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膨胀管技术及其在石油钻采领域的应用

(胜利石油管理局)李作会何育荣余金陵

.一、概述

随着“稳定东部、开发西部、准备南方、开拓国际”战略方针的实施,对工程技术人员提出了两大挑战:一是开采目前不能经济开发的新储量,二是维持老油田开发的经济效益。套管修补、老井侧钻是老区稳产增产的主要技术措施,存在的问题是完井固井质量差;西部新区深井储层非均质性严重、储集类型多,盐膏层、煤层、高低压层等层间矛盾突出,钻井完井面临诸多技术难题。

与此同时,世界范围内石油技术以降低钻井完井成本、保护油藏和提高采收率为发展目标的研究,取得了长足的发展和进步。膨胀管技术就是众多技术成果中的一颗灿烂明珠,被誉为21世纪石油勘探开发领域的核心技术,能够显著降低钻井完井成本、优化井身结构和提高完井修井水平。

膨胀管技术就是将管柱(包括实体套管和割缝管)下到井底,以机械的、或液压的方法,由上到下或由下往上,通过拉力或压力使管柱发生永久塑性变形,从而达到使井眼或生产管柱的内径扩大的目的。实体套管直径膨胀率一般可达10%~30%,而割缝管的直径膨胀率最大可以达到300%。可膨胀管包括可膨胀实体管(SET)和可膨胀割缝管(EST)两种,后来又在可膨胀割缝管的基础上发展出专门用于防砂的可膨胀防砂筛管(ESS)。

研究分析膨胀管技术的特点和优势,解决油田钻井完井的技术难题,对于降低勘探开发成本、优化井身结构和合理开发油气藏意义重大,能够促使我们把握世界先进石油技术脉搏、提高油田整体勘探开发水平。

壳牌公司于上世纪90年代后期首先开发该技术。目前,世界上有成熟技术和产品的公司有三家:Enventure环球技术公司、ETECH公司和Petroline公司。

Enventure公司主要从事实体膨胀管的开发、销售并提供技术服务。至2004年2月15日,该公司共为全球45家操作公司在215口井上进行了膨胀管商业应用,膨胀管总计长度达到230000H(1At=0.3048m),各种膨胀接头5800个,成功率96%以上。

E2TECH公司主要从事膨胀筛管(EST)的研究与制造。膨胀筛管初步解决井壁坍塌、防砂问题。1995年在阿曼某油田的一口下套管直井中首次使用了割缝管,膨胀后撑开9m长的筛管,以利用EST的高膨胀性能构成防砂筛管系统。

Petroline公司于1999年推出了可膨胀防砂筛管,即ESS技术。ESS已在欧洲、中东、亚太地区、拉丁美洲和尼日利亚的油气田广泛使用,应用最多的是裸眼井和需进行内侧砾石充填的油气井,迄今为止,ESS技术在现场应用中成功率100%。膨胀管技术主要可分为三大部分:膨胀管管体材料,膨胀管接头螺纹,膨胀工具系统。

国内这方面的研究刚刚起步,西南石油学院管柱力学实验室对套管的膨胀进行了塑性变

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形有限元力学分析,大港油田钻采院研究主要针对膨胀割缝管的井眼封固方面进行了研究,完成了接头、引鞋、膨胀锥、钻具与膨胀管的连接结构等的设计。胜利油田钻井工艺研究院也做了大量的前期研究工作,并在侧钻井井上进行了两口井的现场试验。

二、膨胀管技术综述

(一)实体可膨胀管技术1.概述

实体可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,使管柱内径永久胀大的技术。大多数实体套管的膨胀技术应用在4%到133%的管柱,膨胀率一般为10%~30%。

膨胀机理如图1,实体膨胀套管的底部是一个“箱体”,一般叫做“起动装置”,里面包含一个膨胀锥。内管柱的高压流体到达压力室推动膨胀锥从下向上完成膨胀过程。

2.用途与应用情况

2.1用途

(1)优化井身结构,减小井眼锥度增加套管长度,使生产套管或尾管有尽可能大的内径;

(2)减少钻井成本。如在深水区作业也需尺寸更小、费用更低的钻井船;降低钻井液和相关设备的费用。

(3)维修和加固井下现有的套管,以及套管堵漏。

(4)改善尾管上部的密封效果,是尾管悬挂器和尾管封隔器的一种理想、经济的替代品。

图1实体膨胀管膨胀示意图

2.2应用情况

已成熟的实体膨胀管技术产品可以归为三类:一是裸眼井膨胀尾管系统(Expandableopen-holelinersystem)(OHL),主要解决漏失和复杂地层情况下的钻井问题,如盐岩橡胶层、及地层孔隙压力、地层压力梯度值得考虑的地层;二是套管井膨胀衬管系统(Expandablecased-holelinersystem)(CHL),主要用于修补作业,可修复套管数千英尺;三种是膨胀尾管悬挂器系统(Expandablelinerhanger)(ELH),利用膨胀管柱制作尾管悬挂器比常规悬挂器有更好的密封效果和更大的通径。

2.2.1可膨

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