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国内膨胀管技术的现状与发展方向

发布时间:2016-11-14 21:27:09 浏览:411 次 字体大小: | |

    摘要:实体膨胀管技术在钻井、完井、修井等油田生产中的应用日益广泛,国内外有多家单位进行研究,并进行了相当数量的生产实践,取得了很好的经济效益。本文对实体膨胀管基本原理及力学特征,国内外膨胀管技术的应用范围和发展现状进行了介绍,并对该技术在未来的发展方向提出了展望。

    关键词:实体膨胀管 膨胀管套管补贴 耐高温膨胀管 膨胀式尾管悬挂器

    目前,实体膨胀管(简称膨胀管)技术在钻井、完井、修井等油田生产中的应用日益广泛,特别是膨胀管套管补贴技术已经在国内多个油田得到了广泛的应用,取得了很好的经济效益。膨胀管是一种由特殊材料制成、具有良好塑性的金属钢管,下入井内后进行膨胀,在冷作硬化效应下,管材强度和刚性得到提高,膨胀变形后的机械性能达到API套管钢级水平。该技术于20世纪80年代诞生于壳牌石油公司,90年代末达到商用水平。目前国外有多家石油技术服务公司可以提供膨胀管的技术服务,其中最著名的是壳牌与哈里伯顿合资的伊万奇公司。膨胀管技术是较长时期内钻采装备和工艺领域内的关键技术,其用于处理钻井中的高风险地层;完井作业中可用于分支井完井、水平井完井、欠平衡完井、膨胀筛管防砂完井等;在采油修井作业中用于套损修复和封隔漏失层等。本文对膨胀管技术基本原理、国内外应用范围和现状进行了介绍,并对该技术在未来的研究方向提出了展望。

    一、膨胀管基本原理及力学特性

    在钻井或修井施工过程中应用膨胀管技术时,首先将金属管柱与膨胀工具一起下入井眼中,然后利用机械力或液压力拉动或推动膨胀工具在管柱内部沿管柱轴向运动,对整个管柱进行径向膨胀,使其发生永久塑性变形,整体达到设计直径尺寸,以实现节省井眼尺寸的目的。将膨胀管应用于生产实际,必须突破膨胀管材、膨胀锥、膨胀螺纹以及膨胀力控制4大技术难题。

    1.膨胀管材

    膨胀管材是膨胀管的核心技术,也是膨胀管技术的基础。膨胀管要在井眼中被径向膨胀,之后还要在严酷的井底环境中服役,这些都对膨胀管管材的选用提出了很高的要求。膨胀前,要求管材具有适当的强度,良好的塑性变形能力,易于膨胀变形,即要求软,胀得开;膨胀后,要求管材具有足够的强度、抗腐蚀性、耐磨损等性能,具备普通套管的性能,即要求硬,撑得住。

    一膨胀管选材通过数值模拟、几何参数优化、材料分析以及实验验证的等科学方法对管材的化学成分、机械性能、热处理状态和尺寸公差等问题进行研究,可得出管材的基本选材设计方法。

    膨胀管材膨胀后,抗内压强度增加,抗外压强度下降。影响膨胀管强度的主要因素有包辛格效应、几何尺寸不规则性和径厚比。包辛格效应可以通过选择合适合金成分、热处理改善金相组织;选择合适的塑性变形量;选用低钢级管材等方法进行控制。几何尺寸不规则性主要指管材的圆度、壁厚允许偏差等,限制了膨胀后抗挤强度的进一步提高。膨胀后管材的径厚比越小,抗外压强度越高。通过利用数值模拟的方法,可对薄壁管材膨胀过程中的应力变化、膨胀后的应力残余以及在非对称受压情况下的抗外压强度进行分析。膨胀管材料设计原则是在保持高塑性的同时,确保高强度,其核心是保持管材膨胀后的抗外压强度。

    2.膨胀锥

    膨胀锥是实现膨胀管径向膨胀的核心部件。目前应用的膨胀锥分为固定式和可变径式。固定式工具简单,可靠性高,但工艺性相对较差,工具需承受较大的轴向载荷和摩擦;可变径式工具较先进,对不整合面作用好,但结构复杂,可靠性较低。膨胀锥的结构设计主要分为3个部分:润滑辅助区、膨胀区和定径区;主要的几何设计参数包括:润滑辅助区的直径与长度、膨胀区的长度与锥角、定径区的直径和长度等。目前,国内应用主要以固定式膨胀锥为主,膨胀锥的使用寿命也大于几百米达到近千米,可基本满足生产需求。

