可膨胀管技术研究进展与工程应用

为了应对石油钻井中堵漏、修复、防塌和防砂等技术难题,国外已经成功地应用可膨胀管技术,国内也进行了理论研究和室内试验。综述了近年来国内外可膨胀管技术的发展状况,及其关键技术的研究进展。介绍了实体可膨胀管技术(SET)和可膨胀割缝管技术(EST)的工程应用实例,并指出可膨胀管技术的发展方向。     

可膨胀管技术及其管材性能

由于可膨胀管技术应用范围广,近几年在国外得到了极大的发展.可膨胀管技术利用液压或机械方式使管材直径增大,从而保持较大的井径.作为可膨胀管的材料必须具有足够高的变形能力,且膨胀后的力学性能基本能达到普通套管的水平.提出可膨胀管的管材需具有较低屈强比、较高的形变强化指数等性能,且其变形能力可通过改善组织及合理的热处理工艺加以提高,可选用常规套管材料、特种材料及管线钢等.     

■241.3 mm井眼等井径膨胀管封堵技术研究与评价

等井径膨胀管可作为临时套管为深部复杂地层构建临时井壁,实现复杂地层无内径损失的机械封堵作业,封堵后仍保持原有井身结构,为深井安全穿越复杂地层提供一种新的技术方案。文章在介绍等井径膨胀管系统的结构设计和技术原理基础上,重点从膨胀管材优选及应力分析、膨胀螺纹结构设计和变径膨胀锥优化设计三方面对系统关键技术进行研究,通过室内性能评价和全过程井下试验,验证了系统的功能和工艺的可行性。现场应用时,井下电视影像显示：等径膨胀后管体及螺纹仍具有良好的完整性和密封性,内径达245 mm,作为临时技术套管封堵地层,满足■241.3 mm钻头安全下入及钻井服役要求,为复杂地层等井径封堵应用奠定了基础。     

可膨胀管技术及其在石油工业中的应用

可膨胀管技术是石油工业领域发展十分快速的技术之一。该技术可用于多种类型油井建井、完井及固井作业,使用范围从陆地到浅海,甚至深海。可膨胀管可分为可膨胀割缝管和实体可膨胀管两大类。其中,可膨胀割缝管可用于可膨胀防砂管、裸眼井衬管、可膨胀完井衬管;实体可膨胀管可用于尾管悬挂器和应急套管。文章分别介绍了各种膨胀管的膨胀机理、优点及其应用。     

可膨胀管技术及其应用

可膨胀管技术就是将管柱下入井底,用驱动头以液力或机械的方法使管材永久变形,从而达到增大采油管柱或井眼内径的目的。可膨胀管包括可膨胀式割缝管和可膨胀式实体管 2种。它们可应用于钻井、完井及采油、修井等作业全过程,被认为是 2 1世纪石油钻采行业的核心技术之一,该项技术的几个应用领域在国外均投入到工业实施。文中介绍了可膨胀管技术的膨胀机理、优点及其应用。     

可膨胀割缝管膨胀性能试验研究

可膨胀割缝管（EST）是在管材上割出一系列交错排列且相互重叠的轴向割缝,比实体管更容易膨胀开。材料选择和割缝结构优化是可膨胀割缝管的关键技术。采用不同材质和不同割缝结构的割缝管进行试验,根据割缝管膨胀前后性能变化情况,优选出合理的管体材料及割缝结构。试验表明,割缝管正常膨胀压力为85kN,膨胀后其内径膨胀率达到了39％以上,管体材料具有良好的延伸性。割缝结构具有良好的抗开裂性能和止裂性能。     

硬质涂层膨胀锥减摩耐磨性能

为降低膨胀锥/膨胀管间摩擦阻力,提高膨胀锥耐磨损性能,制备了硬质涂层膨胀锥,研究了硬质涂层膨胀锥的性能,并对其进行了现场应用。采用超音速火焰喷涂技术在合金钢膨胀锥表面制备了碳化物硬质涂层,使膨胀锥表面硬度提高了近60%。摩擦磨损实验结果表明:锂基脂润滑条件下,硬质涂层使膨胀锥试块摩擦系数降低超过30%,磨损量降低约33%;水润滑条件下,硬质涂层使膨胀锥试块摩擦系数降低约25%;硬质涂层显著降低了膨胀锥和膨胀管间的摩擦阻力,减轻了磨损,增加了膨胀锥的使用寿命。现场应用结果表明:硬质涂层膨胀锥具有良好的耐磨损性能,应用4口井后涂层与膨胀锥基体结合良好,表面无明显磨损现象,成功完成现场套损井的修补作业。     

