【简介：】3.2.1 实体膨胀管
实体膨胀管技术是通过机械的或液压的方式使膨胀锥受压或受拉从管柱中穿过，使膨胀管柱内径发生永久性膨胀的技术。大多数实体膨胀管技术应用在的管柱。膨胀
3.2.1 实体膨胀管
实体膨胀管技术是通过机械的或液压的方式使膨胀锥受压或受拉从管柱中穿过，使膨胀管柱内径发生永久性膨胀的技术。大多数实体膨胀管技术应用在的管柱。膨胀率一般为10%～30%。
（1）裸眼可膨胀尾管（OHL）系统
可膨胀裸眼尾管系统（图3.3）技术有3方面的作用：①深井钻井时需要多开，表层套管使用大直径套管成本太高，使用可膨胀裸眼尾管系统可以使表层套管使用较小直径的套管，从而降低套管成本；②随着井眼不断加深、套管的尺寸越来越小，如果采用膨胀管就能减小井眼的锥度，维持井径和套管内径，从而提高钻井效率；以达到钻更小、更深的井眼而使生产套管具有更大的直径，这将有利于提高油气产量；③可膨胀裸眼尾管使常规井身结构应用于探井，作为一种节省投资的应急措施，可膨胀管裸眼尾管膨胀后的直径大于用卡瓦固定的尾管直径，所以这将有利于把探井转变为有经济意义的生产井。
（2）套管井可膨胀尾管（CHL）系统
套管井可膨胀尾管有以下3方面的作用：①用于修补老井或套损井中的套管，这种用途对于修补长段的套管腐蚀、漏失以及进行侧钻和加深钻井施工有重要意义；②用来封堵常规方法（如挤水泥）封堵失败的射孔层段，还可以阻断完全没有必要的出水或产气，用来调剖，从而实施对现有生产井和注水井的控制；③也可以用作补贴套管，用来修补漏失套管或错断套管。将膨胀管作为内衬管，而套管的缩径很小，并能满足在衬管下面继续钻进。
（3）OHC可膨胀套管系统
OHC（Open-Hole Clad）可膨胀套管系统利用弹性物喷涂技术在膨胀管外面喷涂了一层特殊的弹性材料，利用弹性材料的弹性加强管体与井壁的密封，可进行层间封隔。用于裸眼井的膨胀套管系统由于喷涂了特殊的弹性材料，因此应用范围广。例如，能使水平井生产层段的地层保持稳定。在裸眼中，该系统可以跨过泥浆漏失严重的地层安装，防止漏失的发生。该系统由能满足被隔离裸眼井段长度的膨胀套管和一段预膨胀管组成，其中的预膨胀管为浮动装置和扩管锥提供了压力腔室。在膨胀套管的两端有锚定悬挂接头，附带的膨胀悬挂器可以沿膨胀套管的长度方向安装在任意位置，密封住目的裸眼井段。由于该系统仅仅覆盖住有问题的井段，无需密封全部裸眼井段，因此可以节约大量费用。
图3.3 OHL可膨胀套管系统
（4）可膨胀尾管悬挂器（ELH）
可膨胀管用作尾管悬挂器（图3.4），与卡瓦尾管悬挂器比较：①更简单、更经济，不是让整个尾管膨胀，而是仅膨胀尾管的一小部分，挤压胶圈来实现密封悬挂，形成尾管悬挂器；②可膨胀尾管悬挂器系统寿命长，维修费用减少；③可膨胀尾管悬挂器系统集卡瓦悬挂器与封隔器功能于一身，可在坐封过程中和整个工作期间防止环空漏失，节省用于水泥、尾管悬挂器、封隔器有关的费用，统计资料显示：卡瓦悬挂器由于坐封失效而出现漏失的概率高达45%～60%，但是可膨胀尾管悬挂器可有效地防止这种漏失；④在膨胀悬挂过程中，膨胀锥不但能起到膨胀悬挂器的进行悬挂的作用，还可以在对悬挂器的内表面的膨胀摩擦过程中起到磨光作用，悬挂坐封悬挂器不但开口大而且内表面光滑，有利于各种后续作业。
图3.4 膨胀管悬挂器与卡瓦尾管悬挂器
3.2.2 可膨胀割缝管（EST）
