自張式膨脹管技術的研究與應用

龔恩德，鄧祖保，馬 敏，喻榮華

（安徽省地質礦產勘查局327 地質隊，安徽 合肥 230011）

0 引言

從近年施工的復雜巖層來看，水敏性地層多次封水泥固壁，在同徑狀態下透孔時易被掃掉，固壁效果較差，鉆孔裸露時間較長，最后造成坍塌，無法繼續鉆進。鉆孔護壁、固壁最有效的辦法是下套管，但在深部復雜地層中，為了確保鉆孔能鉆進到預定深度，在進行套管層次和鉆孔結構設計時，多采用多級鉆孔結構并預留足夠多的套管層次，造成鉆進成本急劇增加；如采用下飛管措施，一方面較難控制，另一方面必須改變鉆孔結構。

自1998 年以來，美國的威德福公司開發出膨脹管技術并成功用于石油鉆井中，在2003 年前后進入我國石油部門試驗使用，發展成為一種能夠有效解決油氣井鉆探和巖心鉆探中地層復雜情況的新興技術，但受套管直徑制約，該技術多應用于油氣井勘探、井管修復等領域，難以應用到小口徑巖心鉆探中。

針對強水敏、易坍塌的復雜地層，采用一種能夠適用于小口徑巖心鉆探的孔內膨脹管技術，不改變鉆孔結構，下入孔內套管操作簡單可靠，不僅節約泥漿等處理費用，也可以大大提高鉆進效率，是一種有效的處理此類地層的手段。

1 自張式膨脹管護壁原理與工藝流程

1.1 護壁原理

自張式膨脹管護壁技術是指采用具有彈性的鋼管作為膨脹管，借助膨脹管投入器（內置膨脹管）退出機構將膨脹管定位于擴孔的復雜地層孔段并解除外管約束，膨脹管依靠自身彈性張開實現鉆孔護壁［1-4］。自張式膨脹管護壁主要分為擴孔與膨脹管下入兩個工藝流程，第一是在鉆孔中需要設置膨脹管的孔段進行擴孔；第二是用鉆桿將特制的膨脹管投入器（內置外徑不大于投送器內徑的膨脹管）下入到預定孔段，利用鉆桿內循環沖洗液壓力退出膨脹管投入器，內置膨脹管在預定孔段張開［5-7］。

1.2 擴孔與投送工具

1.2.1 擴孔工具

如圖1 所示，擴孔鉆具主要是利用鉆柱內高壓沖洗液為動力，推動活塞下行，活塞推動刀片伸出，然后回轉進行擴孔。核心構件為缸套、柱塞、擴孔片，缸套為空心圓筒狀，上部容納柱塞的最粗部位，下部容納復位彈簧。上部內徑為標準圓，中下部內徑在標準圓的兩側各加一條方形內瀉水槽，以便正常擴孔時沖洗液能順利流通；柱塞是由多個圓柱體和圓錐體組合的長圓柱狀體。上部直徑最大，以便接受沖洗液的壓力。下部各個小直徑圓柱體和圓錐體是為了將擴孔片推出［8-9］。擴孔片為方柱狀體。在與巖石接觸處，鑲焊有金剛石復合片。此外為了保證核心部件能夠順利工作，配有壓縮彈簧，保證水泵卸壓后柱塞能夠復位以方便擴孔片收回而將鉆具提出孔外。

圖1 擴孔鉆具結構與工作原理Fig.1 Structure and working principle of reaming drill tool

1.2.2 膨脹管

膨脹管材料為優質碳素結構鋼，管徑根據膨脹后的外徑確定。如圖2 所示沿軸向將其切割成一條上下貫通的切割縫，然后卷制成外徑≯70 mm 的膨脹管并放入外徑76 mm 膨脹管投送器外管中。膨脹管投入器下入到預定孔深，利用沖洗液壓力（設計5～6 MPa）將投送器外管退出，膨脹管在解除外管約束后利用其本身的彈性自動張開并基本恢復至原坯管徑，停泵后，膨脹管投送器提出孔外。如遇不連續復雜地層孔段或是孔段較長，可重復多次下入該膨脹管［10］。

