膨胀套管技术的发展与应用教材.ppt

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1、中国石油勘探开发研究院装备研究所 二O一二年八月,膨胀套管技术的发展与应用,石油钻采工程新技术新工艺,目 录,概述 国外膨胀管技术发展现状 国内膨胀管技术的研究应用 膨胀管技术发展方向,膨胀套管技术是Shell公司于1990年代开始研发的一项新技术，1999年首次应用，被称为 “21世纪石油工业发展的核心技术之一”。目前已开始广泛用于油田开发中。 油水井套管是油气产出的通道，套管的完好是油气田实现油气产量硬增长的关键一环。 随着我国各个油田进入开发后期，井筒维护、剩余油的挖潜、套损井的治理已经成为各油田特别是老油田二次开发的重点工作,油田的套管,一、概 述,中国石油所属油田每年上报的待修套损井

2、数居高不下（8000口左右），一些老油田套损井比例已经超过50，大量的井停产停注，可采储量损失严重 膨胀管技术与常规技术相比具有强度高、密封可靠、修复后通径大等优点，特别适用于套损井修复,套损井治理的重要性,2010年井筒维护措施3500多井次，实际待大修井高达80009000口,套损井修复技术,套损修复技术对比,膨胀管补贴技术为套损井复产提供了有力支撑，对老油田的挖潜改造有重大经济价值。,膨胀管技术原理,原理：可膨胀套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套管钢级的水平。,原理视频动画,四大

3、关键技术： 1）管材难题（化学成份、性能、热处理状态和尺寸公差 ） 膨胀前：要求材料延伸率高，易于膨胀变形 软 膨胀后：机械性能基本达到普通套管水平 硬 2）膨胀锥 主要解决长距离、间断可重复使用、高强度、耐磨 3）膨胀螺纹 多根连接、长距离膨胀，连接强度及膨胀后密封技术 4）减摩难题,膨胀管关键技术,膨胀管技术应用范围,该项技术有多种用途，目前按照使用环境分为两大类： 最终目标： 1）以全井同一尺寸套管，代替现有的多层套管结构。可以： 节省59%的钻屑处理费用 降低38%的套管重量 节省42%的固井水泥 节省44%钻井液用量。,2）裸眼系统： 尾管悬挂：悬挂牢靠，通径最大； 老井加深/侧钻：

4、用膨胀管完井，通径大。,1）套管内补贴： 套管加固、堵水及层系封堵；,膨胀管技术应用范围,2）用套管代替钻杆钻井，可以： 减少起下钻的时间比传统用钻杆起下钻大约快5倍至10倍； 减少井下复杂情况的发生； 改善水力参数、环空上返速度和清洗井筒的状况； 钻井成本将大大下降打一口井深为10000ft的井，和传统钻杆钻井方式相比，预计可节约费用30以上。,应用1：套损井加固、层系封堵,套损井加固 利用膨胀管技术进行套损井修复加固，修复后不仅强度高，而且通径只减少两个膨胀管壁厚，受到油田的普遍欢迎，对老油田的挖潜改造有重大经济价值。 油田堵水及层系封堵 利用膨胀管技术进行堵水及层系封堵，不仅密封承压效果

5、好、封堵井段通径大；而且不影响泵挂的下入深度。 与化学堵水工艺相比： 施工工艺简单、成本低、有效期长; 如果需要重新利用，可以采取射孔的方法，实现完全或部分打开。,应用2：老井加深/侧钻,利用膨胀管完井，下入井内再膨胀，解决了5 ” 套管内再进行下部油层开发面临的套管直径过小问题，对老油田的二次开发具有重要意义。 如果利用老井眼加深，下部的套管用膨胀管做为完井套管，可以得到更大的通径，以适应常规的井下工具。,应用3：尾管悬挂,常规卡瓦式悬挂器因为其悬挂方式的原因，会有坐挂失败或者倒扣失败等安全隐患，并且其环空重叠段水泥环封固质量不易保证。膨胀管式尾管悬挂器可彻底解决上述问题。 采用膨胀管式尾管