可膨胀割缝管（图3.5）是壳牌公司于20世纪90年代中期研制的一种用于复杂井段钻井与完井的一种新型专利产品。这种管材有一系列交错排列且相互重叠的轴向割缝，其管体比实体膨胀管易于膨胀。在完井作业中，膨胀割缝管采取从下向上膨胀的方式，在钻井作业中，则采取从上向下膨胀的方式。通常，膨胀割缝管径向膨胀率为50%，轴向缩短率不到l%。另外，割缝的形状，膨胀锥锥角和锥底直径的合理配置可以使可膨胀割缝管膨胀后的实际直径比膨胀锥自身大10%，并且可膨胀割缝管膨胀时所需的膨胀力相对较小。
图3.5 膨胀割缝管
常见的有可膨胀防砂管（ESS）、裸眼井衬管（ABL）、可膨胀完井衬管（ECL）。
（1）可膨胀防砂管（ESS）
可膨胀防砂筛管技术由于其操作简单，防砂可靠性高，已经在工业中得到较广泛的应用。小直径设计使可膨胀筛管能够在各种不同的裸眼井使用，甚至能够在高弯曲井和水平井中使用。可膨胀式割缝管主要包括3个部分：割缝中心管、中间过滤层和保护外套。在膨胀作业过程中，锥形膨胀工具被推入筛管，使可膨胀管膨胀，中心管和保护外套结合在一起紧贴井壁，从而达到要求的筛管外径，消除了筛管和井壁之间的环隙空间。
可膨胀防砂筛管的主要优点有：①能够提供较大的过流面积，降低筛管堵塞和腐蚀的几率；②操作简单；③比一般的防砂筛管具有更大的内径，改善了井中尤其是水平井中流体的流动状态，同时易于下入修井工具；④在裸眼井中，能够消除筛管和井壁之间的环隙空间，因此可稳定井壁，减少砂的移动，降低出砂几率。
（2）可膨胀裸眼井衬管（ABL）
在钻探更深的过压地层、枯竭地层或易塌易漏地层时，现在的技术是采用不同直径的钻头，并以不同直径的套管层层封固完成。所以，井越深，套管层次越多，井眼直径就越大；反之，如果直径一定，最终的井眼直径就越小，这就有可能钻不到目的层或者即使钻到目的层，但井眼太小，满足不了开采及后续修井、增产等作业。水泥固封可膨胀割缝衬管是一种可使井眼直径不变的金属-岩石膨胀技术，可以克服上述的一些问题。
（3）可膨胀完井衬管（ECL）
目前的可膨胀完井衬管技术已经可以部分取代常规的割缝管完井技术、射孔完井技术。该技术能够加固井壁，选择性分隔开采，降低井眼直径。具有如下优点：①提高油田产量；②在一些油田，大井眼可以提高过流面积，因此产量也就越高；③延长新老油井的开采期限；④通过向井眼中下入分隔器可进行选择性堵水；⑤适用范围广，井眼直径从之间都可使用可膨胀衬管完井。
可膨胀完井衬管尤其适用于侧钻井过程中水泥固井和射孔完井困难时采用。
3.2.3 可膨胀波纹管技术
可膨胀波纹管技术（图3.6）目前发展的较快，已经形成3种技术：
1）裸眼井复杂层段封隔技术。用于封堵漏层、水层、高压层等复杂地层的封堵，减少了井身结构的锥度，保持井眼稳定。
2）套管修补膨胀技术，套管补贴作业。尤其适合修补大段损坏套管，这一用途对于修补大段的已腐蚀套管以及进行侧钻和加深钻井作业特别有利。
3）裸眼井尾管技术，可以将橡胶密封和可膨胀波纹管组合成一体进行尾管膨胀密封作业。
可膨胀波纹管的施工工艺较可膨胀实体管简单，关键技术是管材的研制和管与管连接的焊接工艺。可膨胀实体管和可膨胀波纹管相比所需要的配套工具和附件较多，并且结构复杂，管材成本和施工成本很高。优点是膨胀后具有较高的机械强度，适应范围广。
图3.6 可膨胀波纹管
3.2.4 可膨胀防砂筛管（ESS）
Weatherford公司的子公司Petroline公司于1999年推出了可膨胀防砂筛管技术（图3.7）。在作业过程中，膨胀锥推入防砂筛管中，使膨胀防砂筛管膨胀，中心管和保护外套结合在一起膨胀，从而达到设计的井筒直径。在筛管的膨胀过程中，由三层隔膜组成的重叠式过滤层中间层发生径向滑移，另外两层则发生轴向滑移，直到防砂筛管达到理想的直径。