圖2 膨脹管材Fig.2 Expansion tube material

1.2.3 膨脹管投送器

膨脹管投送器結構組成如圖3 所示。核心構件為活塞、滑桿、外管和外管接頭?；钊麨榭招膱A筒狀，內部設置了壓縮彈簧、通水球閥座，下鉆時可通水；活塞在球閥座位置設有水平方向通水孔，是沖洗液進入外部密封空間的通道；活塞上部為絲扣，安裝時與滑桿接頭連接，活塞下部設置密封圈座便于安裝密封圈?；瑮U是一根外表光滑的空心圓桿，兩端是絲扣，下端連接滑桿接頭，上端連接卸水閥接頭體。外管是一根內外光滑的空心圓管，內部容納用特殊方法壓入的自張式膨脹性套管，兩端是絲扣，上端連接外管接頭，下端連接防墜器防止自張式膨脹性套管在下鉆時墜落。為了避免提鉆時出現拔活塞現象，在滑桿上部加裝有卸水接頭，提鉆時由孔口投入鋼球閥，由于鉆桿內的水柱下壓球閥，球閥下行壓縮球閥座和彈簧，鉆桿內的沖洗液通過泄水孔排出。

圖3 自張式膨脹管投入器的3 種狀態Fig.3 Three states of the self-expanding tube injector

當裝有膨脹性套管的投入器準確下到擴孔部位時，利用沖洗液的能量推動約束膨脹性套管的外管上行，解除約束的膨脹性套管在其自身張力作用下自然彈開而固定在對應的擴孔段?？衫帽脡鹤兓瘉砼袛嗯蛎浶蕴坠苁欠駨棾?，當投入器外管正常退出時，壓力從大到小逐漸變化（克服膨脹性套管與外管的摩擦阻力和鉆孔深度的背壓）。如果膨脹性套管沒有彈出，則水泵處于憋泵狀態。提鉆時利用卸荷閥卸去鉆桿內部水柱的背壓，防止出現提鉆拔活塞現象［11］。

1.3 工藝流程

（1）擴孔：利用泥漿泵輸送的高壓沖洗液的壓力將擴孔刀片推出并借助鉆具回轉作用進行擴孔。擴孔結束后，沖洗液停止循環，擴孔刀片在彈簧回彈和孔壁擠壓作用下縮回?？山柚诒脡鹤兓瘉砼卸〝U孔刀片是否伸出，若擴孔刀片無法伸出，則擴孔鉆具內沖洗液將無法排出，導致泥漿泵憋壓；若擴孔刀片順利伸出，則泵壓表將顯示在一個大致穩定的數值范圍（設計在1 MPa 左右）。擴孔刀片主材為金剛石復合片，主要考慮在5 級以下軟巖層擴孔，可將孔徑76 mm 擴至92 mm。

（2）投入器安裝：首先，用特殊方法將自張式膨脹性套管壓入外管內，在外管下部連接防墜器。其次，在活塞下部裝入Y 型密封圈和上下密封圈座，在活塞上部裝入壓縮彈簧和球閥座，并連接滑桿接頭。然后，將滑桿從外管接頭中心穿過，滑桿下端與外管接頭連接如圖4 所示，上端與卸荷閥接頭連接。再將裝好密封圈和滑桿的活塞組件從外管的上端輕輕錘擊裝入外管，用自由鉗上緊外管與外管接頭。最后，在卸荷閥接頭體內裝入壓縮彈簧和卸荷閥座等。鉆具組裝完畢，量好尺寸就可以下孔。

圖4 滑桿與外管接頭Fig.4 Sliding bar and outer pipe joint

（3）脹管：將鉆具下到預定孔深時，接主動鉆桿之前將?20 mm 鋼球閥投到鉆桿內，然后連接主動鉆桿并下到欲脹管的精確位置鎖定。開泵觀察泵壓表變化，泵壓從小到大，此時泵壓稍降又上升到最大，然后泵壓呈波浪狀下降到最小，此為投入器工作正常狀態。開泵若出現憋泵，中途無泵壓下降，則活塞卡死。不論投入器工作是否正常，開泵送水結束后都必須提鉆［12］。

（4）提鉆：將主動鉆桿提到孔口卸開，向鉆桿內投入?40 mm 卸水鋼球閥，掛上提引器打開夾持器并用大錘輕輕敲擊鉆桿，試提孔內鉆桿，如果提不動，再輕輕敲擊鉆桿并用自由鉗轉動鉆桿，一般情況下都可順利提起鉆桿。

（5）投入器的卸開檢查：在地面先用清水沖洗外表，然后用自由鉗將外管拆卸。如果內管沒有排出，也需要將外管拆卸，檢查活塞部位是否卡死。

2 自張式膨脹管膨脹理論分析計算

在材料力學上可以把鉆孔內膨脹管的橫截面看作曲梁受力彎曲問題進行分析：取膨脹管的橫截面并建立坐標（如圖5 所示），鉆孔內徑為r，自然狀態的膨脹管外徑為r+Δr，忽略軸心因管材的彈性變形而發生的軸心位置的變化及鉆孔中水壓的影響，則管材受彎曲作用時，其曲率變化為（1/r）-（1/r+Δr）。

