基于膨胀波纹管的单一井径钻井技术

刘 鹏，夏柏如，陶兴华，刘晓丹，胡彦峰，涂玉林

基于膨胀波纹管的单一井径钻井技术

刘 鹏1，2，夏柏如2，陶兴华1，刘晓丹1，胡彦峰1，涂玉林1

（1．中国石化石油工程技术研究院，北京100101；2．中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083）

随着勘探开发越来越多地进入深部地层，钻井技术面临着如何在保证井眼足够大的情况下钻至预定井深，减少钻井时间和成本等问题，而单一井径技术的发展为解决这些复杂情况提供了新的解决途径。单一井径技术是在膨胀管技术基础上发展起来的始终保持同一井径的新兴技术。介绍了膨胀波纹管技术和单一井径技术的现状，提出了一种膨胀波纹管实现单一井径技术，分析了制约膨胀波纹管技术实现单一井径的技术难题并提供了一些解决方案。

膨胀波纹管；单一井径；强度；连接方式；简化工艺

膨胀管技术是将管柱下到井内，以机械或液压的方法使管柱发生永久性塑性变形，实现封隔井下地层。国内外主要的膨胀管技术包括膨胀套管和膨胀波纹管。膨胀套管为圆形管柱，通过液压驱动膨胀工具将管柱内径扩大，利用水泥浆固结井壁和膨胀套管；膨胀波纹管为异型管柱，通过液压将其恢复至圆管后贴紧井壁，利用摩擦力使膨胀波纹管固定在井壁上作为临时套管。

单一井径技术是以膨胀管技术为基础的新技术，在钻进过程中始终保持同一井径，避免下入多层套管造成的井径损失，从而实现更大的钻深和完井井眼尺寸。2002-07，自亿万奇公司在美国得克萨斯州南部完成了1口先导性单一井径试验井以来，贝克石油工具、亿万奇、威德福等公司推出了各自的基于膨胀套管实现单一井径系统，并进行了现场试验研究。虽然从原理上分析，膨胀波纹管技术更有利于裸眼井段的封隔，但国内外仍未有基于膨胀波纹管技术实现单一井径钻井系统的相关报道。

1　膨胀波纹管技术

自1975年Tatneft研究院最早研究膨胀波纹管技术以来，国内外膨胀波纹管技术取得了快速的发展，应用范围也越来越广泛，形成了裸眼井复杂层段封隔、裸眼井尾管悬挂、套管修补3种应用技术［1］。裸眼井复杂层段封隔技术主要用于漏层、水层等复杂地层的封隔，减少井身结构的锥度，保持井眼稳定；裸眼井尾管悬挂技术主要用于侧钻和加深井钻井作业；套管修补技术主要用于修补大段损坏套管和封堵废弃射孔段，尤其对于修补大段的己腐蚀套管特别有利。目前，膨胀波纹管技术广泛用于封隔漏失地层、高压水层、易垮塌地层及补贴套管等多个方面，可以快速、高效地解决石油钻井、开采等过程中遇到的复杂情况。

2　单一井径技术

单一井径技术不但可随时处理井下复杂情况，顺利钻达目的层，也可大幅度降低钻井液、水泥、套管等的用量，节约钻井成本，还可用于延长水平位移、增加单井产量、提升开发效益等方面。国外公司推出3种基于膨胀套管的单一井径技术（其结构特征如图1所示），分别是贝克休斯公司的linE X X、威德福公司的M etalSkin、亿万奇公司的M onoDia meter，这3种系统仍处于现场试验阶段，还未实现商业化应用［2］。

膨胀套管单一井径系统通过大尺寸套管鞋或过度膨胀段将膨胀套管固定在上层套管中实现全井段封隔。贝克休斯linE X X系统带有一种安装在上层套管柱上的凹形套管鞋，膨胀管下入并定位于凹形鞋处后，启动自上至下的液压膨胀装置，使膨胀尾管坐于套管鞋内，实现膨胀后内径无损失［3］。威德福M etalSkin系统是将1个大尺寸套管鞋与上部套管一并下入井中，尾管延伸系统下入后膨胀坐挂于大尺寸套管鞋内部。亿万奇M onoDia meter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1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［4］。