    3.膨胀螺纹

    膨胀螺纹是膨胀管连续长距离膨胀,实现管柱长段工作的关键技术。膨胀管使用的联接技术要求在膨胀前、膨胀过程中,以及膨胀后都保持其结构和密封完整性。现有的油田用套管联接无法满足这些要求,必须开发专用的膨胀螺纹和膨胀管联接机构。目前,国内已经开发出多种尺寸规格的液体密封膨胀螺纹和膨胀管联接机构,并已在生产中大量应用。

    4.膨胀力控制

    膨胀力控制是膨胀管技术水平的重要衡量指标之一。膨胀力的大小与膨胀管技术可靠性直接相关,过高时无法保证生产安全;过低时则有可能发生胀后回缩增加、强度下降等问题。影响膨胀力控制的主要因素有:膨胀锥角度、管材材质和热处理、减摩内涂层性能以及膨胀率选择等。

    二、国外膨胀管技术应用与现状

    膨胀管技术始于20世纪80年代末到1990年初,工作的重点主要集中在管材实现膨胀变形的可能性研究,1993年在挪威进行了第一次概念性试验;1993-1998年,主要集中在选择和研制出既能实现管径膨胀变形,又能在完成膨胀变形后仍然符合API标准要求的管材和螺纹连接,以达到工程应用水平。1995年,壳牌和日本Daido公司合作研究膨胀接头,1998年壳牌和美国Grant Drideco公司合作,研究膨胀螺纹连接。1998年12月Shell和Halliburton公司合资成立了Enventure公司。1999年3月在美国休斯顿进行了模拟井下试验,1999年11月Chevron进行了第一次现场应用试验。20世纪末期基本上达到了商业化应用水平。

    目前国外多家石油技术服务公司可以提供钻井膨胀管的技术服务,有Enventure、Halliburton、Weatherford、Baker I-Iughes、俄罗斯Tatnipinefi设计院等(见表1)。

    表1    国外膨胀管技术服务商

国外膨胀管技术服务商

    国外膨胀管技术发展较早,整体技术水平高,实施数量巨大,其应用范围主要包括:套管补贴、堵漏及层系封堵、裸眼完井以及膨胀式尾管悬挂器等,其中在钻井上等直径钻井也已经进入现场试验阶段。

    在中国大陆进行的与实体膨胀管相关的技术服务,以Enventure公司最为广泛、最具代表性,其技术先进、价格昂贵。

    三、我国膨胀管技术现状和特点

    我国膨胀管技术研究开始于2001年,目前有多家单位从事膨胀管技术研究,并提供生产技术服务。这其中具有代表性的单位主要有:中国石油勘探开发研究院采油采气装备研究所、中国石油钻井工程研究院钻井机械所、大庆油田第四采油厂、大庆油田第五采油厂、中国石化胜利油田钻井院、中国石油大学(北京)以及天津大学等。

    中国石油勘探开发研究院采油采气装备研究所(简称装备所)于2001年国内最早立项开始膨胀管技术研究(国外1993年);2003年国内最先实际应用膨胀管进行套管补贴(国外1999年);2005年国内率先突破膨胀管螺纹连接技术;2008年国内最先突破热采井耐高温膨胀管技术。装备所膨胀管技术拥有完全自主知识产权,是目前国内生产应用范围最广、整体技术水平最高、最具代表性的膨胀管技术。

    经过多年的发展,装备所在修井、钻井、完井等多个方面进行了膨胀管相关的技术研究。其中,具有代表性的研究工作主要包括:常规膨胀管套管补贴技术、水平井专用膨胀管工具、封堵调层专用膨胀管、热采井用耐高温膨胀管、膨胀式多分支井定位器、膨胀套管裸眼系统、膨胀式尾管悬挂器以及知识产权和标准化工作等8方面内容。

    1.在修井领域的应用

    1)常规套管补贴技术的研究与应用

    随着国内油田开发进入到中后期,套损井情况日益严重,原有的套损修复技术已无法满足生产需求,迫切需要一项工艺简单、成功率高、费用低的套管补贴技术。膨胀管套管补贴技术与波纹管补贴工艺技术相比,能显著提高补贴管抗内、外压能力;与化学堵剂封堵工艺技术相比,具有有效期长、成功率高的特点;与爆轰法补贴和密封加固工艺技术相比,具有密封可靠、补贴段通径大、能实现长段补贴的特点;与取套、换套工艺相比,有施工简单、成本低的优点。因此,膨胀管技术应用于套管补贴具有明显优势。