圖5 材料受力狀態示意Fig.5 Schematic diagram of material stress state

因材料力學曲梁彎曲變形公式有：1/ρ=M/EJ（ρ為曲率半徑，1/ρ為曲梁彎曲變形后的曲率），所以在此有：（1/r）-（1/r+Δr）=M/EJ，運算后略去高階變量，有：

如圖5 所示，弧所對應的中心角φ，設p為膨脹管環上所承受的單位面積的壓力，M為外力作用在C 截面的彎矩。

則Mφ=ps·（s/2）·b=（p/2）·s2b=（pb/2）·［2rsin（φ/2）］2=2pbr2·sin2（φ/2）。

代入（1）式得：Mφ/EJ= Δr/r2=（12/Ebh3）·2pbr2·sin2（φ/2）。

故：EΔrh3=（24pr4）·sin2（φ/2）

變形后：

式中：p——鉆孔壁對膨脹管的壓力，Pa；s——弧長，m；r——鉆孔半徑，m；E——材料的彈性模量，GPa；J——材料的慣性矩，J=bh3/12，m4；b——管子長度，m；h——管子壁厚，m。

在式（2）中，當φ=π 時，則可以推出：

根據公式：σ=My/J，W=J/y，推出作用在C 截面的最大彎曲應力為：σmax=Mmax/W。

所以有：

式中：y——所選截面的縱坐標軸，m；W——材料的抗彎截面模量，W=bh2/6，m3；b——管子長度，m；h——管子壁厚，m。

結合式（3）、（4）試算結果，?。?/p>

代入式（3）得：

代入式（4）得：

通過理論計算說明：p較小，是個與sin2（φ/2）成反比變化的量，管材在鉆孔中膨脹后給孔壁的壓力較小且隨角度變化。由外部約束引起的σmax較大，且是個與sin2（φ/2）成正比變化的量，最大值接近強度極限σb（Q235 通常取480 MPa），這和宏觀分析與金相檢驗結果一致：管材的內力介于彈性極限和強度極限之間即只能靠塑性變形來保持狀態［13］。

理論分析是為了更好的接近和指導實踐及材料的選型，

從以上推導可以得出：

即外部約束和材料的幾何尺寸Δr（半徑的前后變形量）、h（所選管材的壁厚）、r（鉆孔半徑）等因素對p、σ的影響較大（材料的力學性能是在外力作用下產生的）。而φ對p、σ影響與材料的選擇沒有關系，它僅表達的是內力與所選擇坐標的客觀狀況。如果僅用一個力（最大力或平均力）來表述膨脹管在鉆孔中的狀態都不如用上述兩個表達式更真實［14-15］。

綜上，如能選擇彈性極限σs遠大于Q235 的彈簧鋼材料制造管材，其效果會遠高于目前的狀態，但其加工或采購的難度都較大。膨脹管制作中，選用材質為Q235 的?100 mm 直縫焊管，壁厚0.7 mm，將管材沿軸向剖開并按?90 mm 的外徑裁去多余部分。

3 室內試驗及野外生產應用

3.1 室內膨脹管試驗

室內膨脹試驗采用直徑較大的、壁厚為0.7 mm的優質薄壁鋼管，將其沿軸向切割一條貫通縫，通過卷管機械將其卷成直徑70 mm 的周向部分套疊管子，并將該管壓入專用膨脹管投送器的外管內進行水壓試驗（見圖6）。試驗采用BW-150 型泥漿泵，按一擋泵量32 L/min、最大泵壓為6 MPa 進行流量和壓力控制，約需2～3 min 完成。經反復試驗和驗證，膨脹管均能彈開至原直徑（即?89 mm），基本符合設計要求。

圖6 膨脹管的制作與安裝Fig.6 Manufacture and installation of expansion casing

試驗過程中，兩次遇到泵壓升高至8 MPa 膨脹管未能退出投入器外管的狀況，經事后檢查，確定是由于在卷制膨脹管過程中，未將管口倒角，造成膨脹管管端頂入水壓接頭部位而與外管卡死［16-18］（見圖7）。

圖7 膨脹管管端出現的問題Fig.7 Problems at the end of expansion pipe

3.2 野外試驗應用

3.2.1 鐘山何家大嶺礦區試驗應用

鐘山何家大嶺鐵礦SZK901 孔，該鉆孔開孔孔徑110 mm，下入5 m 孔口管，用?91 mm 口徑鉆進至35 m，下入?89 mm 套管，換?77 mm 金剛石繩索取心鉆具進行鉆進。鉆進至孔深80～85 m 時揭露有凝灰質泥巖（見圖8），該層巖石松散，遇水極易坍塌，是強水敏地層?？紤]到該段巖層易坍塌、掉塊，且水泥封堵固壁的效果不理想，所以選擇在該孔段進行膨脹管護壁操作試驗。