ESS包括3个主要部分：可膨胀割缝中心管、重叠式复合过滤层、可扩张式保护外管。
可膨胀防砂筛管的特点如下：①适用于各种井筒条件：可膨胀防砂筛管膨胀后，直径增加一倍，适用于各种情况的井筒，此外由于筛管的原有直径较小，在作业时能顺利下到指定的坐放位置；②提高井眼利用空间：通常情况下，利用可膨胀防砂筛管作业的井筒，作业后的井筒直径仅缩小25.4mm；③降低裸眼井和套管井的压降：可膨胀防砂筛管应用在裸眼井中可阻止砂粒运移，防止防砂筛管堵塞，避免井筒内压力上升；在套管井的应用中，由于可膨胀防砂筛管缩短了地层流体从地层向筛管的流动路程，可以降低压差；④降低生产成本：在有多个产层的油气藏开发中。采用可膨胀防砂筛管技术防砂，作业费用明显比传统的砾石充填作业费用少，因此可大幅度降低油井的生产成本。
图3.7 可膨胀式防砂管
3.2.5 等井径膨胀套管技术
最初，膨胀套管仅作为钻井问题的一种后续解决方法，例如套管补贴和侧钻井完井技术在油田应用已经成熟，但随着该技术的发展，现在已应用于井身结构设计和钻井方案中，在大斜度井、水平井、深井和热采井中广泛应用，并获得业内的广泛认可。等井径膨胀套管技术作为国际膨胀套管技术和井身结构的发展方向，可以实现无内径损失钻进，极大地推动钻井技术的发展。
经济分析表明，使用膨胀套管来减小上部井眼的尺寸可以提高机械钻速、节省井口设备、钻井液、循环时间、水泥、钻头和平台占用费。壳牌公司认为单一井径油井是油气工业的一大突破。它将降低44%的钻井液用量、42%的水泥用量、38%的套管用量和59%的钻屑生成量。在海上钻井和建井中可节省33%～48%的建井费用。
等井径膨胀套管技术是指在钻井过程中尽可能始终采用某一种钻头及钻具规格，在全井钻进过程中保持某一种井眼尺寸的钻井方法，这是在可膨胀裸眼尾管系统的基础上发展起来的，其技术基础是膨胀套管技术。该技术的发展使未来钻井可以达到更大的深度及完井井眼尺寸，尽可能缩短钻井周期并节约钻井成本。
（1）等井径膨胀套管系统分类
等井径膨胀套管系统包括等井径裸眼补贴系统（图3.8）和等井径裸眼尾管系统（图3.9）。
1）等井径裸眼补贴系统可用于封堵裸眼地层垮塌或漏失等复杂层段，其特点是：可以通过补贴段进行多段漏失层的补贴而保持同样的内通径；地层的封隔无需回接到上层技术套管内；对于漏失地层、高压地层及垮塌地层等具有非常有效的封堵效果，可以在不下入套管的情况下，降低钻穿复杂地层时的风险。
2）等井径裸眼尾管系统是等井径膨胀套管系统的发展方向，通过等井径裸眼尾管系统改变井身结构，从而获得全井下套管具有同一尺寸的长远目标。等井径裸眼尾管系统能避免钻井过程中扩大井身结构，可解决漏失地层、高压地层、薄层流失地层等复杂地层的钻井难题。要获得与先前相同尺寸的井眼，用同尺寸的钻头继续钻进，可以通过两种方式实现：一是采用特大尺寸套管鞋设计；二是膨胀套管和基础套管的重叠段发生过度膨胀。
（2）等井径膨胀套管系统技术优势
等井径技术是石油天然气领域的一个重大突破，该技术可以实现在不减小井眼内径的条件下安装多层同尺寸的钻井衬管管柱。采用该技术是实现全井采用同一尺寸套管的最佳技术途径，形成的井身结构与传统井身结构相比，其优势是：
