API J55套管的膨胀性能分析

可膨胀的套管管材是膨胀套管技术的核心技术之一。模拟井眼中的套管膨胀力学环境，对3根国产114.3 mm API J55套管（壁厚6.35 mm）在原始状态和热处理状态下分别进行了径向6.2％及16.5％的膨胀试验，对膨胀前后套管的几何精度、材料相关性能及套管的实物性能进行了检验。发现标准API　J55套管在进行幅度为16.5％的径向膨胀后，仍然具有较好的基本性能指标，但同时发现该种套管由于材料性能方面的原因，存在变形困难的问题，还发现套管在膨胀后抗挤强度下降显著。分析结果对于可膨胀套管管材研究具有重要参考价值     

实体膨胀管开发及修井应用技术研究

中原油田是复杂断块油田,套管损坏对油田开发后期带来了严重影响,2005年以来研究开发了实体膨胀管补贴套管技术,在膨胀管材料,连接技术、密封技术、膨胀工艺等方面的研究取得了突破,具有修复后内通径大、密封可靠、强度高、耐腐蚀等优点,整体技术达到了国际先进水平,并在套管堵漏、封堵出水层及套管加固等方面进行了应用.截至2008年底,已经成功应用21口井,下井最大深度3450 m,补贴最长井段53 m,形成了适应深井、高温高压、高矿化度井的膨胀管补贴技术,可进一步推广应用.     

石油膨胀管材料的设计准则

石油膨胀管是现代石油工业领域新兴的一项技术,被称为21世纪石油套管的一次技术革命。通过大量的实验研究,介绍了石油膨胀管材料铁基膨胀合金的设计准则,即膨胀管材料应具备高塑性、高强度和高加工硬化率等3个特点;提出了新概念“材料的强塑性”。为了便于设计石油膨胀管材料,推导了铁基合金ε马氏体的相变起始温度Ms(ε)的计算公式。     

■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。     

膨胀管技术在钻井过程中的研究与应用

膨胀管技术在钻井过程中主要用于解决漏失、套管下放不到位和高低压同层等问题。该技术不减小上层套管内径尺寸,原钻头及钻柱组合无需改变,特别是在深井和超深井的钻井中,膨胀管技术可封堵问题层段,并提供足够的作业通道。在介绍膨胀管技术发展现状的基础上,针对203.2 mm×244.5 mm规格的膨胀管串进行了组装和试验测试,结果表明优质膨胀管的膨胀率为21.3%,内通径达到222 mm。同时对管材膨胀后的抗内压和抗外压进行了测试,分别达到35和25 MPa,均未出现螺纹密封泄漏和塑性形变。最后在介绍膨胀管技术施工工艺的基础上指出,膨胀管技术可在不改变原有井身结构的条件下处理钻井遇到的问题,达到节约钻井成本、延长钻井深度的目的。     

ERW套管用作膨胀管简析

介绍了膨胀管膨胀后各项指标的变化情况,并对强度变化的原因进行了较为详细的分析;通过ERW焊管与无缝管相关质量标准的对比,分析了ERW焊管用作膨胀管所具有的优势,并指出,ERW焊管相对于无缝管具有较多优点,基于膨胀管技术对管材的要求,ERW套管用作膨胀管要优于无缝管。     

可膨胀套管技术发展及在吐哈油田的应用

可膨胀套管的原理是通过冷拔钢管达到井下需要的尺寸，利用坐放装置将膨胀套管下入井内后，在扩管锥的作用下，在井下通过冷加工将石油管材扩到所需要的尺寸。膨胀后，膨胀管的壁厚要减小2％～5％。其直径可以膨胀约20％，其长度缩短约8％，塑性变形极限不超过30％。温西10-39井的实践证明，膨胀管技术对解决套管补贴等方面的技术难题提供了新的方案。     

数值模拟法在膨胀套管修复套损井技术中的应用

为了分析膨胀套管在套损井修复过程中的应力、应变及残余应力情况,剖析膨胀过程中管材内部变化规律,利用ANSYS软件建立了膨胀套管在套损井修复应用中的有限元模型,优选模型的边界条件,进行模型的数值模拟分析.数值模拟结果直观地反映了管材膨胀过程中的应力一应变情况,结合实验室台架试验及现场施工,总结出可在制管、套管膨胀和后处理3个阶段采取有效措施消减残余应力;膨胀套管在高压液体作用下发生二次形变后.内径尺寸比膨胀锥的外径单边增加0.9～1.3 mm,据此修正了膨胀锥、膨胀套管和原套管尺寸间的经验公式.在华北油田京708井采用膨胀套管技术修复套损井,施工完成后,产油量增加,含水率降低,达到施工要求,表明膨胀套管补贴套损井技术的有限元数值模拟分析符合油田现场施工的需求.     

