1膨胀管技术简介
膨胀管是一种由低碳钢经特殊加工而制成的套管，由于含碳量低，膨胀管比普通套管柔性好、可塑性强，可以通过机械或者液压的方法使管体发生永久塑性变形，从而满足钻井施工中的特殊需要。膨胀管广泛应用于钻井、完井及修井等方面，在钻井方面主要用于弥补井身结构缺陷和封隔缩径、坍塌、井漏或高压层段。膨胀管技术在处理复杂地层和压力体系方面有独特的优势，并可以增加套管层次，简化井身结构。
可膨胀套管技术，就是通过在井下将钻井管柱径向膨胀，使其内、外径扩大， 实现使用同一尺寸的套管代替现行的多层套管，以提高应对多个复杂地层的封隔能力，提高作业成功率，降低钻井成本。
该项技术具有重要的意义：一是可以简便有效地解决复杂井段的井壁稳定问题；二是可以减少上部井眼的尺寸和套管层数，这样可以钻更深的直井和大位移井；三是可以修复老井被损坏的套管；四是可以大大降低钻井和完井成本。
2膨胀管在钻井作业中的应用
在钻超深井或在海洋深水区作业以及需要钻穿高压地层、枯竭层或易塌、易漏地层时，在常规作业中往往采取下中间套管进行的方式，以确保施工安全。但钻井越深，套管层数就越多，这样导致最终井眼减小，在有的情况下，还有可能导致不能按计划到达目的层。而且，由于要求最初的井眼直径很大，增加了对钻机负荷、钻井设备及钻井液处理能力的要求。采用膨胀管技术可以简化井身结构，减小套管层次，可避免这种情况的发生。
膨胀管技术可以为钻井过程中出现的复杂问题提供应急方案，尤其适用于钻进高压层、漏失层、泥页岩蠕动层、盐岩蠕动层。能封隔膨胀性页岩层和漏失层，防止井眼缩径。此技术还可以应用于多种类型的油井建井，能满足大位移井、侧钻井、水平井、多分支井以及小井眼井对井眼和套管尺寸的要求。用于老井侧钻时，可降低重钻成本，使套管内径损失最小。
3膨胀管技术原理
膨胀管是一种由低碳钢经特殊加工而制成的套管，根据其本体结构的不同可分为实体膨胀管和割缝膨胀管2种。实体膨胀管可通过机械或液压方式使膨胀锥从膨胀管柱中穿过，从而使管柱发生永久性胀大，膨胀率可达10%～30%。
对可膨胀管实施胀管的工艺过程，改变了可膨胀管的组织结构和机械性能，其强度指标得到提高，而塑性指标下降。通过选择或调整可膨胀管材料、控制膨胀率等技术手段，可在完成胀管过程后获得满意的机械性能指标，从而满足石油工程的使用要求。
膨胀系统采用机械膨胀装置——膨胀锥，使钢管发生永久性机械变形。在液力压差和（或）直接的机械推（拉）力作用下，驱动膨胀锥在钢管内产生移动，使钢管超过弹性极限发生塑性变形，膨胀到预定的内径和外径，同时保持应力在极限屈服强度之下。
通过连接膨胀锥的工作管柱（钻杆）泵送压差，机械力则由提升或下放工作管柱产生。膨胀系统的下部是薄壁、高强度的钢制金属筒，称作发射器，壁厚小于可膨胀管，内装膨胀锥。由于发射器壁薄，且外径与原有钢管的通径相同。因此，它可以通过原有管柱下入井眼。由于可膨胀管壁厚，膨胀后其外径大于发射器的外径，内径则与发射器的内径相同。
膨胀系统的上部是弹性涂层的悬挂器接头。当可膨胀管膨胀到原有钢管的内径时，该悬挂器就产生一个“非常稳固”的密封。
4优缺点分析
可膨胀实体管的优点：可用常规的顶替注水泥固井方法；机械性能较好，抗内压、外压及抗拉应力大，尤其抗内压的性能与未膨胀前基本一致；可用作生产套管；可用作尾管悬挂器。可膨胀实体管的缺点：膨胀性能差，最大膨胀率约25%；膨胀力大；对选材的要求高；成本较高。
5膨胀管构成 5.1材料