1）有助于地面设备的标准化。在深海和深井钻井作业中，大量的时间花费在钻台上，如更换底部钻具组合、从钻台上甩钻杆和吊钻杆、防喷器组的尺寸受所设计的入井套管柱的限制等。采用等井径钻井技术可以将不同尺寸的地面设备标准化，可以使用一种尺寸的钻柱和钻头，缩小防喷器组的尺寸，从而大大降低一口井的钻井、完井费用。
2）有利于环保并减少总建井投资成本。因为不需要下入多层大尺寸套管，用小型钻机钻井即可，因而等井径系统能明显地降低环境影响，同时减少对材料的消耗。据报道，采用等井径钻井技术平均每口井可节省44%的钻井液用量，降低42%的套管质量，节约42%的固井水泥，节省59%的岩屑处理费用。
3）有利于海洋和陆地的作业安全。常规作业中，在设备处理过程经常会造成人身伤害，等井径钻井技术虽不能取消这些作业，但可明显减小处理设备的尺寸，获得更安全的工作环境。
4）有望显著拓展现有的钻探区域，大大提高油藏的采收率，促进油田的经济开发和其他技术的发展。等井径技术实现在中部及上部井段井径缩小，且能维持或增大完井尺寸，在现有基础设施下增加油井数量，并经济地开发更深的油藏，也可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。
等井径膨胀套管技术可以在不损失井眼内径的条件下以套管将地层与井筒隔离，达到封堵地层的目的，因而可以显著改善钻井过程中由于复杂地层压力体系因素所造成的井眼减小问题，特别适用于钻达要求的目标面临挑战的深水和深井作业。
图3.8 等井径裸眼补贴系统施工程序
图3.9 4种井身结构对比
（3）等井径膨胀管系统
目前，国外对等井径膨胀套管系统的研究主要为Enventure环球技术公司的等直径系统（Mono Diameter）、Weatherford公司的等径井眼系统（Mono Bore）以及Baker Oil Tools公司的Lin EXX等井径系统。1999年，Enventure公司率先提出等井径膨胀套管系统的理念；2002年，壳牌公司和Enventure公司在南得克萨斯州的1口气井中成功进行了等井径膨胀套管钻井的原理性试验；2004年，壳牌公司和Enventure公司完成了等井径系统现场综合试验，取得等井径建井程序的重大进展；2007年，Enventure公司完成了真正意义上的等井径技术现场应用。
1）Mono Diameter系统
Mono Diameter系统包括原套管底部过度膨胀段、膨胀套管管柱及其底部进行过度膨胀产生一个喇叭口状重叠区，重叠区用于回接下层膨胀套管，保证井眼内径零损失。目前，Enventure环球技术公司唯一可以实现等井径膨胀套管重叠区的设计及膨胀。
Mono Diameter等井径系统可以完全消除井眼锥度的影响，膨胀套管及其与之重叠的基础套管部分均发生膨胀形成一个连续内径。等井径膨胀套管的重叠段是获得更高膨胀率的决定性因素。例如，在Φ298.45mm标准套管内下入Φ244.475mm等井径膨胀套管，内径膨胀至Φ264.16mm（10.4in），要求基础套管膨胀率为17%，重叠段膨胀率为24%，均在材料允许的膨胀率范围之内，Φ244.475mm×Φ298.45mm膨胀套管可以作为一个可行的等井径尺寸。另外，Φ244.475mm的等井径膨胀套管可以连续膨胀至套管设计的长度。
Mono Diameter膨胀系统（图3.10）是建立在裸眼井膨胀管技术基础之上的，该技术所用的膨胀锥放置在1个已膨胀的锥形发射器中。由于膨胀锥放置在锥形发射器内，等井径系统需要两个不同尺寸的膨胀锥进行两次膨胀。Φ264.16mm（10.4in）膨胀锥可用于最初自下而上的膨胀，Φ278.13mm（10.95in）膨胀锥自上而下地运动，膨胀等井径膨胀套管的喇叭口状重叠区，重叠区采用膨胀悬挂器进行悬挂密封。目前已研发出新型可变径膨胀锥，从上而下只需进行1次膨胀就可以完成膨胀作业。
