劉 鵬，夏柏如，陶興華，劉曉丹，胡彥峰，涂玉林

基于膨脹波紋管的單一井徑鉆井技術(shù)

劉 鵬1，2，夏柏如2，陶興華1，劉曉丹1，胡彥峰1，涂玉林1

（1．中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2．中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

隨著勘探開發(fā)越來越多地進(jìn)入深部地層，鉆井技術(shù)面臨著如何在保證井眼足夠大的情況下鉆至預(yù)定井深，減少鉆井時間和成本等問題，而單一井徑技術(shù)的發(fā)展為解決這些復(fù)雜情況提供了新的解決途徑。單一井徑技術(shù)是在膨脹管技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的始終保持同一井徑的新興技術(shù)。介紹了膨脹波紋管技術(shù)和單一井徑技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了一種膨脹波紋管實現(xiàn)單一井徑技術(shù)，分析了制約膨脹波紋管技術(shù)實現(xiàn)單一井徑的技術(shù)難題并提供了一些解決方案。

膨脹波紋管；單一井徑；強度；連接方式；簡化工藝

膨脹管技術(shù)是將管柱下到井內(nèi)，以機(jī)械或液壓的方法使管柱發(fā)生永久性塑性變形，實現(xiàn)封隔井下地層。國內(nèi)外主要的膨脹管技術(shù)包括膨脹套管和膨脹波紋管。膨脹套管為圓形管柱，通過液壓驅(qū)動膨脹工具將管柱內(nèi)徑擴(kuò)大，利用水泥漿固結(jié)井壁和膨脹套管；膨脹波紋管為異型管柱，通過液壓將其恢復(fù)至圓管后貼緊井壁，利用摩擦力使膨脹波紋管固定在井壁上作為臨時套管。

單一井徑技術(shù)是以膨脹管技術(shù)為基礎(chǔ)的新技術(shù)，在鉆進(jìn)過程中始終保持同一井徑，避免下入多層套管造成的井徑損失，從而實現(xiàn)更大的鉆深和完井井眼尺寸。2002-07，自億萬奇公司在美國得克薩斯州南部完成了1口先導(dǎo)性單一井徑試驗井以來，貝克石油工具、億萬奇、威德福等公司推出了各自的基于膨脹套管實現(xiàn)單一井徑系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究。雖然從原理上分析，膨脹波紋管技術(shù)更有利于裸眼井段的封隔，但國內(nèi)外仍未有基于膨脹波紋管技術(shù)實現(xiàn)單一井徑鉆井系統(tǒng)的相關(guān)報道。

1　膨脹波紋管技術(shù)

自1975年Tatneft研究院最早研究膨脹波紋管技術(shù)以來，國內(nèi)外膨脹波紋管技術(shù)取得了快速的發(fā)展，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，形成了裸眼井復(fù)雜層段封隔、裸眼井尾管懸掛、套管修補3種應(yīng)用技術(shù)［1］。裸眼井復(fù)雜層段封隔技術(shù)主要用于漏層、水層等復(fù)雜地層的封隔，減少井身結(jié)構(gòu)的錐度，保持井眼穩(wěn)定；裸眼井尾管懸掛技術(shù)主要用于側(cè)鉆和加深井鉆井作業(yè)；套管修補技術(shù)主要用于修補大段損壞套管和封堵廢棄射孔段，尤其對于修補大段的己腐蝕套管特別有利。目前，膨脹波紋管技術(shù)廣泛用于封隔漏失地層、高壓水層、易垮塌地層及補貼套管等多個方面，可以快速、高效地解決石油鉆井、開采等過程中遇到的復(fù)雜情況。

2　單一井徑技術(shù)

單一井徑技術(shù)不但可隨時處理井下復(fù)雜情況，順利鉆達(dá)目的層，也可大幅度降低鉆井液、水泥、套管等的用量，節(jié)約鉆井成本，還可用于延長水平位移、增加單井產(chǎn)量、提升開發(fā)效益等方面。國外公司推出3種基于膨脹套管的單一井徑技術(shù)（其結(jié)構(gòu)特征如圖1所示），分別是貝克休斯公司的linE X X、威德福公司的M etalSkin、億萬奇公司的M onoDia meter，這3種系統(tǒng)仍處于現(xiàn)場試驗階段，還未實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用［2］。