实体膨胀管力学行为试验研究

膨胀管的膨胀过程是一种高度非线性行为,解析方法虽然可以近似求出变形力的大小,但很难对膨胀过程进行全面求解。为了较精确、全面地研究膨胀管膨胀过程,一般是采用数值模拟或实验方法。文中通过一组试验,比较详细地研究了膨胀管膨胀变形力、膨胀后套管轴向缩短量、膨胀后套管壁厚减小量、膨胀后套管的抗拉强度、屈服强度与膨胀工具模角及套管膨胀率的关系,得到了它们之间相互制约的变化规律。这些规律将为膨胀管材料的选择、膨胀工具的结构和强度设计、膨胀系统整体设计及膨胀工艺的制订提供有效的参考数据。     

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。     

实体膨胀管切割和打捞一体化管柱研制与应用

当补贴的套管失效后,需要打捞实体膨胀管,常用的管柱内捞工具和切割工具都存在问题.研制了膨胀管切割和打捞一体化管柱,以及水力式内割刀和可退式倒扣捞矛,用于膨胀管的切割和打捞,在遇卡时还可上击解卡,安全退出.现场应用5井次,打捞成功率100％,并缩短了施工周期.     

J55套管的膨胀性能研究

膨胀管技术是21世纪石油钻采行业的核心技术之一,掌握膨胀管在径向膨胀过程中发生永久塑性变形的力学性能变化是膨胀管选材的核心。为此,采用膨胀锥自上而下对J55套管（Φ114.3 mm） 进行了膨胀工艺试验,测定并比较了9.3%的径向膨胀后与膨胀前的力学性能。研究结果揭示了J55套管的膨胀性能：套管的长度减小约4.4%,壁厚减小约6%,不均匀变形程度增加;由于加工硬化,套管的洛氏硬度和抗拉强度增加,而断后伸长率和断面收缩率出现不同程度下降,但均满足API SPEC 5CT标准。断口SEM形貌进一步表明膨胀前后均属于韧性断裂,膨胀后断口上的韧窝小而浅,且分布不均匀,断面较膨胀前的更为平整。该试验成果为膨胀管的材质研究、加工质量控制与工程应用提供了数据支持。     

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。     

膨胀悬挂器技术在石油工程中的应用

膨胀悬挂器作为膨胀套管技术的衍生产品,能够有效地对尾管头和套管重叠段进行密封,优化侧钻井窗口深度,拓宽悬挂器的应用范围。胜利油田已开发出套管膨胀悬挂器、筛管膨胀悬挂器和旋转尾管膨胀悬挂器3种类型,并实现产业化应用,涉及钻井、完井和修井等领域。通过分析膨胀悬挂器的结构特点、工作原理、技术参数及技术优势,结合现场应用情况,对膨胀悬挂器进行结构优化设计,取得了较好的应用效果。     

膨胀管壁厚计算研究

膨胀管技术是在井下以机械或液压的方法使管材永久变形、完成油气井建井的技术。它不仅使井身结构产生变形，还大大降低油气井建井成本。管体膨胀后的壁厚是计算抗挤强度的关键要素，根据金属材料冷变形的原理，在对管柱膨胀进行力学分析的基础上，结合金属材料冷变形的体积不变原理，应用管子膨胀时的应力-应变关系推导出膨胀管壁厚变化的计算公式，同时编制了壁厚变化的计算软件。实验数据和计算结果的对比验证了该计算公式是可靠的。     

膨胀尾管悬挂器研究及应用

常规尾管悬挂器由于密封性能差、内通径小等问题很难满足生产需要,为此,对悬挂及密封材料、液压及机械相结合的膨胀机构、膨胀方式、爆破盘等关键技术进行了研究,研制了膨胀尾管悬挂器.介绍了其结构和工作原理,阐述了其技术优点:该技术把膨胀套管技术应用到尾管完井领域,密封悬挂机构采用高强度橡胶材料,膨胀方式采用液压和机械相结合、由上至下的膨胀方式,设计了爆破盘.为检验膨胀尾管悬挂器的性能指标,进行了膨胀尾管悬挂器室内试验,验证了膨胀尾管悬挂器的基本性能.在王102-侧54井进行了侧钻井现场试验,悬挂φ95 mm尾管901.67 m.膨胀尾管悬挂器集尾管悬挂器及上封隔器于一身,有效解决了尾管头漏失问题,且悬挂密封可靠,内通径远大于尾管内径,是尾管完井技术的最新发展方向.     

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。     

膨胀管套管补贴工艺及在胜利油田的应用

膨胀管补贴技术可用于大井段套管修复，完全不同于现有的波纹管套管补贴技术及补贴加固技术，在套管修复以后其内径减小量很小，能承受的抗压强度是其他方法不能比拟的。膨胀管密封悬挂技术采用耐高温、高强度橡胶材料，膨胀后紧密地与原套管内壁接触，从而达到密封与悬挂的目的。2005～2006年，该技术在胜利油田4口井推广应用，其中，梁38—1井超百米井段补贴获得成功。     

过套管补贴技术研究与应用

针对膨胀管补贴后的套管段内径变小,无法实现该处套管以下套损部位补贴的问题提出过套管补贴技术。该技术使用活塞液压缸作为动力系统,液力锚定器作为锚定系统,将膨胀工具外置于膨胀管,进一步提高膨胀管的通过性与膨胀率。室内试验与现场应用表明:该技术使用的工具结构简单,装配方便,膨胀管与套管之间为全段金属密封,8%膨胀率的膨胀管与1 m套管之间悬挂力超过80 kN;动力系统能够承受30 MPa压力,满足使用要求;现场应用工艺设计合理,能成功解决已补贴段套管内径过小、待补贴位置难以精确定位的问题。