膨胀管的选材是实体膨胀管的又一个关键技术。各部件的材料应具有足够的强度、良好的塑性、良好的冲击韧性和抗腐蚀、磨损及环境断裂的性能。可膨胀管在塑性变形区域内膨胀，这就要求其材料在膨胀过程中应具有良好的塑性变形能力，低的屈服强度和屈强比、足够的抗拉强度、良好的塑性、冲击韧性和抗腐蚀、磨损及断裂等性能。所选钢材要与油气井井眼中的服役环境相兼容,各油田地质结构不同，套管在井内的服役环境也不同，因而对钢材的材质要求也不相同，如地应力、腐蚀和热效应。
5.2膨胀锥
膨胀锥是膨胀系统的主要结构，分为固定式和可变径式2种。由于管柱被下到井下几百米、甚至上千米再进行径向膨胀，膨胀锥要受到很大的界面应力，这就要求膨胀芯头具有硬度高、强度大、耐磨损和润滑性好，以及适宜的摩擦因数、合适膨胀芯头接触锥角及锥体结构，才能在钻井完井中保证膨胀作业的顺利进行。
5.3 膨胀管的螺纹连接
可膨胀套管之间的螺纹连接同样是可膨胀管的关键技术，如何保证在膨胀前、膨胀过程中以及膨胀后维持管子联接的力学性能和密封完整性，是关系到膨胀套管膨胀能否成功的一个重要方面。
因此可膨胀套管之间的连接螺纹必须是经过专门设计的特殊螺纹才能保证膨胀过程的顺利进行。螺纹结构具有以下特征：（1）接头采用直接加工在套管上，为无接箍式螺纹；（2）螺纹采用改进的偏梯形反扣螺纹，螺纹齿形为倒钩式，内外螺纹紧密咬合，强度高；（3）选用锥面/锥面密封形式，密封锥度为1：5，密封效果好；（4）外台肩采用15°的逆向扭矩台肩，辅助密封效果好，同时保证在膨胀过程中内外螺纹不分开；（5）接头内外完全平齐，加工时不需要对接头部位墩粗处理。对于这种特殊的螺纹连接形式，膨胀应从公接头端开始的，这样在膨胀过程当中，公接头先向外膨胀，使之能够保持和母接头适宜的螺纹接触。这样，才能克服上面提到的普通螺纹联接在膨胀过程中可能遇到的一系列难题，保证在膨胀过程的连接密封性能。
5.4 膨胀机构
要在油气井井眼中实现管柱的径向膨胀是一个新课题。在井下对几百米、甚至上千米的管柱进行膨胀，主要依赖于各个膨胀环节的有机配合。膨胀芯头要满足极高的力学性能要求，即具有很高的硬度、强度和耐磨性，同时还要有良好的润滑和适宜的摩擦因数。膨胀芯头的材料和结构参数，管体接触部分的形状以及管材接触面之间的润滑都很重要。实验证明，不同的膨胀芯头结构和不同的摩擦因数，对膨胀作业有直接影响，它直接关系到膨胀套管在膨胀后残余应力的大小，膨胀套管的轴向收缩量，膨胀套管的壁厚减少量，推
动膨胀芯头所需的液压力大小等。对膨胀机构的合理设计，保障膨胀作业的顺利进行，也是膨胀套管技术中的关键技术。
6膨胀管在K国RQ-183井的应用
6.1基础数据
SP266队施工的RQ-183井，9 5/8”套管下深11260FT，使用8 1/2”钻头+9 7/8”扩眼器(排量变化打开扩眼部位)钻具组合钻进至12325FT，下入7 5/8”膨胀尾管至12280英尺。共下入膨胀管 1228英尺，下入井段11052英尺-12280英尺。扩眼技术简介：使用RHINO REAMER和偏心钻头两种模式。
RQ-183井身结构图
8 1/2 X 9 7/8”扩眼器
起出后的扩眼器
7 1/2 X 8 1/2”BI-CENTRE 钻头 6.2为什么选择膨胀管
上一开次钻进泥浆比重 11.7PPG，油基泥浆体系。由于SHUAIBA地层承压能力弱，设计钻井液密度9.2-9.5PPG，水基泥浆体系。下边的ZUBAIR好几个细分层位，目的层是1 B的