膨脹套管單一井徑系統(tǒng)通過大尺寸套管鞋或過度膨脹段將膨脹套管固定在上層套管中實現(xiàn)全井段封隔。貝克休斯linE X X系統(tǒng)帶有一種安裝在上層套管柱上的凹形套管鞋，膨脹管下入并定位于凹形鞋處后，啟動自上至下的液壓膨脹裝置，使膨脹尾管坐于套管鞋內(nèi)，實現(xiàn)膨脹后內(nèi)徑無損失［3］。威德福M etalSkin系統(tǒng)是將1個大尺寸套管鞋與上部套管一并下入井中，尾管延伸系統(tǒng)下入后膨脹坐掛于大尺寸套管鞋內(nèi)部。億萬奇M onoDia meter系統(tǒng)包括原套管底部過度膨脹段、膨脹套管管柱及其底部進(jìn)行過度膨脹產(chǎn)生1個喇叭口狀重疊區(qū)，重疊區(qū)用于回接下層膨脹套管，保證井眼內(nèi)徑零損失［4］。

圖1　膨脹套管單一井徑系統(tǒng)

現(xiàn)場應(yīng)用中要求膨脹管膨脹后的強度越大越好，但強度過高會導(dǎo)致膨脹過程困難，而且膨脹過程也會極大減少膨脹管的強度，無法完全達(dá)到套管要求的強度。因此，無論是膨脹套管還是膨脹波紋管只能作為臨時套管使用，鉆至目的層后，需下入生產(chǎn)套管?；谀壳凹夹g(shù)情況，本文提出膨脹波紋管單一井徑系統(tǒng)（如圖2所示），膨脹波紋管只封隔不穩(wěn)定地層，穩(wěn)定性高的地層不進(jìn)行封隔。

圖2　膨脹波紋管單一井徑系統(tǒng)

3　膨脹波紋管實現(xiàn)單一井徑技術(shù)

利用膨脹波紋管實現(xiàn)單一井徑技術(shù)，意味著膨脹波紋管的強度、密封性及抗腐蝕等性能要滿足不同復(fù)雜情況下的應(yīng)用要求，管串的強度需要提高。膨脹波紋管單一井徑系統(tǒng)需要快速處理不穩(wěn)定地層，膨脹波紋管的下入長度可能幾百米甚至上千米。目前施工程序如圖3所示，施工周期較長，要提高現(xiàn)場施工效率，節(jié)省時間和成本，需對管串連接方式、配套工具及施工工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)。

圖3　膨脹波紋管完整施工程序

3．1 管串強度

膨脹波紋管的膨脹過程涉及到復(fù)雜的金屬變形機(jī)理以及金屬力學(xué)問題，管串各部件都應(yīng)具有足夠的強度、良好的塑性、良好的沖擊韌性和抗腐蝕、磨損及環(huán)境斷裂的性能，單一井徑技術(shù)對膨脹波紋管材料的選擇和成型方法都提出更高的要求。

3．1．1 管材的選擇

膨脹波紋管管材應(yīng)至少滿足以下3點要求：

1） 屈強比低，具有高均勻塑性變形能力。

2） 較高的形變硬化指數(shù)，具備均勻變形而不破壞的能力。

3） 較低的屈服強度，易于加工成型。

根據(jù)膨脹波紋管加工及使用要求，可供選擇的膨脹波紋管材料從化學(xué)成分上來分主要有低碳鋼、低合金高強度鋼或微合金鋼等；從用途上來分主要有結(jié)構(gòu)鋼管、鍋爐鋼管、管線鋼管等。要提高現(xiàn)有膨脹波紋管的強度，不僅要從現(xiàn)有的管材中進(jìn)行優(yōu)選，也需要研發(fā)相應(yīng)的管材。例如：鐵素體-（馬氏體或貝氏體）雙相鋼，以硅、錳為主要合金元素，起到固溶強化作用；采取低碳設(shè)計保證良好的焊接性能和高的塑性，但隨著碳含量的降低，鋼的強度降低，淬透性變差。因此，適當(dāng)?shù)靥砑悠渌辖鹪?，如Cr、M o等可提高強度和淬透性。