图1　膨胀套管单一井径系统

现场应用中要求膨胀管膨胀后的强度越大越好，但强度过高会导致膨胀过程困难，而且膨胀过程也会极大减少膨胀管的强度，无法完全达到套管要求的强度。因此，无论是膨胀套管还是膨胀波纹管只能作为临时套管使用，钻至目的层后，需下入生产套管。基于目前技术情况，本文提出膨胀波纹管单一井径系统（如图2所示），膨胀波纹管只封隔不稳定地层，稳定性高的地层不进行封隔。

图2　膨胀波纹管单一井径系统

3　膨胀波纹管实现单一井径技术

利用膨胀波纹管实现单一井径技术，意味着膨胀波纹管的强度、密封性及抗腐蚀等性能要满足不同复杂情况下的应用要求，管串的强度需要提高。膨胀波纹管单一井径系统需要快速处理不稳定地层，膨胀波纹管的下入长度可能几百米甚至上千米。目前施工程序如图3所示，施工周期较长，要提高现场施工效率，节省时间和成本，需对管串连接方式、配套工具及施工工艺等方面进行改进。

图3　膨胀波纹管完整施工程序

3．1 管串强度

膨胀波纹管的膨胀过程涉及到复杂的金属变形机理以及金属力学问题，管串各部件都应具有足够的强度、良好的塑性、良好的冲击韧性和抗腐蚀、磨损及环境断裂的性能，单一井径技术对膨胀波纹管材料的选择和成型方法都提出更高的要求。

3．1．1 管材的选择

膨胀波纹管管材应至少满足以下3点要求：

1） 屈强比低，具有高均匀塑性变形能力。

2） 较高的形变硬化指数，具备均匀变形而不破坏的能力。

3） 较低的屈服强度，易于加工成型。

根据膨胀波纹管加工及使用要求，可供选择的膨胀波纹管材料从化学成分上来分主要有低碳钢、低合金高强度钢或微合金钢等；从用途上来分主要有结构钢管、锅炉钢管、管线钢管等。要提高现有膨胀波纹管的强度，不仅要从现有的管材中进行优选，也需要研发相应的管材。例如：铁素体-（马氏体或贝氏体）双相钢，以硅、锰为主要合金元素，起到固溶强化作用；采取低碳设计保证良好的焊接性能和高的塑性，但随着碳含量的降低，钢的强度降低，淬透性变差。因此，适当地添加其他合金元素，如Cr、M o等可提高强度和淬透性。

3．1．2 成型方法

目前，膨胀波纹管是无缝钢管经过扩孔后利用模具冷压成型，这种成型方法存在2个问题。

1） 扩孔会造成管材性能下降，导致壁厚不均匀，局部存在残余应力。

2） 冷压成型会造成每根波纹管间的形状吻合度不高，应力分布不均匀，增加了膨胀后的不圆度。

单一井径技术要求成型后膨胀波纹管壁厚均匀、残余应力少、断面形状规则，从而提高管串的整体性能，减少焊口形状不对称造成的焊缝强度损失。为此，可以通过直缝管成型波纹管提高壁厚均匀性，高温热处理＋振动时效的工艺消除残余应力，端头整形的方法提高波纹管断面间形状的一致性。端头整形原理如图4所示，通过加热器对波纹管端头进行加热后，移到外模内，将上内模和下内模装入波纹管内，利用油缸推动锲形推块向内移动，挤压上、下内模对波纹管的端头形状进行修整。整形完成后，锲形推块向外移动，从而取出上、下内模。该端头整形方法可在不减少波纹管强度的条件下，有效提高断面形状的一致性，避免了整形过程中波纹管冷却导致内模无法取出的问题。

图4　端头整形原理

3．2 管串连接方式

对于膨胀波纹管的异型断面形状，国内外大都采用手工焊接的方式连接波纹管管串。手工焊接的效率较低，焊接质量易受外在环境和人为因素的影响。膨胀波纹管单一井径系统需要提高管串的连接效率和质量。自动焊接可以大幅提高焊接效率，排除了人为影响因素，保证焊缝质量。螺纹连接仍是现场最便捷的连接方式，研究新型可膨胀螺纹和螺纹段径向膨胀工具，可使膨胀波纹管在现场使用螺纹连接成为可能。

