基于膨胀波纹管的单一井径钻井技术.pdf

20 15正 第 1 期 第 4 4卷 第 7 4页 石 油矿 0I L FI ELD 场 机 械 E QUI P MENT 2 O 1 5 ， 4 4 1 7 4 - 7 8 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 5 0 1 0 0 7 4 0 5 基于膨胀波纹管的单一井径钻井技术 刘 鹏 -一 ， 夏柏如 ， 陶兴华 ， 刘晓丹 ， 胡彦峰 ， 涂 玉林 1 ． 中国石化石油工程技术研究院 ， 北京 1 0 0 1 0 1 ； 2 ． 中国地质大学 北京工程技术学 院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 随着勘探开发越 来越 多地进入深部地层 ， 钻井技术面临着如何在保证 井眼足够大的情况下钻 至预定井深， 减 少钻井时间和成本等问题 ， 而单一井径技 术的发展 为解决这些复杂情况提供 了新的 解决途径。单一井径技术是在膨胀管技术基础上发展起来的始终保持 同一井径的新兴技术。介绍 了膨胀波纹管技术和单一井径技术的现状 ， 提 出了一种膨胀波纹管实现单一井径技术 ， 分析 了制约 膨胀 波 纹管技 术 实现单 一 井径 的技 术 难题 并提供 了一 些解决 方案 。 关键词 膨胀波纹管； 单一井径； 强度 ； 连接方式； 简化工艺 中图分 类号 T E 9 3 1 ． 2 文献 标识 码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 4 2 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 8 Ex p a n d a b l e Pr o f i l e Li n e r M a ke s S i n g l e - Di a me t e r W e l l b o r e LI U Pe n g ， XI A Ba i r u ， TAO Xi ng hua ， LI U Xi a o d a n ， HU Ya n f e n g ， TU Yu l i n 1 ． S i n o p e c Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g， Be i j i n g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a； 2 ． C o l l e ge o f En gi n e e r i n g a n d Te c h n o l o g y， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3， Ch i n a Abs t r a c t W i t h t he e x pl o r a t i o n a nd de v e l o pme nt i n de e p f o r m a t i on，d r i l l i ng t e c hn o l o g y i s f a c e d wi t h a s e r i e s o f p r o b l e ms ， i n c l u d i n g h o w t o d r i l l t o d e s i g n e d d e p t h， s a v e r i g t i me ， r e d u c e d r i l l i n g c o s t a n d S O o n． Si ngl e Di a me t e r we l l bo r e pr o v i d e s a n e w a p pr o a c h t o ov e r c o m e t he s e t e c hn i c a l d i f f i c ul t i e s ．S i ng l e Di a me t e r we l l bo r e， whi c h r e t a i n t he s a m e h ol e s i z e d ur i ng t he e nt i r e d r i l l i ng， i s ba s e d o n e xp a nd a bl e t ubi n g t e c hn ol og y． The pr e s e n t s i t u a t i on o f e x pa n da bl e p r o f i l e l i ne r a nd S i n gl e - Di a me t e r we l l b o r e t e c h no l og y a r e i n t r od uc e d a n d a ne w Si ng l e - - Di a m e t e r w e l l bo r e me t h od d e p e n d i n g o n e x p a n d a b l e p r o f i l e l i n e r t e c h n o l o g y i s d e v e l o p e d ． Th e u n f a v o r a b l e f a c t o r o f r e s t r i c t i n g t he d e v e l o pme n t of t h e S i ng l e Di a m e t e r e xp a nd a bl e p r of i l e l i ne r t e c hno l o gy a na l y z e d t o s e t ou t s o me p r a c t i c a l s ol u t i o ns ． Ke y wo r ds e xp a nd a bl e p r of i l e l i ne r ； s i ng l e di a m e t e r we l l bo r e； s t r e ng t h； c o nne c t i o n m o d e； s i m pl i f y p r oc e s s f l o w 膨胀管技术是将管柱下到井 内， 以机械或液压 的方法使管柱发生永久性塑性变形 ， 实现封 隔井下 地层 。