3．1．2 成型方法

目前，膨脹波紋管是無縫鋼管經(jīng)過擴(kuò)孔后利用模具冷壓成型，這種成型方法存在2個問題。

1） 擴(kuò)孔會造成管材性能下降，導(dǎo)致壁厚不均勻，局部存在殘余應(yīng)力。

2） 冷壓成型會造成每根波紋管間的形狀吻合度不高，應(yīng)力分布不均勻，增加了膨脹后的不圓度。

單一井徑技術(shù)要求成型后膨脹波紋管壁厚均勻、殘余應(yīng)力少、斷面形狀規(guī)則，從而提高管串的整體性能，減少焊口形狀不對稱造成的焊縫強度損失。為此，可以通過直縫管成型波紋管提高壁厚均勻性，高溫?zé)崽幚恚駝訒r效的工藝消除殘余應(yīng)力，端頭整形的方法提高波紋管斷面間形狀的一致性。端頭整形原理如圖4所示，通過加熱器對波紋管端頭進(jìn)行加熱后，移到外模內(nèi)，將上內(nèi)模和下內(nèi)模裝入波紋管內(nèi)，利用油缸推動鍥形推塊向內(nèi)移動，擠壓上、下內(nèi)模對波紋管的端頭形狀進(jìn)行修整。整形完成后，鍥形推塊向外移動，從而取出上、下內(nèi)模。該端頭整形方法可在不減少波紋管強度的條件下，有效提高斷面形狀的一致性，避免了整形過程中波紋管冷卻導(dǎo)致內(nèi)模無法取出的問題。

圖4　端頭整形原理

3．2 管串連接方式

對于膨脹波紋管的異型斷面形狀，國內(nèi)外大都采用手工焊接的方式連接波紋管管串。手工焊接的效率較低，焊接質(zhì)量易受外在環(huán)境和人為因素的影響。膨脹波紋管單一井徑系統(tǒng)需要提高管串的連接效率和質(zhì)量。自動焊接可以大幅提高焊接效率，排除了人為影響因素，保證焊縫質(zhì)量。螺紋連接仍是現(xiàn)場最便捷的連接方式，研究新型可膨脹螺紋和螺紋段徑向膨脹工具，可使膨脹波紋管在現(xiàn)場使用螺紋連接成為可能。

3．2．1 三維自動焊接

波紋管自動焊接技術(shù)要克服波紋管斷面曲率變化大、波谷半徑小等難題，很小的焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)上應(yīng)具有“8”字形斷面焊縫軌跡適應(yīng)能力、快速響應(yīng)速度及較大承載能力［5］。焊接過程中焊槍要始終垂直于工件表面，焊槍與坡口間的距離保持一致。因此，要嚴(yán)格控制焊接機(jī)構(gòu)的運動軌跡和運動速度，不斷調(diào)整焊槍的位置和姿態(tài)，滿足不同曲率弧面上的焊接要求。

三維自動焊接裝置如圖5所示，包括焊接小車、焊接軌道、平移機(jī)構(gòu)、高低調(diào)整機(jī)構(gòu)等，可將每道焊縫的焊接時間由2～3 h縮短至15～20 min。

圖5　三維自動焊接示意

3．2．2 螺紋連接

膨脹波紋管如果采用螺紋連接，每根波紋管的兩端都要由“8”字型過渡到圓形，在圓形端面加工螺紋。采用螺紋連接還需解決2個方面的問題。

1） 連接螺紋段要具有良好的延展性，可膨脹至與波紋管本體相同的內(nèi)徑，而且在膨脹過程中要始終保持螺紋的力學(xué)性能和密封性，保證抗壓強度和抗拉強度滿足安全要求［6］。

2） 波紋管通過液壓恢復(fù)至圓管的過程中，連接螺紋段難以在液壓作用下膨脹至所需尺寸時，需要配套相應(yīng)的機(jī)械膨脹工具，對螺紋段進(jìn)行機(jī)械膨脹。