3．2．1 三维自动焊接

波纹管自动焊接技术要克服波纹管断面曲率变化大、波谷半径小等难题，很小的焊接执行机构上应具有“8”字形断面焊缝轨迹适应能力、快速响应速度及较大承载能力［5］。焊接过程中焊枪要始终垂直于工件表面，焊枪与坡口间的距离保持一致。因此，要严格控制焊接机构的运动轨迹和运动速度，不断调整焊枪的位置和姿态，满足不同曲率弧面上的焊接要求。

三维自动焊接装置如图5所示，包括焊接小车、焊接轨道、平移机构、高低调整机构等，可将每道焊缝的焊接时间由2～3 h缩短至15～20 min。

图5　三维自动焊接示意

3．2．2 螺纹连接

膨胀波纹管如果采用螺纹连接，每根波纹管的两端都要由“8”字型过渡到圆形，在圆形端面加工螺纹。采用螺纹连接还需解决2个方面的问题。

1） 连接螺纹段要具有良好的延展性，可膨胀至与波纹管本体相同的内径，而且在膨胀过程中要始终保持螺纹的力学性能和密封性，保证抗压强度和抗拉强度满足安全要求［6］。

2） 波纹管通过液压恢复至圆管的过程中，连接螺纹段难以在液压作用下膨胀至所需尺寸时，需要配套相应的机械膨胀工具，对螺纹段进行机械膨胀。

3．3 膨胀施工工艺的简化

由膨胀波纹管施工程序（如图3）可以看出：井眼准备和膨胀作业过程中，需要多次起下钻更换钻具组合，这在深井、超深井将占用大量的时间。要实现单一井径技术，需要简化施工程序，减少起下钻的次数，节省钻井时间和成本，为此提出简化井眼准备和机械膨胀的方案。

3．3．1 井眼准备

膨胀波纹管通过膨胀后管体与井壁间的摩擦力固定在井壁上。因此，井径是膨胀波纹管现场应用的重要参数之一，井斜变化率、方位变化率等参数也对膨胀效果也有直接影响，井眼准备情况直接影响膨胀波纹管应用的成败。通过随钻测井和随钻扩孔技术配合，可在钻进过程中完成井眼准备，减少等待时间，提高扩孔精度和施工效率。

1） 随钻测井。在钻进过程中实时测量和传输井径、井斜角、方位角等参数，可以及时掌握井眼情况并有效调整钻进参数，使其尽量满足膨胀波纹管技术对井眼的要求。随着半导体技术和集成电路的高速发展，随钻测量微系统也可应用于膨胀波纹管单一井径系统中。微系统随钻井液从钻具内进入环空，并返回地面，在这一过程中连续采集相关参数，从而指导波纹管的施工作业［7］。

2） 随钻扩孔。对漏失、垮塌或缩径等复杂地层进行钻后扩眼作业，需要承担二次作业风险，随钻扩眼作业有利于减少扩孔作业风险，节省作业时间。目前，适用于膨胀波纹管单一井径系统的随钻扩眼技术主要有2种：①正常钻进时扩眼工具不工作，需要扩眼时根据随钻测井的数据，控制扩眼工具扩张至所需尺寸，将井径小的井段扩至波纹管应用要求的井眼尺寸。如图6所示的威德福Rip Tide扩眼器，扩眼工具随管串一起下入，扩眼器处于关闭状态。打开扩眼器时，从井口投放R FID标签使控制部分接收到“开”的指令，切削齿翼沿斜面轴向向上爬行，径向尺寸扩大，实现扩眼功能。扩眼结束后，再次投R FID电子标签关闭扩眼器，使扩眼工具径向尺寸与管柱尺寸一致［8］。②偏心随钻扩眼钻头依靠工具离心力实现扩眼，受井深、井眼尺寸、钻井液性能的影响较小。图7为国民油井公司的随钻扩孔钻头，由领眼段、预扩孔段和主扩孔段组成，通过领眼段和预扩孔段的双重作用增强了钻头的稳定性，保证了扩孔效果［9］。