国内外主要的膨胀管技术包括膨胀套管和膨 胀波纹管 。膨胀套管为 圆形管柱， 通过液压驱动膨 胀工具将管柱 内径扩大 ， 利用水泥浆 固结井壁和膨 胀套管 ； 膨胀波纹管为异型管柱 ， 通过液压将其恢复 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 7 - 1 1 作者简 介 刘鹏1 9 8 2 一 ， 男 ， 山 ma i l l i u p e n g 0 2 3 1 6 3 ． 至圆管后贴紧井壁 ， 利用摩擦力使膨胀波纹管 固定 在井壁上作为临时套管 。 单一井径技术是 以膨胀管 技术为基础 的新技 术， 在钻进过程中始终保持同一井径 ， 避免下入多层 套 管造成 的井 径损 失 ， 从 而 实现 更 大 的钻 深 和完 井 井眼尺寸 。2 0 0 2 0 7 ， 自亿万奇公司在美 国得克萨斯 东 烟 台人 ， 工 程师 ， 博 士研究 生 ， 主要从 事膨 胀波 纹管 技术 和钻 井工 具 的研发 工作 ， E C0m。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 5 年 1 月 井眼准备 一 笪 皇 堡 鱼 L _ 一 I 膨胀作业 1 ． 而I 厂 图 3 膨胀波纹管完整施工程序 3 ． 1 管串强度 膨胀波纹管的膨胀过程涉及到复杂的金属变形 机理以及金属力学问题 ， 管串各部件都应具有足够 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 ， 单一井径技术对膨胀波纹管 材料的选择和成型方法都提出更高的要求。 3 ． 1 ． 1 管材的选择 膨胀波纹管管材应至少满足以下 3点要求 1 屈强 比低 ， 具有高均匀塑性变形能力。 2 较高的形变硬化指数 ， 具备均匀变形 而不 破坏的能力 。 3 较低的屈服强度 ， 易于加工成型。 根据膨胀波纹管加工及使用要求 ， 可供选择的 膨胀波纹管材料从化学成分上来分 主要有低碳 钢、 低合金高强度钢或微合金钢等 ； 从 用途上来分主要 有结构钢管 、 锅炉钢管、 管线钢管等。要提高现有膨 胀波纹管的强度， 不仅要从现有的管材 中进行优选 ， 也需要研发相应 的管材 。例如 铁素体一 马氏体或 贝氏体 双相钢， 以硅、 锰为主要合金元素 ， 起到 固溶 强化作用 ； 采取低碳设 计保证 良好 的焊接性能和高 的塑性 ， 但随着碳含量 的降低 ， 钢的强度降低 ， 淬 透 性变差 。因此 ， 适 当地添 加其他 合金元 素 ， 如 C r 、 Mo等可提高强度和淬透性 。 3 ． 1 ． 2成型方法 目前 ， 膨胀波纹管是无缝钢管经过扩孔后利用 模具冷压成型 ， 这种成型方法存在 2个问题 。 1 扩孔会造成管材性能下 降， 导致壁厚不均 匀 ， 局部存在残余应力。 2 冷压成型会造成每根波纹管间的形状吻合 度不高 ， 应力分布不均匀， 增加了膨胀后的不圆度。 单一井径技术要求成 型后膨胀波纹管壁厚均 匀、 残余应力少、 断面形状规则 ， 从而提高管串的整 体性能 ， 减少焊 口形状不对称造成的焊缝强度损失 。 为此 ， 可 以通过直缝管成型波纹管提高壁厚均匀性 ， 高温热处理振动 时效 的工艺消除残余应力 ， 端头 整形 的方法提高波纹管断面间形状的一致性。端头 整形原理如图 4 所示 ， 通过加热器对波纹管端头进 行加热后 ， 移到外模内， 将上 内模和下 内模装入波纹 管 内， 利用油缸推动锲形推块向内移动 ， 挤压 上、 下 内模对波纹管的端头形状进行修整。整形完成后， 锲形推块向外移动 ， 从而取出上、 下 内模 。该端头整 形方法可在不减少波纹管强度 的条件下 ， 有效提高 断面形状的一致性 ， 避免 了整形过程 中波纹管冷却 导致 内模无法取出的问题。 压机 外模 图 4 端头整形原理 3 ． 2 管串连接方式 对于膨胀波纹管 的异型断面形状 ， 国内外大都 采用手工焊接 的方式连接波纹管管串。手工焊接的 效率较低 ， 焊接质量易受外在环境和人为 因素的影 响 。膨胀波纹管单一井径系统需要提高管串的连接 效率和质量 。自动焊接 可以大幅提高焊接效率 ， 排 除了人为影响因素 ， 保证焊缝质量。螺纹连接仍是 现场最便捷的连接方式， 研究新型可膨胀螺纹和螺 纹段径 向膨胀工具 ， 可使膨胀波纹管 在现场使用螺 纹连接成为可能。 3 ． 2 ． 1 三维 自动焊接 波纹管 自动焊接技术要克服波纹管断面曲率变 化大 、 波谷半径小等难题 ， 很小的焊接执行机构上应 具有“ 8 ” 字形断面焊缝轨迹适应能力 、 快速响应速度 及较大承载能力[ 5 ] 。焊接过程 中焊枪要始终垂直于 工件表面， 焊枪与坡 口间的距离保持一致 。因此 ， 要 石 油矿 场机 械 2 O 1 5年 1月 终扩眼段 预扩 眼段 领眼钻头 图 7 国民油井公 司随钻扩孔钻头 3 ． 3 ． 2机 械 膨 胀 机 械膨 胀 的主要 目的是对 管 串 的上 、 下 端 头进 行磨铣和膨胀 ， 提高波纹管管串的圆度 ， 使管串通径 达 到原井 眼 的尺 寸 。