    2001年开始,装备所在跟踪国外先进技术的基础上在膨胀管材、膨胀工具、联接螺纹等方面都取得了一定认识,逐步开发出膨胀管套管补贴技术,并通过结合现场应用,创造了一系列的施工长度、次数和工况纪录:

    国内最大规模工业化应用的膨胀管补贴技术,服务9家油田,施工266口井(285段);

    国内最长段膨胀管补贴纪录,连续补贴150. 7m;

    国内率先在斜井上成功施工;

    国内最深井膨胀管补贴技术,3300m(设计满足5500m);

    国内最先进行ERW膨胀管研发;

    具有特殊的防砂施工技术,应用于严重出砂井,成功率100%。

    (1)技术现状。

    目前,装备所已经拥有多种材料性质和型号的膨胀管材,可满足不同油井工艺工况的要求,并具有机械性能优异,超过J55套管钢级,膨胀压力低,价格较国外同类产品低廉等优点。国产管材的开发成功,打破了国外公司膨胀管管材技术垄断,在国内率先实现了膨胀管技术的完全自主知识产权,为膨胀管技术国内工业化规模应用打下了坚实基础。

    装备所的膨胀管材达到的技术水平主要有:多种尺寸型号,可用于4in、5in、7in、9in及其他特殊尺寸套管修复,国内最全;最小壁厚5mm,5in套管修复后通径112mm,超过美国伊万奇公司6. 35mm技术水平,处于国际领先;膨胀压力低于国内同类产品5MPa以上,国内最低,满足油田推广应用的施工要求,达到国际同类产品水平。

    膨胀联接螺纹达到的技术水平主要有:多种尺寸型号,可用于4in、5in、7m、9in及其他特殊尺寸套管修复,国内最全;可靠性高,井筒施工连续膨胀19组膨胀联接螺纹( 150. 7m),成功率100%,国内领先;最薄管壁6.35mm,抗液体外压不小于17MPa,抗液体内压不小于45 MPa,性能指标达到国外同类产品水平。

    膨胀管套管补贴工具达到的技术水平主要有:可用于5in、7in、9in及非标套管修复;5in套管修复后通径达到Φ108mm(最大Φ112mm);膨胀管抗内压91MPa,抗外压51MPa,超过J55钢级;膨胀螺纹抗内压不小于45MPa;抗外压不小于15MPa;补贴加固长度已达到150. 7m;悬挂力不小于450kN;最大工作温度不小于300℃。

    (2)应用情况。

    截至2009年,该技术已经在大庆油田、胜利油田、辽河油田、华北油田、冀东油田等9家油田得到了现场应用,施工总井数超过260口,是国内唯一规模化应用的膨胀管技术。装备所与大庆油田第四采油厂、井下作业分公司和第五采油厂合作,仅在大庆油田现场应用的井数就超过了210口(见表2)。

    表2    中国石油勘探开发研究院膨胀管国内应用情况

中国石油勘探开发研究院膨胀管国内应用情况

    主要代表性应用案例包括:

    大庆油田杏5-4-33井,国内技术施工最长纪录150.7m;

    华北油田晋45-324井,补贴长度64.5m;

    辽河油田曙3-2-01井,7in套管补贴长度45.6m;

    大庆油田深芳701井,国内技术第一口气井施工;

    冀东油田m23-5,国内技术第一口斜井施工;

    辽河油田曙1-06-012井,热采井耐高温补贴第一口井。

    2)高温热采井用耐高温膨胀管技术

    常规膨胀管套管补贴技术通常采用橡胶密封的方式实现修复后井筒密封,最大工作温度不大于140℃,无法满足辽河、塔里木等油田热采井、深井等高温井套损修复的需要。根据这一生产需求,装备所经过技术攻关,解决了金属材料优选、密封结构设计、加工工艺和热处理工艺等技术难题,研制出基于金属密封和复合密封的耐高温膨胀管技术。