3．3 膨脹施工工藝的簡化

由膨脹波紋管施工程序（如圖3）可以看出：井眼準(zhǔn)備和膨脹作業(yè)過程中，需要多次起下鉆更換鉆具組合，這在深井、超深井將占用大量的時間。要實現(xiàn)單一井徑技術(shù)，需要簡化施工程序，減少起下鉆的次數(shù)，節(jié)省鉆井時間和成本，為此提出簡化井眼準(zhǔn)備和機(jī)械膨脹的方案。

3．3．1 井眼準(zhǔn)備

膨脹波紋管通過膨脹后管體與井壁間的摩擦力固定在井壁上。因此，井徑是膨脹波紋管現(xiàn)場應(yīng)用的重要參數(shù)之一，井斜變化率、方位變化率等參數(shù)也對膨脹效果也有直接影響，井眼準(zhǔn)備情況直接影響膨脹波紋管應(yīng)用的成敗。通過隨鉆測井和隨鉆擴(kuò)孔技術(shù)配合，可在鉆進(jìn)過程中完成井眼準(zhǔn)備，減少等待時間，提高擴(kuò)孔精度和施工效率。

1） 隨鉆測井。在鉆進(jìn)過程中實時測量和傳輸井徑、井斜角、方位角等參數(shù)，可以及時掌握井眼情況并有效調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，使其盡量滿足膨脹波紋管技術(shù)對井眼的要求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路的高速發(fā)展，隨鉆測量微系統(tǒng)也可應(yīng)用于膨脹波紋管單一井徑系統(tǒng)中。微系統(tǒng)隨鉆井液從鉆具內(nèi)進(jìn)入環(huán)空，并返回地面，在這一過程中連續(xù)采集相關(guān)參數(shù)，從而指導(dǎo)波紋管的施工作業(yè)［7］。

2） 隨鉆擴(kuò)孔。對漏失、垮塌或縮徑等復(fù)雜地層進(jìn)行鉆后擴(kuò)眼作業(yè)，需要承擔(dān)二次作業(yè)風(fēng)險，隨鉆擴(kuò)眼作業(yè)有利于減少擴(kuò)孔作業(yè)風(fēng)險，節(jié)省作業(yè)時間。目前，適用于膨脹波紋管單一井徑系統(tǒng)的隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)主要有2種：①正常鉆進(jìn)時擴(kuò)眼工具不工作，需要擴(kuò)眼時根據(jù)隨鉆測井的數(shù)據(jù)，控制擴(kuò)眼工具擴(kuò)張至所需尺寸，將井徑小的井段擴(kuò)至波紋管應(yīng)用要求的井眼尺寸。如圖6所示的威德福Rip Tide擴(kuò)眼器，擴(kuò)眼工具隨管串一起下入，擴(kuò)眼器處于關(guān)閉狀態(tài)。打開擴(kuò)眼器時，從井口投放R FID標(biāo)簽使控制部分接收到“開”的指令，切削齒翼沿斜面軸向向上爬行，徑向尺寸擴(kuò)大，實現(xiàn)擴(kuò)眼功能。擴(kuò)眼結(jié)束后，再次投R FID電子標(biāo)簽關(guān)閉擴(kuò)眼器，使擴(kuò)眼工具徑向尺寸與管柱尺寸一致［8］。②偏心隨鉆擴(kuò)眼鉆頭依靠工具離心力實現(xiàn)擴(kuò)眼，受井深、井眼尺寸、鉆井液性能的影響較小。圖7為國民油井公司的隨鉆擴(kuò)孔鉆頭，由領(lǐng)眼段、預(yù)擴(kuò)孔段和主擴(kuò)孔段組成，通過領(lǐng)眼段和預(yù)擴(kuò)孔段的雙重作用增強了鉆頭的穩(wěn)定性，保證了擴(kuò)孔效果［9］。

圖6　威德福Rip Tide擴(kuò)眼器

圖7　國民油井公司隨鉆擴(kuò)孔鉆頭

3．3．2 機(jī)械膨脹

機(jī)械膨脹的主要目的是對管串的上、下端頭進(jìn)行磨銑和膨脹，提高波紋管管串的圓度，使管串通徑達(dá)到原井眼的尺寸。提出2種不同原理的可變徑脹管工具，可以替代現(xiàn)有的滾輪和球形脹管工具，實現(xiàn)單個工具完成全部機(jī)械膨脹。

