膨脹管技術(shù)在鉆井與壓裂領(lǐng)域研究進(jìn)展

鐘勇(中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧 盤錦 124010)

0 引言

膨脹管技術(shù)主要是采用一種具有良好塑性的金屬套管，在液力或者機(jī)械驅(qū)動(dòng)下在井下發(fā)生徑向脹大，來(lái)解決石油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的復(fù)雜地層封隔、尾管完井窗口密封、套損井補(bǔ)貼修復(fù)等工程技術(shù)難題。目前國(guó)內(nèi)外均成立了專業(yè)研究機(jī)構(gòu)與技術(shù)開(kāi)發(fā)推廣公司，形成了尾管懸掛封隔器、套管補(bǔ)貼修復(fù)、可膨脹襯管重復(fù)壓裂、裸眼補(bǔ)貼等直徑鉆完井技術(shù)和金屬管外封隔器等系列技術(shù)。其中膨脹式尾管懸掛器、裸眼補(bǔ)貼技術(shù)和套管補(bǔ)貼修復(fù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模推廣應(yīng)用。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)結(jié)合石油鉆完井熱點(diǎn)問(wèn)題，推動(dòng)膨脹管技術(shù)向鉆井、壓裂等領(lǐng)域拓展，膨脹管技術(shù)取得的新進(jìn)展為該項(xiàng)技術(shù)注入了新的活力，其使用價(jià)值也將進(jìn)一步得到增強(qiáng)。

1 膨脹管技術(shù)在鉆井領(lǐng)域最新進(jìn)展

1.1 國(guó)外等直徑膨脹管裸眼補(bǔ)貼技術(shù)

等直徑膨脹管鉆井的理念提出于1999年，并于2002年開(kāi)展了原理性試驗(yàn)。該項(xiàng)技術(shù)是膨脹管技術(shù)發(fā)展和鉆井井身結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，當(dāng)深井鉆遇復(fù)雜地層時(shí)，可作為臨時(shí)技術(shù)套管進(jìn)行機(jī)械封堵，無(wú)需改變鉆頭尺寸和井身結(jié)構(gòu)繼續(xù)鉆進(jìn)，避免常規(guī)逐級(jí)變小的錐形井身結(jié)構(gòu)，有利于把井鉆得更深，最終實(shí)現(xiàn)建井成本的大幅度降低。據(jù)報(bào)道，國(guó)外膨脹管技術(shù)開(kāi)發(fā)最早且應(yīng)用規(guī)模最大的億萬(wàn)奇公司開(kāi)發(fā)出等直徑裸眼補(bǔ)貼技術(shù)，于2020年10月27日在沙特油田成功開(kāi)展井下試驗(yàn)，據(jù)報(bào)道，此次試驗(yàn)是沙特油氣市場(chǎng)首次成功應(yīng)用等直徑膨脹管技術(shù)。由于工藝復(fù)雜、工序繁雜、對(duì)操作要求高等原因，該項(xiàng)技術(shù)直至第四口井才得以試驗(yàn)成功。

該井情況簡(jiǎn)介：沙特阿美石油公司某些區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，希望采用低成本新技術(shù)來(lái)解決復(fù)雜井段封隔問(wèn)題。該井四開(kāi)12.25”(φ311.1 mm)井眼鉆進(jìn)500英尺(157.4 m)后，擴(kuò)眼作業(yè)至13.25”(φ336.55 mm)，然后進(jìn)行電測(cè)檢查井眼效果，并選擇確定膨脹管貼合井段。膨脹管是公扣朝上，母扣朝下，左旋扣，和正常套管不一樣，且質(zhì)地較正常套管軟，操作時(shí)，稍不注意就會(huì)碰壞管子。而膨脹管串底部的膨脹錐室是不能膨脹的，管串貼合成功后，需要磨掉底部浮鞋后，倒銑掉膨脹錐室。倒銑作業(yè)是世界首次，需要司鉆嚴(yán)密關(guān)注鉆壓、扭矩變化。相關(guān)作業(yè)完成后進(jìn)行通井作業(yè)，直達(dá)井底，這標(biāo)志著等直徑膨脹管裸眼補(bǔ)貼技術(shù)試驗(yàn)取得成功。

1.2 國(guó)內(nèi)等直徑膨脹管技術(shù)

據(jù)報(bào)導(dǎo)2020年11月13日，勝利鉆井工藝研究院自主研發(fā)的241.3 mm等直徑膨脹管系統(tǒng)在勝利油田河31-斜190井進(jìn)行全過(guò)程井下試驗(yàn)，歷時(shí)23天取得圓滿成功。