lower层，1 B及整个上部ZUBAIR为SHALE地层，易剥落掉块造成井下复杂，钻此层需要比重12.4ppg的油基泥浆。甲方准备把shuaiba层位和上部的zubair一起封掉。由于两个层位完全不一样的岩性和地层压力，先下入临时膨胀管封隔漏层后，打完上部ZUBAIR后，统一下入长期7寸尾管。 Formation TopDepth (ft) MD 538TVD 538 TVD SS2931205200524084133535358936836762678318311878391441002510275102871035010370Thickness(ft) TVD912292840317251220540943790205480833361881250126320Mud WeightppgRemarksLower fars24\" CSG Dammam18 5/8\" CSG RusRadhumaTayaratHarthaSadiMutribaMishrifRumailaAhmadiMaBG568145056814509.5-9.68.8-9.18.8-9.18.8-9.18.8-9.18.8-9.110.8-11.5Spud MudWBMWBMWBMWBMWBMOBM18502250265343785598613870811850225026534378559861387081 13 3/8\" CGS 71117871807685609066950671117871807685569028938910.8-11.510.8-11.510.8-11.510.8-11.510.8-11.5OBMOBMOBMOBMOBM********************9 5/8\" CSG ShuaibaZubair 11424114831221410250102701052010.8-11.511.0-12.0WBMOBM7 5/8\" Expandable Liner 1A1B_UCH_Top1B_LCH_Top122721224912463126481054010532105951061511.0-12.011.0-12.011.0-12.0OBMOBMOBM7\" LinerTD12705106166 1/8\" Hole section from12705 ft (MD) to Well TD 13717 ft (MD) to be completed with 4 1/2\" ICD @ 90 deg deviation 13717106171037211.0-12.0OBM6.3井眼准备 由于本井页岩地层ZUBAIR的不稳定性（膨胀管下入ZUBAIR地层40英尺），为保证膨胀管顺利入井，在井眼准备阶段，需要通过随钻扩眼、测井、通井，确保井眼满足膨胀管技术施工要求。准备工作如下：
定向随钻扩眼后通过井径电测确保井径达到250.8mm以上，井眼轨迹平滑，无大狗腿、大肚子等突变井段。
测井后进行通井作业，通井钻具组合：215.9mm钻头+双母+215.9mm滚子划眼器+165.1mm短钻铤+215.9mm×250.8mm扩眼器+165.1mm短钻铤+215.9mm滚子划眼器+MWD+浮阀接头+旁通接头(PBL）+165.1mm钻铤+165.1mm 震击器+127mm加重钻杆+127mm钻杆。在3475m处有阻卡显示，进行反复的上提下放和划眼，确保井眼通畅。起钻前充分循环清洗井眼并在裸眼井段泵入润滑泥浆。
6.4 K井膨胀管类型
送井膨胀尾管为7 5/8” DXC扣膨胀尾管，公母扣上均带有密封圈，扣型为反扣，公扣在上，母扣在下，通径时从母扣端向公扣端通径，避免铁锈等杂物磨坏母扣内的密封圈，丈量通径后清洗丝扣，将护丝带好。
膨胀套管外观
膨胀管母扣端（无台阶，带保护套）
膨胀管公扣端（带密封） 6.5膨胀管的下入工序
膨胀管管柱分为外管柱和内管柱。
（1）外管柱的结构自下而上为：244.5浮鞋+碰压座+膨胀管发射器（膨胀锥、膨胀轴、扶正器、安全短节）+膨胀套管+膨胀悬挂器。
井口检查公母扣及对扣
浮鞋 +膨胀短节（内有膨胀锥+安全短节）