1） 可變徑滾輪脹管器。

可變徑滾輪脹管器如圖8所示，通過限壓限位滑塊的中心孔面積小于上部過流面積而產(chǎn)生的壓力差，推動其向下滑動，限壓限位滑塊上的臺階使得滑動軸和滾輪軸向外運動，不同臺階對應(yīng)著不同的外徑尺寸。完成機(jī)械膨脹后，將限壓限位滑塊上端面移到滑動軸之下，滾輪軸在小彈簧的作用下向管內(nèi)移動，使脹管器的外徑收縮。

機(jī)械膨脹作業(yè)時，通過脹管器的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行自上而下的膨脹作業(yè)，完成1次膨脹作業(yè)后，將脹管器提出管串，控制鉆井液的排量實現(xiàn)1次變徑，直至波紋管管串的通徑逐漸增大到所需的尺寸，再將滾輪恢復(fù)至起始狀態(tài)。該膨脹工具可以減少單次膨脹作業(yè)時的受力，降低施工難度；采用滾輪滾動進(jìn)行膨脹作業(yè)，減少摩擦作用；可以實現(xiàn)變徑后的鎖定和膨脹完成后的回縮功能，保證膨脹精度和工具的順利起下。

圖8　可變徑滾輪脹管器

2） 可變徑徑向脹管器。

可變徑徑向脹管器直接對波紋管管串施加均勻的徑向膨脹力，完成1段的膨脹后，恢復(fù)成原尺寸，進(jìn)入下段未膨脹管串中繼續(xù)膨脹。徑向脹管器有利于采用螺紋連接方式時的膨脹，可保持螺紋的完整性，減少機(jī)械膨脹對螺紋密封的損壞?？勺儚綇较蛎浌芷餍枰磸?fù)實現(xiàn)膨脹單元的膨脹和回縮，可采用液壓推動活塞的方式或者控制井下電機(jī)實現(xiàn)。

4　結(jié)論

1） 等井徑膨脹波紋管技術(shù)是以膨脹波紋管技術(shù)為基礎(chǔ)，作為臨時套管在現(xiàn)場快速封隔漏失、易坍塌、易縮徑等復(fù)雜地層，鉆進(jìn)過程中對于穩(wěn)定性高的地層不進(jìn)行封隔，完鉆后下入生產(chǎn)套管。隨著該等井徑技術(shù)的發(fā)展，能夠解決由于漸縮式井身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致完鉆井眼尺寸小、產(chǎn)油能力低等問題，節(jié)省套管、水泥的用量，大幅節(jié)約時間和成本。

2） 針對膨脹波紋管技術(shù)的現(xiàn)狀，應(yīng)從增加膨脹波紋管技術(shù)管串的強度、縮短現(xiàn)場連接的時間、簡化施工工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)，提高波紋管的適用性，縮短應(yīng)用時間，滿足不同條件下的應(yīng)用要求，使得膨脹波紋管實現(xiàn)單一井徑技術(shù)早日得到實現(xiàn)。

［1］ 陶興華，馬開華，吳波，等．膨脹波紋管技術(shù)現(xiàn)場試驗綜述及存在問題分析［J］．石油鉆探技術(shù)，2007，35（4）：63-66．

［2］ 唐明，吳柳根，寧學(xué)濤，等．等井徑膨脹套管技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］．石油礦場機(jī)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］ 陶興華，朱宏武，曾義金，等．膨脹波紋管焊接機(jī)器人的研制及其機(jī)構(gòu)運動分析［J］．中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，35（4）：119-128．

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［7］ 朱祖揚，李光泉，張衛(wèi)，等．井筒微芯片示蹤器研制［J］．石油鉆探技術(shù)，2013，41（5）：111-114．

［8］ 范亞民，張永澤，欒蘇．國外擴(kuò)張式隨鉆擴(kuò)眼工具應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．石油礦場機(jī)械，2011，40（12）：25-28．

［9］ 白彬珍，臧艷彬，周偉，等．深井小井眼定向隨鉆擴(kuò)孔技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．石油鉆探技術(shù)，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

劉 鵬（1982-），男，山東煙臺人，工程師，博士研究生，主要從事膨脹波紋管技術(shù)和鉆井工具的研發(fā)工作，E-mail：liupeng023＠163．co m。