該井情況簡(jiǎn)介：該井目的是在φ339.7 mm表層套管內(nèi)下入等直徑膨脹管系統(tǒng)，膨脹后作為臨時(shí)技術(shù)套管滿足φ241.3 mm鉆頭進(jìn)行二開(kāi)鉆進(jìn)至完井。施工過(guò)程中，將總成9.05 m，包含5個(gè)膨脹管短節(jié)共4個(gè)可膨脹螺紋，內(nèi)徑199 mm的膨脹管膨脹至內(nèi)徑245 mm。通過(guò)井下電視監(jiān)測(cè)影像表明，膨脹后管體內(nèi)壁完整、螺紋連接可靠。11月13日，該井順利完鉆并完成電測(cè)作業(yè)，完鉆井深2 751 m。膨脹后的等直徑膨脹管經(jīng)受住了鉆塞和二開(kāi)鉆進(jìn)雙重考驗(yàn)，作業(yè)臨時(shí)技術(shù)套管服役23 d，安全起下鉆16趟，成功完成試驗(yàn)任務(wù)。

2 膨脹管技術(shù)在壓裂方面的最新進(jìn)展

2.1 可膨脹襯管重復(fù)壓裂技術(shù)

由于油價(jià)一直處理低位徘徊，二次完井技術(shù)因成本低、回收快等優(yōu)勢(shì)，受到了各大油田的青睞。在此大環(huán)境下，重復(fù)壓裂必將成為各大油田公司開(kāi)發(fā)計(jì)劃的重要組成部分。傳統(tǒng)暫堵劑重復(fù)壓裂法作業(yè)過(guò)程中存在很多不確定因素，最主要的是重復(fù)壓裂作業(yè)過(guò)程中，我們根本無(wú)法控制壓裂液的去向。億萬(wàn)奇全球技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的可膨脹襯管重復(fù)壓裂法很好彌補(bǔ)了這一不足。通過(guò)在現(xiàn)有的井筒中下入一個(gè)可膨脹的襯管，不僅可以封堵原有的射孔孔眼，同時(shí)可以重復(fù)壓裂射開(kāi)新孔眼。該公司正在努力向廣大油田公司證實(shí)，這種可膨脹襯管在重復(fù)壓裂時(shí)性能優(yōu)于化學(xué)暫堵劑。

工藝過(guò)程簡(jiǎn)介：在下入膨脹襯管之前，先用管內(nèi)柱狀銑刀銑削生產(chǎn)套管。然后再下入可膨脹襯管至井底。下一步，從送入管柱內(nèi)泵入高壓流體推動(dòng)膨脹錐體上行至井口，從而將可膨脹襯管膨脹至其最大直徑，并將該襯管固定在適當(dāng)位置。一旦襯管膨脹，原來(lái)的孔就會(huì)被完全封堵，這時(shí)就可以射新孔和水力壓裂了。

2009年以來(lái)，億萬(wàn)奇全球技術(shù)公司相繼在巴內(nèi)特、馬塞勒斯鷹福特和阿納達(dá)科盆地利用其可膨脹襯管技術(shù)完成了15口井的重復(fù)壓裂作業(yè)?？紤]到成本，億萬(wàn)奇公司提出了一種全新的混合理念，即將可膨脹襯管只放到水井的跟端。這種混合壓裂的辦法將成為介于可膨脹襯管重復(fù)壓裂和暫堵劑重復(fù)壓裂兩者之間的一個(gè)選項(xiàng)，因?yàn)樗匀粫?huì)用到大約1 000英尺(304.8 m)的較昂貴的可膨脹襯管，該方法會(huì)減少暫堵劑的使用量，同時(shí)能夠?yàn)樗骄母藗鬟f更多的產(chǎn)生裂縫的壓力[1]。

2.2 膨脹金屬封隔器應(yīng)用于分段壓裂

國(guó)外Saltel等公司將金屬膨脹管應(yīng)用于管外封隔器，研發(fā)出一種全新的全金屬膨脹管壓裂封隔器。該封隔器基于金屬膨脹技術(shù)，利用安裝在兩金屬環(huán)之間的動(dòng)密封組，通過(guò)管內(nèi)壓力使金屬膨脹式封隔器膨脹，封隔套管和井眼間的環(huán)空，達(dá)到密封效果。

工具原理：壓裂封隔器采用雙襯壓力平衡設(shè)計(jì)，允許一定溫度下不同環(huán)空壓差的有效密封。兩端能通過(guò)接頭配件連接，末端的接頭在工具入井過(guò)程中能夠起保護(hù)可膨脹襯套。入井過(guò)程中允許旋轉(zhuǎn)，同時(shí)保留套管所有特性。可膨脹部分安裝有單向閥，自然狀態(tài)下環(huán)空到套管內(nèi)的流道處于關(guān)閉狀態(tài)，避免內(nèi)部襯套在后期重復(fù)壓裂過(guò)程中壓癟。