（2）在井口对浮鞋和膨胀管发射器做最后检查，与第一根膨胀管连接，采用人工引扣，无压痕套管钳进行上扣。
（3）膨胀管内部倒入密封胶液，下膨胀管每5根灌浆，最后三根再次灌满密封胶液。记录悬重。
（4）内管柱结构自下而上为：对扣接头+安全接头+挡泥器+88.9mm钻杆+挡泥器+88.9mm钻杆。将膨胀管对接管柱下入井内，井口调节高度。与膨胀锥上端丝扣对扣连接，通过上提管柱观察悬重变化确定是否完成对扣，记录悬重。
（5）下完内部管柱顶通循环，下钻速度控制在8m/min，下钻至244.5mm套管鞋循环。 （6）进入裸眼井段后控制下钻速度在5m/min，遇阻不能超过5t，出现遇阻情况时可开泵建立循环，如果还不能通过，考虑以转速10转/分下放通过，注意设置扭矩限制，低于膨胀管的紧扣扭矩，防止反扣螺纹倒扣。
膨胀管悬挂器
井控接头
3.2.3固井施工
膨胀管施工不同于常规固井施工，施工压力较高，施工时间较长，且膨胀施工时要求成立柱起钻，为保证固井及膨胀作业的顺利进行，要提前做好准备工作：
（1）准备好与固井管线连接的三通接头，全开式安全阀，1.5m短钻杆（盛放钻杆胶塞）；
（2）连接固井管线和立管闸门组前要清洗管线，确定没有杂物；
（3）由于上提膨胀作业10-15min一柱，所以水泥浆的凝固时间要大于12h； 3.2.4膨胀施工
RQ-183井共下入膨胀管 371.9m，下入井段3377.2m-3749.1m，膨胀管下到位并正常处理泥浆后，进行注水泥及膨胀作业，膨胀过程以立柱为膨胀单元，采用自下而上膨胀方式进行。其施工工艺如下：
（1）提前连接固井车，膨胀作业属高压作业，连接好后对管线进行试压42MPa，要求管线不刺不漏；
（2）固井水泥浆采用超缓凝体系，要求稠化时间在12h以上；
（3）替浆碰压后，在碰压压力1000PSI的基础上再将压力提高500PSI，发射膨胀锥总成；
（4）打压至3500PSI左右，膨胀过程开始，膨胀压力不超过3800PSI，游车提升速度控制在2m/min；
（5）进入与244.5mm套管重叠的地方，将压力维持在2800-3000PSI，游车速度控制在1.5m/min，如果悬重升高超过20t，可以适当提高压力至3500PSI，暂停游车，待悬重恢复正常后继续上提；
（6）接近膨胀悬挂器位置时，将游车速度降至1m/min，专人观察泥浆返出情况； （7）一旦压力释放降为0MPa，并振动筛有突然大量返出，说明膨胀完成，继续循环10min，关闭封井器进行膨胀管试压7MPa，稳压10min合格，循环至振动筛干净。
起出膨胀锥
膨胀过程的VDX记录
（8）电测井径确认膨胀效果，见下表
K国RQ-183井膨胀管基本数据
参数 膨胀前 膨胀后
（8）电测后，配190.5mm平底磨鞋钻具组合，下钻钻穿浮鞋，为下一开7 1/2”×8 1/2”井眼做准备。
外径/mm 193.68 215.39 通径/mm 171.52 194.91 管体抗压/MPa 内压 51.5 40.1 外挤 27.5 25.8
膨胀尾管在裸眼井中的完井程序
7.膨胀管技术展望
膨胀管是石油钻采方面一项重要的核心技术,随着膨胀管技术普及和价格走平完全有可能大规模代替普通套管。因此推广膨胀管技术是进行一场石油钻采的技术革命。产业升级的关键是技术升级，首要是创新和掌握核心技术，开发膨胀管能“以技术换石油”。
膨胀管技术的引进和在国内的发展，必将引起钻井技术的进步，从而为进一步降低钻井成本及完井工程的综合成本、优化井身结构、减少井下复杂情况、增大完井井径及套管修复，提供了最新的解决方案，其推广应用必将带来可观的经济效益。
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