6、悬挂： 悬挂牢靠 不受井深和温度的限制 尾管重叠段相对更短。,两种悬挂方案对比,应用4：钻井工程,应急套管 钻井过程中，经常遇到井眼垮塌、恶性漏失等井下复杂情况：这些情况的出现，将导致提前下套管，从而，使原设计的套管序列无法满足钻井设计的要求，甚至无法钻达目的层。 利用膨胀管技术，可在原有的套管序列间增加一层应急套管，对有问题的层段进行封堵，从而确保钻达目的层。 全井同一尺寸套管 海上钻井总成本可以节约33-48%。如一口1500米深水水域、井深为8800米的油井，分析结果表明单一井径油井可节约12003100 万美元的钻井成本。,概述 国外膨胀管技术发展现状 国内膨胀管技术的研究应用 膨胀管

7、技术发展方向,目 录,二、国外膨胀管技术发展现状,国外发展历史： 20世纪90年代初，开始套管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； 1998年Shell和Halliburton公司合资成立Enventure公司，并 率先进行了模拟井下试验； 1999年Chevron公司进行了第一次现场应用试验； 20世纪末达到商业化应用水平。,膨胀管技术在国外发展较快，已有多家公司进行膨胀管的技术研发，并且广泛应用于套管修复、裸眼系统以及膨胀筛管完井等领域。 膨胀方案在国外分为液压和机械两种方式。,二、国外膨胀管技术发展现状,国外公司的主要技术特点： Enventure公司，实体膨

8、胀管技术为主； Halliburton 公司，综合完井方案为主； Weatherford 公司，综合完井和膨胀筛管； Baker Hughes公司，综合完井方案为主 ； 俄罗斯Tatnipinefi设计院，波纹管及实体膨胀管。,国外公司在国内进行的与实体膨胀管相关的技术服务，以Enventure公司最早、最具代表性，其技术先进，价格昂贵。,二、国外膨胀管技术发展现状,套管补贴普遍采用了直缝焊管（ERW）专用管材 胀后强度已经达到N80钢级指标 作业施工压力低于30MPa 一次膨胀长度达到1700米 已经开发出膨胀式尾管悬挂器、膨胀筛管防砂系统 国外已经成功地完成了单一井径系统主要工具的试验。,

9、套管补贴,尾管悬挂,445,/,3,单一直径钻井,老井加深/侧钻,膨胀筛管,二、国外膨胀管技术发展现状,一般膨胀管井身设计,单一直径井,Baker Hughes已经进入 现场试验阶段,单一直径井钻井,目 录,概述 国外膨胀管技术发展现状 国内膨胀管技术的研究应用 膨胀管技术发展方向,1、常规套管补贴技术； 2、水平井用全内置膨胀管技术； 3、薄壁大通径膨胀管技术； 4、高温热采井用耐高温膨胀管技术； 5、长段腐蚀套管修复； 6、膨胀套管裸眼系统； 7、免钻胀捞一体化膨胀管工具； 8、连接螺纹及密封技术 9、仿生减磨技术 10、水平井多分支井完井技术,国内技术发展介绍：,三、国内膨胀管技术的研究

10、应用,更强事故处理能力,卡簧钻杆扣,增加引鞋,通过性更好,结构改进,胀锥丝堵花键结构,由下丝堵、膨胀器、连接杆、膨胀管、油管、打压接头等部分组成。,1、常规套管补贴工具,试验条件： 膨胀管发射腔冲压台架； 打压试验台架； 多参数实时监控综合试验平台,发射腔冲压台架,打压试压台架,传感器及电源,采集卡、监控程序界面,膨胀管综合实验台,膨胀套管综合试验台架,试验试件：,膨胀螺纹,大直径膨胀螺纹,密封段切片,破坏的膨胀螺纹,悬挂试件,膨胀锥疲劳试验,膨胀套管综合试验台架,数据处理：,材料对膨胀力影响,锥角与膨胀率,减压效果,润滑介质对膨胀力影响,膨胀锥角度对膨胀力影响,膨胀套管试验,可用于51/2”

