膨胀管技术在钻井与压裂领域研究进展

钟勇(中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院，辽宁 盘锦 124010)

0 引言

膨胀管技术主要是采用一种具有良好塑性的金属套管，在液力或者机械驱动下在井下发生径向胀大，来解决石油勘探开发过程中的复杂地层封隔、尾管完井窗口密封、套损井补贴修复等工程技术难题。目前国内外均成立了专业研究机构与技术开发推广公司，形成了尾管悬挂封隔器、套管补贴修复、可膨胀衬管重复压裂、裸眼补贴等直径钻完井技术和金属管外封隔器等系列技术。其中膨胀式尾管悬挂器、裸眼补贴技术和套管补贴修复技术在国内已经开始大规模推广应用。近年来国内外各研究机构结合石油钻完井热点问题，推动膨胀管技术向钻井、压裂等领域拓展，膨胀管技术取得的新进展为该项技术注入了新的活力，其使用价值也将进一步得到增强。

1 膨胀管技术在钻井领域最新进展

1.1 国外等直径膨胀管裸眼补贴技术

等直径膨胀管钻井的理念提出于1999年，并于2002年开展了原理性试验。该项技术是膨胀管技术发展和钻井井身结构的发展方向，当深井钻遇复杂地层时，可作为临时技术套管进行机械封堵，无需改变钻头尺寸和井身结构继续钻进，避免常规逐级变小的锥形井身结构，有利于把井钻得更深，最终实现建井成本的大幅度降低。据报道，国外膨胀管技术开发最早且应用规模最大的亿万奇公司开发出等直径裸眼补贴技术，于2020年10月27日在沙特油田成功开展井下试验，据报道，此次试验是沙特油气市场首次成功应用等直径膨胀管技术。由于工艺复杂、工序繁杂、对操作要求高等原因，该项技术直至第四口井才得以试验成功。

该井情况简介：沙特阿美石油公司某些区块地质条件复杂，希望采用低成本新技术来解决复杂井段封隔问题。该井四开12.25”(φ311.1 mm)井眼钻进500英尺(157.4 m)后，扩眼作业至13.25”(φ336.55 mm)，然后进行电测检查井眼效果，并选择确定膨胀管贴合井段。膨胀管是公扣朝上，母扣朝下，左旋扣，和正常套管不一样，且质地较正常套管软，操作时，稍不注意就会碰坏管子。而膨胀管串底部的膨胀锥室是不能膨胀的，管串贴合成功后，需要磨掉底部浮鞋后，倒铣掉膨胀锥室。倒铣作业是世界首次，需要司钻严密关注钻压、扭矩变化。相关作业完成后进行通井作业，直达井底，这标志着等直径膨胀管裸眼补贴技术试验取得成功。

1.2 国内等直径膨胀管技术

据报导2020年11月13日，胜利钻井工艺研究院自主研发的241.3 mm等直径膨胀管系统在胜利油田河31-斜190井进行全过程井下试验，历时23天取得圆满成功。

该井情况简介：该井目的是在φ339.7 mm表层套管内下入等直径膨胀管系统，膨胀后作为临时技术套管满足φ241.3 mm钻头进行二开钻进至完井。施工过程中，将总成9.05 m，包含5个膨胀管短节共4个可膨胀螺纹，内径199 mm的膨胀管膨胀至内径245 mm。通过井下电视监测影像表明，膨胀后管体内壁完整、螺纹连接可靠。11月13日，该井顺利完钻并完成电测作业，完钻井深2 751 m。膨胀后的等直径膨胀管经受住了钻塞和二开钻进双重考验，作业临时技术套管服役23 d，安全起下钻16趟，成功完成试验任务。

2 膨胀管技术在压裂方面的最新进展

2.1 可膨胀衬管重复压裂技术

由于油价一直处理低位徘徊，二次完井技术因成本低、回收快等优势，受到了各大油田的青睐。在此大环境下，重复压裂必将成为各大油田公司开发计划的重要组成部分。传统暂堵剂重复压裂法作业过程中存在很多不确定因素，最主要的是重复压裂作业过程中，我们根本无法控制压裂液的去向。亿万奇全球技术公司开发的可膨胀衬管重复压裂法很好弥补了这一不足。通过在现有的井筒中下入一个可膨胀的衬管，不仅可以封堵原有的射孔孔眼，同时可以重复压裂射开新孔眼。该公司正在努力向广大油田公司证实，这种可膨胀衬管在重复压裂时性能优于化学暂堵剂。

工艺过程简介：在下入膨胀衬管之前，先用管内柱状铣刀铣削生产套管。然后再下入可膨胀衬管至井底。下一步，从送入管柱内泵入高压流体推动膨胀锥体上行至井口，从而将可膨胀衬管膨胀至其最大直径，并将该衬管固定在适当位置。一旦衬管膨胀，原来的孔就会被完全封堵，这时就可以射新孔和水力压裂了。