图6　威德福Rip Tide扩眼器

图7　国民油井公司随钻扩孔钻头

3．3．2 机械膨胀

机械膨胀的主要目的是对管串的上、下端头进行磨铣和膨胀，提高波纹管管串的圆度，使管串通径达到原井眼的尺寸。提出2种不同原理的可变径胀管工具，可以替代现有的滚轮和球形胀管工具，实现单个工具完成全部机械膨胀。

1） 可变径滚轮胀管器。

可变径滚轮胀管器如图8所示，通过限压限位滑块的中心孔面积小于上部过流面积而产生的压力差，推动其向下滑动，限压限位滑块上的台阶使得滑动轴和滚轮轴向外运动，不同台阶对应着不同的外径尺寸。完成机械膨胀后，将限压限位滑块上端面移到滑动轴之下，滚轮轴在小弹簧的作用下向管内移动，使胀管器的外径收缩。

机械膨胀作业时，通过胀管器的旋转进行自上而下的膨胀作业，完成1次膨胀作业后，将胀管器提出管串，控制钻井液的排量实现1次变径，直至波纹管管串的通径逐渐增大到所需的尺寸，再将滚轮恢复至起始状态。该膨胀工具可以减少单次膨胀作业时的受力，降低施工难度；采用滚轮滚动进行膨胀作业，减少摩擦作用；可以实现变径后的锁定和膨胀完成后的回缩功能，保证膨胀精度和工具的顺利起下。

图8　可变径滚轮胀管器

2） 可变径径向胀管器。

可变径径向胀管器直接对波纹管管串施加均匀的径向膨胀力，完成1段的膨胀后，恢复成原尺寸，进入下段未膨胀管串中继续膨胀。径向胀管器有利于采用螺纹连接方式时的膨胀，可保持螺纹的完整性，减少机械膨胀对螺纹密封的损坏。可变径径向胀管器需要反复实现膨胀单元的膨胀和回缩，可采用液压推动活塞的方式或者控制井下电机实现。

4　结论

1） 等井径膨胀波纹管技术是以膨胀波纹管技术为基础，作为临时套管在现场快速封隔漏失、易坍塌、易缩径等复杂地层，钻进过程中对于稳定性高的地层不进行封隔，完钻后下入生产套管。随着该等井径技术的发展，能够解决由于渐缩式井身结构导致完钻井眼尺寸小、产油能力低等问题，节省套管、水泥的用量，大幅节约时间和成本。

2） 针对膨胀波纹管技术的现状，应从增加膨胀波纹管技术管串的强度、缩短现场连接的时间、简化施工工艺等方面进行改进，提高波纹管的适用性，缩短应用时间，满足不同条件下的应用要求，使得膨胀波纹管实现单一井径技术早日得到实现。

［1］ 陶兴华，马开华，吴波，等．膨胀波纹管技术现场试验综述及存在问题分析［J］．石油钻探技术，2007，35（4）：63-66．

［2］ 唐明，吴柳根，宁学涛，等．等井径膨胀套管技术发展现状［J］．石油矿场机械，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．

［5］ 陶兴华，朱宏武，曾义金，等．膨胀波纹管焊接机器人的研制及其机构运动分析［J］．中国石油大学学报（自然科学版），2011，35（4）：119-128．

［6］ 齐国权，杨钊，上官丰收，等．可膨胀管技术研究进展与工程应用［J］．石油矿场机械，2012，41（12）：72-76．

［7］ 朱祖扬，李光泉，张卫，等．井筒微芯片示踪器研制［J］．石油钻探技术，2013，41（5）：111-114．

［8］ 范亚民，张永泽，栾苏．国外扩张式随钻扩眼工具应用现状及发展趋势［J］．石油矿场机械，2011，40（12）：25-28．

［9］ 白彬珍，臧艳彬，周伟，等．深井小井眼定向随钻扩孔技术研究与应用［J］．石油钻探技术，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

刘 鹏（1982-），男，山东烟台人，工程师，博士研究生，主要从事膨胀波纹管技术和钻井工具的研发工作，E-mail：liupeng023＠163．co m。