长裸眼恶性漏失井膨胀管堵漏适用技术

四川盆地天然气井钻井过程中，经常面对长裸眼井段、多压力系统、承压能力要求高的堵漏需求，但已有的化学类堵漏及承压技术无法完全达到承压目标及时效要求。为此，针对四川盆地天然气井恶性井漏问题，研发了高抗挤膨胀管、配套工具及液体体系，开展了管材性能评价及适用边界分析，形成了膨胀管裸眼封堵技术并开展了现场应用。研究结果表明：(1)低碳锰合金化技术、“第三代”Mn-TRIP钢材配方以及高标准的生产制造工艺可大幅提高管材性能，新研制的高抗挤膨胀管胀后冲击韧性≥105 J，抗外挤强度≥20MPa；(2)基于测定的螺纹接头连接效率，参考API标准及J55膨胀管应用边界计算方法，建立了高抗挤膨胀管的适用边界；(3)基于高抗挤膨胀管，结合水力扩眼器、悬砂清砂液及固井水泥浆等，形成了“扩眼—膨胀管下入—膨胀作业—恢复钻进”全过程规范化膨胀管裸眼封堵施工工艺。结论认为：(1)该技术在四川盆地已成功应用8井次，累计作业长度5 177.81 m，承压能力达35 MPa以上，均实现了裸眼井段的有效封隔；(2)该技术有望成为解决恶性井漏的有效途径，并可在井身结构拓展、高压盐水封隔及井筒修复等领域进行推广应用。     

国外膨胀管技术的发展与应用

膨胀管技术是石油工业中迅速崛起的可明显降低钻井完井成本的一项新技术.威德福公司在可膨胀防砂筛管领域居于领先地位,其膨胀管技术分为三类:可膨胀割缝管、实体膨胀管和膨胀系统.哈里伯顿公司的膨胀产品包括可膨胀筛管系统和可膨胀尾管悬挂器/封隔器系统,这两种系统都经过了大量的室内和现场试验.Enventure公司开发了三种实体膨胀管产品:可膨胀尾管系统、套管井衬管系统和可膨胀尾管悬挂器系统.贝克石油工具公司的可膨胀产品包括可膨胀尾管悬挂器系统、六级分支井完井系统、可膨胀裸眼完井系统、套管补贴系统和膨胀封隔器.基于世界各大公司膨胀管技术上的发展与应用,文章针对我国膨胀管技术现状提出了相关的看法和建议.     

可膨胀割缝管结构设计有限元研究

建立了可膨胀割缝管的有限元模型,利用有限元方法对割缝管的结构参数进行了研究。通过对不同割缝长度、缝宽以及缝间夹角进行分析,得出了不同割缝参数下可膨胀割缝管膨胀后的等效应力云图及等效位移云图。综合考虑膨胀后残余应力、适宜的膨胀率以及膨胀后的均匀性,选择缝长110mm、缝宽1mm、缝间夹角30°均布作为可膨胀割缝管的优选参数,并与另外一种割缝参数进行了膨胀对比试验。结果表明,优选的参数与有限元分析的结果较为接近,割缝管所施加的膨胀力较低,内径膨胀率达到了39%,割缝具有良好的抗开裂性能和止裂性能。     

大通径膨胀管技术试验研究

普通膨胀管存在壁薄、承载能力差等问题,并制约本体的膨胀幅度,是限制该技术进一步发展的主要因素。针对上述问题提出大通径膨胀管技术,将膨胀工具外置于膨胀管,利用液压缸作为动力,能够进一步提高膨胀幅度、降低膨胀压力。以114mm×5mm膨胀管为例进行试验,结果表明：与传统膨胀管结构相比,大通径膨胀管技术能够在相同膨胀率条件下降低膨胀压力30%;大通径技术无需悬挂橡胶,膨胀管与套管之间为全段金属密封,进一步提高膨胀管悬挂力。新技术简化了膨胀管加工工艺,提高了安全性和可靠性。     

膨胀管抗外压强度试验研究

分析了套管抗外压强度计算公式,同时进行多次膨胀管补贴套管模拟试验,并对试验后的膨胀管抗外压强度进行测试。试验结果表明,膨胀管在外压作用下有弹性失稳破坏与材料屈服破坏2种失效形式,失效过程与径厚比密切相关;通常膨胀管胀后管体椭圆度保持不变,壁厚不均匀度有所增加,增加幅度与最大膨胀压力成正比;膨胀管的失稳压力高于屈服压力,在外压作用下首先发生材料屈服,然后在管体一侧出现失稳破坏,但是当膨胀管壁厚不均匀度过大时,管体会直接发生失稳破坏,导致抗外压强度降低。     

基于ANSYS/LS-DYNA的实体膨胀管膨胀力分析

应用非线性有限元分析技术,利用ANSYS软件的LS-DYNA模块动态模拟了膨胀套管的全过程,得到了膨胀力随时间变化的曲线,并分析了在不同的工艺参数（膨胀锥角、摩擦因数、膨胀速度）下的膨胀力变化情况,得出了膨胀参数与膨胀力的关系,为膨胀工具的设计及膨胀方案的优化提供了依据。     