2009年以来，亿万奇全球技术公司相继在巴内特、马塞勒斯鹰福特和阿纳达科盆地利用其可膨胀衬管技术完成了15口井的重复压裂作业。考虑到成本，亿万奇公司提出了一种全新的混合理念，即将可膨胀衬管只放到水井的跟端。这种混合压裂的办法将成为介于可膨胀衬管重复压裂和暂堵剂重复压裂两者之间的一个选项，因为它仍然会用到大约1 000英尺(304.8 m)的较昂贵的可膨胀衬管，该方法会减少暂堵剂的使用量，同时能够为水平井的跟端传递更多的产生裂缝的压力[1]。

2.2 膨胀金属封隔器应用于分段压裂

国外Saltel等公司将金属膨胀管应用于管外封隔器，研发出一种全新的全金属膨胀管压裂封隔器。该封隔器基于金属膨胀技术，利用安装在两金属环之间的动密封组，通过管内压力使金属膨胀式封隔器膨胀，封隔套管和井眼间的环空，达到密封效果。

工具原理：压裂封隔器采用双衬压力平衡设计，允许一定温度下不同环空压差的有效密封。两端能通过接头配件连接，末端的接头在工具入井过程中能够起保护可膨胀衬套。入井过程中允许旋转，同时保留套管所有特性。可膨胀部分安装有单向阀，自然状态下环空到套管内的流道处于关闭状态，避免内部衬套在后期重复压裂过程中压瘪。

主要特点：(1)适用于任何壁厚和材质的套管；(2)屈服和抗挤强度等同于套管机械强度；(3)封隔压差能达到103.4 MPa；(4)两组密封系统联合大膨胀率金属衬管保证在坍塌区域的密封；(5)较低的热传导性和温度波动影响；(6)单向阀系统保证重复压裂时，内衬套不被挤瘪。

3 膨胀管技术前景分析与建议

3.1 简化等直径裸眼补贴工艺，提高技术可靠性、经济性与适用范围

等直径技术在解决多压力体系井漏、井塌等钻井难题方面具有突出优势，并且能够保持原井身结构，备受各大油田公司与钻井公司的期待，成为了国内外各大公司的研究热点，但目前仅进行数次现场试验，离商业化应用仍存在诸多困难。特别是在目前国内低成本钻井的大环境下，受钻井周期和投资的影响，笔者认为该项技术若需要在短时间内在现场应用中崭露头角，仍然需要在总结目前已突破的关键技术前提下，开展以下几方面工作：一方面根据工程实际需要简化工艺，通过对地层可膨胀性、高效随钻扩孔技术展开攻关，确定好最优适合膨胀补贴的井眼尺寸，最大程度上缩短复杂地层补贴封固时间，这样不仅能缩短施工周期，也能将风险降至最低。第二方面，结合机械液控技术，进一步探索半自动或者全自动化胀管液压系统，实现自动化大膨胀率高效胀管，提高技术可靠性、经济性与适用范围。

3.2 提高管材性能，丰富膨胀工具，保障井下施工安全性

目前，国内各大研发机构普遍采用的膨胀工具主要是实体膨胀锥、液压变径膨胀工具，相对比较单一。导致技术应用范围相对较狭窄，复杂情况应对能力不足，阻碍了该项技术进一步大规模推广应用。笔者建议加强以下两方面的工作，促进技术全面规模化推广。

一方面提高管材性能与稳定性。管材要满足膨胀过程中的应力一应变性能要求，具有足够的强度、良好的塑性变形能力和一定的抗腐蚀能力。同时，膨胀后要求管材的机械性能均一、应力集中尽可能得低，满足不同地层需求的管材应达到API标准中N80钢级或者更高级别。同时，配套完善好制管及加工工艺，保证好管材几何尺寸及加工精度、管材表面处理工艺。其中，管材外形几何尺寸及加工精度的研究是指如何满足管材椭圆度、同轴度以及加工过程中的精度要求；在管材表面处理工艺方面的研究主要体现在如何提高管材光洁度、表面硬化强度等处理工艺，以此来降低膨胀压力及减少膨胀锥损伤等，并建立先进的标准化体系。另一方面，进一步开发扩张式、滚珠式等膨胀工具与配套液压驱动系统，开发出配套安全应急工具，满足日益复杂的井下工况要求，保障井下施工安全性，为规模应用提供有效保障[2]。

4 结语

综上所述，在过去的几年里，膨胀管技术在国内外均取得了飞速的发展，也面临着诸多挑战，建议加大研发力度，尽早实现技术更大突破，实现全面推广，为石油钻完井降本增效提供工程利器。