提 出 2种不 同原 理 的可变 径胀 管工具 ， 可以替代现有 的滚轮和球形胀管工具 ， 实现 单个工具完成全部机械膨胀。 1 可变径 滚 轮胀管 器 。 可变径滚轮胀管器如图 8所示 ， 通过限压 限位 滑块的中心孔面积小于上部过流面积而产生的压力 差， 推动其 向下滑动 ， 限压限位滑块上的台阶使得滑 动轴和滚轮轴向外运动 ， 不 同台阶对应着不 同的外 径尺寸。完成机械膨胀后 ， 将限压限位滑块上端面 移到滑动轴之下 ， 滚轮轴在小 弹簧 的作用下向管内 移动， 使胀 管器的外径收缩 。 机械膨胀作业时， 通过胀管器的旋转进行 自上 而下的膨胀作业 ， 完成 1 次膨胀作业后， 将胀管器提 出管串， 控制钻井液的排量实现 1 次变径 ， 直至波纹 管管串的通径逐渐增 大到所需 的尺寸 ， 再将滚轮恢 复至起始状态。该膨胀工具可以减少单次膨胀作业 时 的受 力 ， 降低 施工 难度 ； 采用 滚 轮滚动 进行 膨胀 作 业 ， 减少摩擦作用； 可以实现变径后的锁定和膨胀完 成后的回缩功能， 保证膨胀精度和工具的顺利起下。 1 2 3 4 5 6 7 8 1 一 上螺纹 ； 2 一 壳体 ； 3 一 螺钉 ； 4 一 挡板 ； 5 一 滚轮轴 ； 6 一滚 轮 ； 7 一止 推轴 承 ； 8 一 小弹簧 ； 9 一 下螺纹 ； 1 O 一阻塞 ； l l 一 流道 口； 1 2 一大弹簧 ； 1 3 一滑动轴 ； 1 4 一 限压 限位滑块 。 图 8 可变径滚轮胀管器 2 可 变径径 向胀 管器 。 可变径径向胀管器直接对波纹管管 串施加均匀 的径 向膨胀 力 ， 完 成 1段 的膨 胀 后 ， 恢 复 成 原 尺 寸 ， 进入下段未膨胀管串中继续膨胀。径向胀管器有利 于采用螺纹连接方式 时的膨胀 ， 可保持螺纹的完整 性 ， 减少机械膨胀对螺纹密封的损坏 。可 变径径 向 胀管器需要反复实现膨胀单元的膨胀 和回缩 ， 可采 用液压推动活塞的方式或者控制井下 电机实现。 4 结论 1 等井径膨胀波纹管技术是以膨胀波纹管技 术为基础 ， 作为临时套管在现场快速封隔漏失 、 易坍 塌、 易缩径等复杂地层， 钻进过程中对于稳定性高的 地层不进行封隔， 完钻后下人生产套管。随着该等 井径技术 的发展， 能够解决 由于渐缩式井身结构导 致完钻井眼尺寸小、 产油能力低等 问题 ， 节省套管 、 水泥的用量 ， 大幅节约时间和成本 。 2 针对膨胀 波纹管技术的现状， 应从增加膨 胀波纹管技术管串的强度、 缩短现场连接的时间、 简 化施工工艺等方面进行改进 ， 提高波纹管的适用性 ， 缩短应用时间 ， 满足不 同条件下 的应用要求 ， 使得膨 胀波纹管实现单一井径技术早 日得到实现。 参考文献 E l i 陶兴华 ， 马开华 ， 吴波 ， 等． 膨胀波纹管技术 现场试验 综 述及存在 问题 分 析E J ] ． 石 油钻 探 技术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 4 63 66 ． E 2 ] 唐 明， 吴柳根 ， 宁学涛 ， 等． 等井径膨胀套 管技术发展 现 状 l- J ] ． 石 油矿 场机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 2 1 2 1 7 ． [ 3 ] R o b Mc k e e ， J e r r y F r i t s c h ． S u c c e s s f u l F i e l d Ap p r a i s a l We l l Ma k e s S i n g l e ～ D i a me t e r We l l b o r e a R e a l i t y [ G] ． SPE 1 1 275 5， 2 00 8． [ 4 ]P e r r y A F i s c h e r ． S i n g l e - D i a me t e r E x p a n d a b l e C a s i n g Ap p l i c a t i o n s C o n t i n u e t o Ad v a n c e[ J ] ． wo r 1 d Oi l ， 2 0 0 8 7 3 7 4 0 ． [ 5 ] 陶兴华 ， 朱宏武 ， 曾义金 ， 等． 膨胀波纹管焊接机 器人 的 研制及其 机构运动分 析[ J ] 。 中国石 油大 学学报 自然 科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 5 4 1 1 9 - 1 2 8 ． [ 6 ] 齐国权， 杨钊， 上官丰收， 等． 可膨胀管技术研究进展与 工程应用[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 1 2 7 2 7 6 ． [ 7 ] 朱祖扬， 李光泉， 张卫， 等． 井筒微芯片示踪器研制[ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 5 1 1 i - 1 1 4 ． [ 8 ] 范亚 民， 张永泽 ， 栾苏． 国外 扩张式 随钻扩 眼工 具应用 现状及 发展 趋 势 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 2 25 2 8． 1- 9 ] 白彬珍 ， 臧艳彬 ， 周伟 ， 等． 深井小井 眼定 向随钻扩孔技 术研究与应用 I- J ] ． 石油钻探 技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 4 7 3 7 7 ．