    该技术已经达到的技术指标主要有:最大工作温度不小于300℃;单组金属密封,液体密封压力不小于17MPa;单组金属密封,悬挂力不小于100kN;膨胀工作压力不大于45 MPa。目前,耐高温膨胀管工具(300℃)的室内试验已经完成,蒸汽吞吐耐高温寿命试验正在进行中。

    2008年底,该技术已经在辽河油田曙1-06-012井(热采井170℃)套管补贴施工现场应用,获得成功。该井由于套损停产,采用耐高温膨胀管技术修复后投产,日产油16t,经济效益显著。

    3)长段腐蚀套管修复的膨胀管技术方案

    长庆油田由于受Cl-腐蚀造成套管大段的损坏,严重影响了油气田的正常生产。由于腐蚀套损段通常长达500~ 700m以上,常规的修井技术无法解决这一问题。目前,长庆油田通常采用的修复办法是在生产射孔段的上方,选择腐蚀相对较轻,剩余套管质量较好的管段,下入封隔器+油管至井口完井,恢复生产。由于封隔器坐封段套管腐蚀缺陷严重,该方案目前普遍存在坐封有效期,作业频繁甚至无法有效坐封等缺点。如果采用长段膨胀管对腐蚀套管段进行整体补贴,可有效重建井筒,修复后的密封性、强度、寿命等都最好,但受单井成本的限制,难以规模化应用。

    针对这一难题,装备所利用膨胀管技术优势,提出了膨胀管套坐封技术,为长段腐蚀套管修复提出了新的思路。该方案采用膨胀管套管补贴技术在生产射孔段的上方,补贴10~15m的膨胀管,作为封隔器的坐封段,使用油管完井恢复生产。该技术具有密封可靠,悬挂牢,封隔器坐封寿命长等优势,可有效延长作业间隔,保障正常生产。

    4)封堵调层专用大通径膨胀管技术

    随着油田开发进入高含水期,堵水及层系封堵的生产需求越来越多。目前采用的下封隔器、爆炸式机械堵水以及化学堵水等常规堵水工艺都存在明显不足,已不能满足生产需要。膨胀管具有承压效果好,封堵井段通径大,深度、长度不受限制,可重新射孔打开等优点,非常适用于堵水及层系封堵。

    常规套管补贴用膨胀管对修复后的套管强度要求较高,因此一般膨胀管材壁厚在6. 35~10mm之间;相应的,修复后内径损失两倍壁厚值,即12.7~20mm。为了进一步增大修复后通径,采取了减少膨胀管材壁厚,适当牺牲修复后的强度的办法,使其既满足封堵调层的强度要求,又能获得最大的修复后通径。目前,装备所已研制出5in套管薄壁大通径封堵调层专用膨胀管。其主要技术指标包括:修复后内径大于112mm;管材外径114mm,壁厚5mm;抗液体内压大于35MPa,抗液体外压大于15MPa。

    5)斜井、水平井膨胀管套管补贴工具

    目前,国内外膨胀管套管补贴作业中,大部分设计为打压后膨胀锥推动投送管柱(油管或钻杆)上行,液体压力必须对抗管柱重力、管柱与套管内壁的摩擦力。在斜井、水平井施工时,随着井斜角度的增加,管柱摩擦力急剧增大,将导致膨胀力过大,降低施工可靠性。因此,常规的膨胀管套管补贴工具无法满足斜井、水平井套管修复作业需求,必须研制斜井、水平井专用的减摩膨胀工具。

    针对管柱摩擦阻力大的难题,装备所重新设计了膨胀管内部结构,将全部运动机构内置于投送管柱,从根本上解决了管柱摩擦问题,研制出了内置拉杆的水平井专用膨胀管补贴工具。该工具具有以下技术优势:大钩悬持管柱,管柱补贴位置更准确;膨胀锥为自上而下膨胀,方便后续事故处理;在膨胀过程中,行走部件全内置,无额外摩擦阻力,膨胀压力最低,接近地面试验值;上丝堵倒扣丢手打开通道,免钻,节省下一趟管柱。