图3.10 Mono Diameter等井径尾管系统膨胀过程
等井径系统工具管柱（图3.11）包括套管锚、加力器、扩张器、Φ264.16mm及Φ278.13mm膨胀锥（或可变径膨胀锥）、封隔器工具和切削工具等6个工具。
图3.11 等井径膨胀套管系统的膨胀工具组合
2）Mono Bore系统
Mono Bore系统采用Weatherford公司的Metal Skin尾管/悬挂器系统，安装后尾管与上层套管之间Mono Bore等井径尾管系统不仅限于用原管串伴送特大尺寸管鞋，也可选用常规套管串伴送。等井径尾管系统能避免钻井过程中扩大井身结构，可以得到与先前尺寸相同的井眼，用同尺寸的钻头继续钻进（图3.12，图3.13）。
图3.12 Weatherford公司等井径膨胀尾管系统施工程序
尽管Weatherford公司已经多次完成常规Metal Skin裸眼膨胀管系统安装，但仍存在一定的内径损失。最新开发的Metal Skin Mono Bore膨胀管系统可作为应急措施应用于井身结构设计中，致力于开发Φ298.45mm×Φ339.725mm裸眼膨胀管系统并开展了现场试验，但与真正的商业应用还是相距甚远。迄今为止，Weatherford公司仍未进行等井径膨胀套管的现场安装。
图3.13 Mono Bore系统超大套管鞋
3）Lin EXX等径膨胀管系统
贝克石油工具公司最新研制成功的Lin EXX膨胀套管系统采用单行程下行扩管方法，在维持相同环空间隙的情况下来扩展膨胀套管，使作业者可以没有内径损失。该公司研发的特大尺寸套管鞋为喇叭口状结构，可以防止井眼内径的损失，作为应急预案措施，连接在上层套管底部下入井内。内管为玻璃纤维材料以防止水泥浆进入，而且很容易被磨掉。套管鞋的喇叭口状结构是为了使膨胀管回接至上层套管上。
用较大的井眼钻更深的探井。作为一种应急设计，该系统还隔离活化页岩、盐层和低破裂梯度地层。该系统在不降低井眼尺寸的条件下可以提供最优的和经济有效的套管结构。Lin EXX膨胀套管系统由RC9系列套管鞋、FORM lock悬挂器、Lin EXX膨胀管、FORM pac裸眼封隔器、RNX引鞋、Cat EXX膨胀系统6种基本组件组成。RC9系列套管鞋为一种安装在技术套管柱上的凹形特大尺寸套管鞋，使膨胀套管可以固定在上层套管底部，固井后使用随钻扩眼器或钻头钻掉套管鞋。FORM pac裸眼封隔器用于不固井的套管鞋，表面敷有弹性材料，膨胀后能使RNX引鞋上面的膨胀套管与裸眼井段形成密封。
图3.14 Lin EXX膨胀管系统RC9系列套管鞋
RNX引鞋安装在Lin EXX管柱的底部用以引导膨胀套管进入裸眼井段，膨胀后引鞋脱落并随Cat E2XX系统一起回收到井口，也可以将其留在Lin EXX管柱内待重新开钻时钻掉（图3.14，图3.15）。
图3.15 Lin EXX膨胀管系统膨胀施工程序
由于Mono Bore系统和Lin EXX系统均采用超大套管鞋设计，等井径膨胀套管内嵌在超大套管鞋内，不能实现多段等井径膨胀套管的嵌套式膨胀，只能实现一段等井径套管的膨胀，而Enventure公司的Mono Diameter系统可以实现喇叭口状重叠段的过渡膨胀，可以实现多段膨胀套管的等井径膨胀，进行连续的等井径膨胀作业。
