹管螺紋連接的設計和改進[18-20]。在膨脹管螺紋接頭的早期開發過程中，通過研究及現場使用發現，膨脹過程中接頭外徑的損壞會影響密封完整性?，F階段膨脹管螺紋接頭采用內部O形圈密封，高性能厚壁膨脹管螺紋連接也使用外部O形圈密封，以在膨脹前、膨脹期間和膨脹后為其提供最大的壓力，確保密封完整性。

圖8 膨脹管螺紋連接示意圖

3 國內膨脹管技術

3.1 中國石油膨脹套管技術

2014年，塔河油田部分深層側鉆井存在地質避水、鉆井遇易漏和易坍塌地層的情況。由于油田采用常規小套管完井，井眼內徑無法滿足后續作業要求，所以需用膨脹管充當技術套管以封堵復雜地層，同時增加套管內徑，保證后續小井眼鉆進作業。塔河油田采用中國石油集團工程技術研究院有限公司機械所研發的側鉆水平井膨脹套管完井技術，在TH12115CH井進行現場施工，膨脹管作業長度為526.88 m，下入井深達6 065 m，最大井斜達到65.8°，入井深度、井斜和連續膨脹長度為當時國內紀錄。2020年，寧209H33-3井為西南油氣田部署在長寧頁巖氣區塊的水平開發井。該井漏失段長，井眼工況復雜，地層承壓能力不足，無法采用常規化學堵漏方式進行安全鉆進。該井采用中國石油集團工程技術研究院有限公司機械所研發的PZG194型高性能膨脹管裸眼封堵技術，成功實施756 m封堵作業，為我國單次膨脹管裸眼封堵最長施工紀錄，同時也是世界大管徑膨脹管裸眼封堵長度記錄。膨脹管封堵技術作為解決地層惡性漏失難題的有效手段，成為助力我國油氣勘探開發和提質增效的工程技術利器。

3.2 中國石化等井徑膨脹管鉆井技術

勝利油田鉆井工藝研究院先后在勝2-斜101井、草702-平6井、墾東641-斜27井進行?241.3 mm裸眼井段下入膨脹管和大通徑裸眼井段擴眼試驗，以驗證?241.3 mm等井徑膨脹管系統功能和螺紋膨脹可靠性。2020年，在前期試驗基礎上，經過系統結構優化設計、工具加工測試、組裝和室內膨脹試驗，進一步優化現場試驗方案，在河31-斜190井進行等井徑膨脹管膨脹試驗，將等井徑膨脹管系統下入?339.7 mm表層套管內，膨脹后作為臨時技術套管保證?241.3 mm鉆頭進行二開鉆進至完井作業。該次施工作業，將5個膨脹管短節(總長9.05 m，內徑199 mm的膨脹管)膨脹至?245.1 mm，完鉆井深2 751 m，膨脹后管體內壁完整、螺紋連接可靠，能夠承受鉆塞和二開鉆進雙重考驗。當深井鉆遇復雜地層時，等井徑膨脹管鉆井技術作為臨時技術套管進行機械封堵，在不改變鉆頭直徑和井身結構時仍能繼續鉆進，避免常規鉆井的錐形井身結構，有利于將井鉆得更深。

4 膨脹管技術發展趨勢

國內膨脹管技術基礎相對薄弱，配套工具的研發速度與國外產品研發速度相比有一定滯后。從調研的國外新型膨脹管產品情況可以看出，目前市場推出的新型膨脹管產品主要集中在等直徑膨脹管、大口徑高性能膨脹尾管懸掛器以及針對特殊環境的膨脹管定制服務上，他們的發展將主要集中在以下幾個方面：

(1)等直徑膨脹管對于鉆井技術發展的重大意義在于開鉆井眼小，完井可獲得較大直徑，甚至開鉆井眼與完井井眼具有相同直徑，是提高鉆井深度和優化井身結構的關鍵技術。采用膨脹管技術鉆井能夠鉆更深的直井和更長的大位移水平井，從根本上解決大尺寸井眼鉆速慢、鉆進難的問題。該技術國外已經處于初步商業應用階段，國內目前仍處于試驗階段，與國外相比還存在較大差距。

(2)大口徑高性能膨脹尾管懸掛器具有入井安全方便、環空過流面積大、密封能力強，能夠承受更大的懸掛載荷和高溫的作用，兼具雙向錨固能力，注水泥過程中可以活動套管提高水泥固井質量等諸多優點。與套管鉆井技術相結合，大口徑高性能膨脹尾管懸掛器可以獲得較大的井眼通徑，改善鉆井作業質量，大大降低建井成本，在現場應用中顯現出巨大的經濟效益和技術優勢。懸掛器作為膨脹管鉆完井裝備的主力產品，其大通徑和強密封的優勢，是尾管懸掛器的發展方向之一。

(3)標準膨脹管的設計符合大多數油田的作業條件，同時兼具成本效益，但油田施工作業有時會面臨各種挑戰，為適應苛刻的環境，如硫化氫、氯化物或其他化學物質的存在，目前國外Saltel公司和Enventure公司等多家公司憑借對各種密封材料和管道冶金的了解，可以通過研究特定油井狀況，調整產品的材料選擇，提出定制解決方案。由于支持產品幾何形狀定制，無論是較高的抗坍塌能力、較小的通徑限制、較高的膨脹比，還是非標準的膨脹管長度，在滿足特殊油田的作業需求時，都具有可靠和靈活的設計。

5 結束語

由于膨脹管技術包含膨脹套管、膨脹防砂篩管、膨脹尾管懸掛器及等直徑膨脹管，相關配套設備繁多，單憑一家單位研發膨脹管產品和配套設備很難在短時間內趕上與國外的技術差距，很大程度上造成了國內膨脹管技術的研發周期變長。國內膨脹管系統的研發需要專業的科研單位通力合作，在膨脹管管體和密封材料、膨脹錐結構和性能、膨脹管螺紋連接、膨脹尾管懸掛器密封及懸掛能力、膨脹篩管過濾性能研究等方面進行協調合作，整合國內各項優質資源，逐步優化并完善膨脹管技術的各個模塊，不斷增強其安全性和可靠性，早日實現產品規?；瘧?，創新研究出具有我國特色的膨脹管系統，真正實現產品自主化。