    2.在钻、完井领域的应用

    1)膨胀管在侧钻井中的应用——膨胀套管裸眼系统

    现有常规5in井筒侧钻水平井通常采用下入3in油管或4in无接箍套管,注水泥或光管完井;存在固井质量无保证,井筒内径过小,后续作业困难等难题。

    装备所综合实体膨胀管、自膨胀橡胶、膨胀管定位器、膨胀式尾管悬挂器等4项优势技术,提出了膨胀套管裸眼系统技术(见下图),为侧钻井发展提出了一个新思路。

    该方案为5in套管下入多分支井膨胀式定位器,打压定位后,开窗侧钻水平井;下入膨胀套管作为完井套管,膨胀套管底部可循环;碰压后,膨胀套管打压依次膨胀,直至尾管完成悬挂,井筒可获得105mm以上内径;膨胀套管外设遇油(或遇水)自膨胀橡胶,用于封隔水层、密封井筒。

膨胀套管裸眼系统示意图

    膨胀套管裸眼系统示意图

    2)膨胀管在多分支井中的应用——膨胀式定位器

    常规多分支井的开窗定位技术存在主井筒剩余通径小、定位悬挂不牢、重入不可靠等缺点。膨胀管技术具有通径损失小、悬挂力大、坐挂可靠的优点,在多分支井定位技术上的应用具有天然优势。装备所利用膨胀管技术优势,研制了基于膨胀式定位器的多分支井技术。该技术主要优势包括:膨胀式定位器,悬挂牢,定向可靠;主井筒通径最大(明显优于国外同类方案);支井选择性重入可靠(四级完井情况下,优于国外设计);支井数目、支井间距不受限制(适用于新井、老井侧钻)。

    目前,装备所已拥有5in、7in及9in系列的分支井完井工具和工艺技术,形成了具有独立知识产权的膨胀管定位分支井技术。并先后在渤海埕北油田和南堡油田现场应用4口井,获得成功。

    3)膨胀管在完井中的应用——膨胀式尾管悬挂器

    常规尾管悬挂器存在尾管重叠段固井质量差的问题,随着深井、超深井、水平井等特殊井的不断增多,井况更加复杂。在这种恶劣的井况下,常规尾管悬挂器时常出现坐挂、坐封失效等情况,严重影响完井成本和效率。装备所利用膨胀管技术的优势,针对常规悬挂器的不足,研制了膨胀式尾管悬挂器。该技术具有坐挂安全可靠,悬挂牢、密封性好、寿命长,注水泥过程中可活动尾管等优势。

    3.知识产权和标准化

    经过多年的研究和创新,装备所膨胀管技术拥有完全自主知识产权,已经累计获得17项专利,其中6项发明专利,11项实用新型专利;发表论文7篇;主持和参与了3项行业、企业的膨胀管标准制定工作。

    四、膨胀管技术未来发展方向

    膨胀管技术被誉为“21世纪井筒革命性技术”,有着广阔的发展空间。从目前的生产实际需求出发,本文重点关注的膨胀管技术未来发展方向主要有4个方面:先进膨胀管材,满足热采井工况的耐高温膨胀管,多样膨胀方式研究,以及回归钻井——在漏层封堵和单一直径井上的发展。

    1.先进膨胀管材研究

    膨胀管材是膨胀管技术的基础,膨胀管技术应用范围的扩大,技术指标的提高,都依赖于更高性能的膨胀管材。先进膨胀管材主要是指:更多系列型号、尺寸规格的膨胀管材;高性能、低成本的ERW膨胀管,应具有高强度、膨胀可靠、壁厚均匀等优点;抗CO2、H2S腐蚀的特殊膨胀管材。

    2.满足热采井工况的耐高温膨胀管

    现有基于金属密封和组合密封的耐高温膨胀管技术最大工作温度不小于300℃,已应用于热采井套管补贴。但耐高温膨胀管应用于注气段套管补贴和封堵调层,在高温蒸汽吞吐环境下的寿命,仍需进一步的研究。耐高温膨胀管技术的关注热点是非金属密封材料和记忆合金材料。

    3.多样膨胀方式研究

    现有生产应用的膨胀工具以实体膨胀锥和定径辊子膨胀锥为主,不能完全满足悬挂器、裸眼系统等新的膨胀管应用领域的技术需求。因此,下一步将对可变径滚压膨胀锥、复合变径膨胀锥、步进膨胀机构以及旋转丝杠膨胀机构展开研究。

    4.回归钻井——漏层封堵和单一直径井

    膨胀管技术最初源自钻井的需求,最先应用于套管补贴等修井作业;在未来,膨胀管技术依然会回归钻井,在漏层封堵、单一直径井等钻井作业中得到广泛应用,这也是未来发展的方向。