11、、7”、95/8”及非标套管修复； 51/2”套管修复后通径达到108mm（最大114mm ）以上； 膨胀管抗内压91MPa,抗外压51MPa，超过J55钢级； 膨胀螺纹抗内压45MPa；抗外压15MPa； 补贴加固长度已达到150.7m； 悬挂力450KN； 最大工作温度350；,膨胀管补贴技术性能,修复后通径大，方便后续作业；密封效果好，强度高。,编制国家标准,不断完善膨胀管施工工艺规范 从方案设计、井眼准备、施工顺序及操作规程、验收、HSE等方面进行规范 装备所主持编制了油田套管补贴用膨胀管、油田套管补贴用膨胀管 施工规范等国家、行业标准,施工工艺规范,现场施工工艺流程：,中石油膨胀管补

12、贴技术已经在大庆、胜利、辽河、长庆等国内11个油田得到了现场应用推广，累计总施工井数超过了850口（2011年250口），在油田产生了较大经济效益，每年直接效益折合数亿元。,应用情况,施工后续跟踪：杏3-1-226井,2005年1月测井径曲线,2007年6月测井径曲线,对2005年1月膨胀管施工的杏3-1-226井进行了后续效果跟踪。2005年与2007年测井径曲线进行比较，补贴段井径并无明显变化。,应用情况,目前国内外膨胀管补贴作业中大部分设计为膨胀锥带动打压管柱（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。随着井斜角度的增加，管柱摩擦力急剧增大，导致膨胀力过大，降低

13、施工可靠性。 为此，研制了斜井、水平井专用的减摩膨胀工具及其配套施工工艺，以满足斜井水平井套管修复作业需求。,2、水平井用全内置膨胀管技术,针对斜井、水平井管柱摩擦阻力大的难题，研制了基于内置拉杆的膨胀管补贴工具，彻底解决了管柱摩擦问题。,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，节省一趟管柱。,2、水平井用全内置膨胀管技术,3、薄壁大通径膨胀管技术,堵水及层系封堵： 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

14、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。 机械堵水：爆炸式堵水存在密封承压差、封堵井段长度受限、悬挂不牢等缺点；下封隔器堵水则存在通径小、有效寿命短等缺点。 化学堵水：化学堵水施工工艺复杂、有效期受限；挤水泥容易造成二次套损风险；解堵不完全。 膨胀管技术进行堵水及层系封堵： 密封承压效果好、封堵井段通径大，深度、长度不受限； 不影响泵挂的下入深度； 施工工艺简单、可靠性高、有效期长； 可重新射孔，实现完全或部分打开。,适用范围：51/2”套管的堵水、层系封堵 技术指标：修复后内径114mm； 管材外径114mm，壁厚5mm； 抗内压35MPa，抗外压

15、15MPa； 研究成果：5mm膨胀螺纹问题已解决； 已实现长段补贴；,大通径膨胀管结构设计、尺寸设计； 参数校核、有限元分析； 零部件外协加工，样机试制； 对膨胀、密封、悬挂等性能进行室内试验； 样机完善，现场试验。,工作内容:,3、薄壁大通径膨胀管技术,对于后续修井作业的影响：,3、薄壁大通径膨胀管技术,4、高温热采井用耐高温膨胀管技术,常规膨胀管技术采用橡胶密封，最大工作温度 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。 为此，对耐高温的膨胀管套管补贴技术进行公关，以解决高温井（350以上）套损治理、油田堵水及层系封堵的实际生产需求，进一步提升国内油田套损井修复

16、技术水平。,开发了新型密封机构的耐高温膨胀管，可用于热采井、深井等高温井套管修复。,技术指标：最大工作温度 350； 单组密封，液体密封压力 17MPa； 单组密封，悬挂力100kN； 膨胀工作压力45MPa； 现场应用：辽河油田曙1-06-012井（热采井） 补贴位置1051m1060.2m，工具长度9.2m； 修复后内径 141mm，耐压 17MPa。,4、高温热采井用耐高温膨胀管技术,长庆油田由于Cl腐蚀造成套管大段损坏，严重影响油气生产；常规技术无法解决这一问题，而受长庆油田单井成本的限制，防腐套管完井、膨胀管长段整体补贴等技术无法规模化应用。 中国石油勘探院装备所针对这一难题，利用膨胀管技术优势，开发出了膨胀套管坐封技术，为长段腐蚀套管修复提供了一个新思路，一种新手段。,连续的半圆腐蚀,5、长段腐蚀套管修复技术,现场应用： 长庆油田采油二厂,剖33-03井：坐封段1654m1658m； 华1