圖8 SZK901 孔凝灰質泥巖段的巖心Fig.8 Cores of the SZK901 hole tuffaceous mudstone

首先，下入擴孔鉆具將80.89～84.89 m 孔段擴孔至?91 mm，掃孔，卸開主動鉆桿回水卸壓，使擴孔刀具收回，提鉆。然后，用鉆桿下入膨脹管投入器（內置膨脹管），下入底端位置為84.29 m，開泵彈出膨脹管固定在擴孔段，最大泵壓為5.5 MPa，開泵時間2 min。最后，下入該孔段取心鉆進鉆具組合，鉆頭直徑為76.8 mm，擴孔器直徑為77.3 mm，下鉆至92 m 孔深，未遇到任何障礙，提鉆。

下入膨脹管后開始鉆進作業，泵壓從原先的4～5 MP 降至3～4 MP，直到鉆進結束，該孔未出現任何異常問題，終孔孔深為438.64 m，本次試驗達到了預期的效果。

3.2.2 小包莊礦區試驗應用

小包莊礦區位于安徽省廬江縣羅河鎮羅河鐵礦區外圍的廬江、樅陽交界處，通過普查鉆探揭露，礦區地層特別復雜。該礦區地層主要為粗安巖、角礫巖、凝灰巖和凝灰質粉砂巖等火山巖，這幾類巖石都存在強蝕變，特別是凝灰巖，屬于強水敏（遇水膨脹）巖層，鉆進過程中極易出現垮塌、掉塊現象，施工稍不注意，就會產生糊鉆、燒鉆、埋鉆和卡鉆等事故。

小包莊礦區SZK801 孔，設計孔深為1200 m。鉆進施工中在392.3～396.8 m 處發現易膨脹、坍塌的凝灰巖，確定在392.5～396.5 m 孔段先進行擴孔然后下入膨脹性套管。擴孔前先進行換漿，以免泥沙將擴孔鉆具內活塞卡死無法活動，下入擴孔鉆具到預定位置后，開泵進行擴孔作業，泵壓約為6.0 MPa，擴孔鉆進時間約110 min，擴孔長度為4 m。提鉆然后下入膨脹管投入器（內置膨脹管），下入底端位置為396.2 m，開泵彈出膨脹管，最大泵壓約為5.5 MPa，開泵時間約2 min。為了保證膨脹管固結，下入膨脹管后在該孔段采用水泥封固，一天后進行透孔，隨后進行鉆進作業，順利鉆進至1210.15 m結束。

小包莊礦區SZK402 孔，該孔設計孔深為1000 m。鉆孔在415～422 m 處遇易膨脹、坍塌的凝灰巖。擴孔孔段為415～422 m，下擴孔鉆具至415 m 開泵進行擴孔，泵壓為3～4.5 MPa，擴孔時間為110 min。分兩次下入膨脹管機具，第一次下入至412 m 時遇阻，上下活動鉆具后通過，下入底端位置為418.2 m，開泵彈出膨脹管至對應擴孔段，最大泵壓約為6.0 MPa，開泵時間約3 min。第二次下入膨脹管機具至底端位置421.8 m，開泵彈出膨脹管至對應擴孔段，開泵最大泵壓約為5.5 MPa，開泵時間約3 min。為了保證兩根膨脹管之間的搭接，下入炮彈鉆頭至膨脹管部位，緩慢回轉至422 m，未遇任何障礙，然后采用水泥封固，第三天下入正常鉆進用金剛石鉆具。鉆頭直徑為76.8 mm，擴孔器直徑為77.3 mm，順利下鉆至孔底鉆進，直至1061.21 m 終孔。

4 結論及建議

（1）自張式膨脹管護壁技術作為地質巖心鉆探領域鉆孔護壁的一種新技術新方法，施工操作簡單、可靠、易于定位，適用于多孔段水敏性、易坍塌地層的護壁，可為今后類似鉆探工程提供借鑒。

（2）通過試驗研究，膨脹管自張性能受制作管材的材質、尺寸、厚度等影響不能充分發揮，影響護壁效果，鋼材廠家應進一步做好管材的保障與供給。

（3）進一步加強深孔、超深孔應用研究，擴大使用范圍，為深部地質找礦提供關鍵技術支撐。