主要特點(diǎn)：(1)適用于任何壁厚和材質(zhì)的套管；(2)屈服和抗擠強(qiáng)度等同于套管機(jī)械強(qiáng)度；(3)封隔壓差能達(dá)到103.4 MPa；(4)兩組密封系統(tǒng)聯(lián)合大膨脹率金屬襯管保證在坍塌區(qū)域的密封；(5)較低的熱傳導(dǎo)性和溫度波動(dòng)影響；(6)單向閥系統(tǒng)保證重復(fù)壓裂時(shí)，內(nèi)襯套不被擠癟。

3 膨脹管技術(shù)前景分析與建議

3.1 簡(jiǎn)化等直徑裸眼補(bǔ)貼工藝，提高技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)性與適用范圍

等直徑技術(shù)在解決多壓力體系井漏、井塌等鉆井難題方面具有突出優(yōu)勢(shì)，并且能夠保持原井身結(jié)構(gòu)，備受各大油田公司與鉆井公司的期待，成為了國(guó)內(nèi)外各大公司的研究熱點(diǎn)，但目前僅進(jìn)行數(shù)次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，離商業(yè)化應(yīng)用仍存在諸多困難。特別是在目前國(guó)內(nèi)低成本鉆井的大環(huán)境下，受鉆井周期和投資的影響，筆者認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)若需要在短時(shí)間內(nèi)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中嶄露頭角，仍然需要在總結(jié)目前已突破的關(guān)鍵技術(shù)前提下，開(kāi)展以下幾方面工作：一方面根據(jù)工程實(shí)際需要簡(jiǎn)化工藝，通過(guò)對(duì)地層可膨脹性、高效隨鉆擴(kuò)孔技術(shù)展開(kāi)攻關(guān)，確定好最優(yōu)適合膨脹補(bǔ)貼的井眼尺寸，最大程度上縮短復(fù)雜地層補(bǔ)貼封固時(shí)間，這樣不僅能縮短施工周期，也能將風(fēng)險(xiǎn)降至最低。第二方面，結(jié)合機(jī)械液控技術(shù)，進(jìn)一步探索半自動(dòng)或者全自動(dòng)化脹管液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化大膨脹率高效脹管，提高技術(shù)可靠性、經(jīng)濟(jì)性與適用范圍。

3.2 提高管材性能，豐富膨脹工具，保障井下施工安全性

目前，國(guó)內(nèi)各大研發(fā)機(jī)構(gòu)普遍采用的膨脹工具主要是實(shí)體膨脹錐、液壓變徑膨脹工具，相對(duì)比較單一。導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用范圍相對(duì)較狹窄，復(fù)雜情況應(yīng)對(duì)能力不足，阻礙了該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步大規(guī)模推廣應(yīng)用。筆者建議加強(qiáng)以下兩方面的工作，促進(jìn)技術(shù)全面規(guī)?；茝V。

一方面提高管材性能與穩(wěn)定性。管材要滿足膨脹過(guò)程中的應(yīng)力一應(yīng)變性能要求，具有足夠的強(qiáng)度、良好的塑性變形能力和一定的抗腐蝕能力。同時(shí)，膨脹后要求管材的機(jī)械性能均一、應(yīng)力集中盡可能得低，滿足不同地層需求的管材應(yīng)達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)中N80鋼級(jí)或者更高級(jí)別。同時(shí)，配套完善好制管及加工工藝，保證好管材幾何尺寸及加工精度、管材表面處理工藝。其中，管材外形幾何尺寸及加工精度的研究是指如何滿足管材橢圓度、同軸度以及加工過(guò)程中的精度要求；在管材表面處理工藝方面的研究主要體現(xiàn)在如何提高管材光潔度、表面硬化強(qiáng)度等處理工藝，以此來(lái)降低膨脹壓力及減少膨脹錐損傷等，并建立先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化體系。另一方面，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)擴(kuò)張式、滾珠式等膨脹工具與配套液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出配套安全應(yīng)急工具，滿足日益復(fù)雜的井下工況要求，保障井下施工安全性，為規(guī)模應(yīng)用提供有效保障[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在過(guò)去的幾年里，膨脹管技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均取得了飛速的發(fā)展，也面臨著諸多挑戰(zhàn)，建議加大研發(fā)力度，盡早實(shí)現(xiàn)技術(shù)更大突破，實(shí)現(xiàn)全面推廣，為石油鉆完井降本增效提供工程利器。