膨胀管技术中膨胀力的理论计算

结合膨胀管材料的应力-应变试验曲线,考虑管材在膨胀过程中发生的应力强化现象,将膨胀管材看作幂强化模型,并采用单一曲线假设引入中间应力影响系数,将膨胀管在膨胀变形过程中的周向应力和等效应力联系起来,导出了管材膨胀过程中膨胀力的计算公式。应用该公式计算出的膨胀力与试验值和用有限元软件模拟计算出的膨胀力值很接近,其误差在-7.3%～-3.4%之间,验证了公式的合理性。     

可膨胀管工艺

可膨胀管(SET)工艺是国外开发的一项新技术，采用膨胀锥通过钢管就地膨胀，从而使钢管内径减小最少。它可以广泛地用于深水、深井、大位移井、分支井等的钻井和完井，还可用于采油、修井等作业中。文中在简要介绍膨胀系统的基础上，主要介绍了裸眼可膨胀尾管(OHL)系统、套管井可膨胀尾管(CHL)系统、可膨胀尾管悬挂器(ELH)，最后概述了其现场应用。利用可膨胀管工艺，可以最大程度地降低钻井和采油成本，提高产量。     

膨胀管可捞底堵的研制与仿真

针对膨胀管底堵处理的问题,研制了可捞底堵,具有普通底堵的封压效果,同时节约了底堵的磨铣工序,只需下打捞矛将底堵捞出井筒即可,且锥形底堵对膨胀管有二次膨胀整形的作用。对分瓣爪进行了理论强度分析,并对其工况进行了有限元仿真分析和优化。     

膨胀式尾管悬挂器在高压气井固井中的应用

固井作业中的环空漏失是高压气井及异常高压气井固井作业中所面临的难题,常规边漏失边固井的现场固井技术无法使固井质量得到有效保障,给后期开采作业带来安全隐患,甚至导致部分井的报废。鉴于膨胀管技术的进展及其优势,介绍了膨胀式尾管悬挂器的结构组成、工作原理与技术特点,并结合塔里木油田迪那2 8井的固井实例,分析了膨胀式尾管悬挂器在异常高压气井固井中的应用效果。结果表明,在异常高压气井应用膨胀式尾管悬挂器固井不仅质量良好,而且可以彻底解决卡瓦式尾管悬挂器在固井中的环空泄漏问题,施工工艺简单,安全性更高。该技术的应用为异常高压气井固井提供了新的途径。     

Simulation of Solid Tubular Expansion in Well Drilling Using Finite Element Method

Solid expandable tubular is an emerging and promising technology in petroleum industry. It consists of increasing the diameter of a tubular by hydraulically pushing or mechanically pulling a conical mandrel through it. In this paper, a dy namic explicit finite element analysis (FEA) has been used to study the solid tubular expansion using ABAQUS, a commercial FEA software package. The required drawing force for tubular expansion was estimated for different mandrel shapes, friction coefficients, and expansion ratios. The drawing force increases with the increase in friction coefficient and expansion ratio. It was also found that the material velocities increase on the front of the mandrel but decrease to zero in the post expansion section. Moreover, the plastic deformation shows a reduction of thickness with friction coefficient and expansion ratio. Simulation results also revealed that contact occurs at the two ends of the conical mandrel tubular interface and that the contact stress increases with friction coefficient reaches to maximum value at an expansion ratio of 20%.     

Simulation of Solid Tubular Expansion in Well Drilling Using Finite Element Method

Abstract

Solid expandable tubular is an emerging and promising technology in petroleum industry. It consists of increasing the diameter of a tubular by hydraulically pushing or mechanically pulling a conical mandrel through it. In this paper, a dy namic explicit finite element analysis (FEA) has been used to study the solid tubular expansion using ABAQUS, a commercial FEA software package. The required drawing force for tubular expansion was estimated for different mandrel shapes, friction coefficients, and expansion ratios. The drawing force increases with the increase in friction coefficient and expansion ratio. It was also found that the material velocities increase on the front of the mandrel but decrease to zero in the post expansion section. Moreover, the plastic deformation shows a reduction of thickness with friction coefficient and expansion ratio. Simulation results also revealed that contact occurs at the two ends of the conical mandrel tubular interface and that the contact stress increases with friction coefficient reaches to maximum value at an expansion ratio of 20%.     

膨胀筛管防砂技术研究

膨胀筛管技术是一种新兴的防砂技术,介绍了大通径膨胀筛管悬挂器、带有割缝的膨胀螺纹及具有变径功能的膨胀工具等膨胀筛管的几个关键技术。大通径膨胀筛管悬挂器能够确保变径膨胀工具的顺利下入,带有割缝的螺纹膨胀后与筛管本体具有一样大小的内径,变径膨胀工具使得膨胀筛管可以紧贴井壁,减少砂粒的运移和冲蚀。膨胀筛管技术在两口套损井中的防砂应用表明,在满足选井条件的情况下,采用膨胀筛管可以获得较好的生产效果,筛管膨胀后紧贴套管内壁,膨胀后筛管内径比普通筛管内径大,有利于增大泄油面积,提高油井产量。