第２８第１期 油气藏评价与开发 ＲＥＳＥＲＶＯＩＲ ＥＶＡＬＵＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ２０１２年２月
实体膨胀管补贴技术的研究与应用
马超军
（中国石化华东分公司东北项目部，吉林长春１３１１２３）
摘要：随着油田的开采，国内老井越来越多，套管损坏也越来越频繁，急需一种方便、有效的套管补贴技术。实体膨胀管基 本原理简单，工艺技术成熟，和常规套管补贴技术相比有诸多优点，如膨胀前直径小易于下管，膨胀后内通径大、强度高、 补贴长度可按需要进行调整，悬挂密封性能强等，因此实体膨胀管对套管修复有很强的适应性。通过现场应用，总结了施 工中的关键工序、注意问题，提出了改进意见，为今后实体膨胀管的补贴施工积累了经验。 关键词：实体膨胀管；基本原理；工艺技术；技术优势；现场应用；伸缩节 中图分类号：ＴＥ９３１ 文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｃａｓｉｎｇ ｐａｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｍａ Ｃｈａｏｊｕｎ
（ＮｏｒｔｈｅａｓｔＰｒｏｊｅｃｔＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥａｓｔ ＣＭｎａ Ｂｒａｎｃｈ Ｃｏｍｐａｎｙ，ＳＩＮＯＰＥＣ Ｃｈａｎｇｅｂｕｎ，Ｊｉｌｉｎ １３１１２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｏｉｌｆｉｅｌｄｓ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｏｌｄ ｗｅｌｌｓ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ，ｃｏｍｉｎｇ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｒｅ ｆｒｅ． ｑｕｅｎｔｌｙ ｄａｍａｇｅｄ ｃａｓｉｎｇ．Ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃａｓｉｎｇ ｐａｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｕｒｇｅｎｔｌｙ ｎｅｅｄ— ｅｄ．Ｅｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｃａｓｉｎｇ ｈａｓ ｓｉｍｐｌｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｍａｔｕｒｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｍｍｏｎ ｃａｓｉｎｇ ｐａｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｔ ｈａｓ ｓｏｍｅ ｓｐｅｃｉａｌ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｍａｌｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｅａｓｙ ｒｕｎｎｉｎｇ ｉｎ ｈｏｌｅｓ ｂｅｆｏｒｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｂｉｇ ｉｎｎｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｆｔｅｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｐａｔｃｈｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｇ ｓｕｓｐｅｎｄｉｎｇ ｓｅａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｓｏ ｉｔ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｃａｓｉｎｇ ｐａｔｃｈｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｋｅｙ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ａｎｄ ｃｏｍｍｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｃａｓ— ｉｎｇ ｐａｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｓｏｍｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｃａｓｉｎｇ ｐａｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｃａｓｉｎｇ，ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ，ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｊｏｉｎｔ
用，取得了很好的经济效益。 ●— ￡４—ｊ— １ 日『Ｊ吾 ２膨胀管补贴技术简介
随着油田开发时间的推移，受地质构造、油层出
砂、油水井增产措施、修井作业等内外因素的综合影
响，油层套管频繁出现变形、破裂、错断、穿孔等损坏
现象。油层套管损坏使油水井不能进行正常的生产
和作业，降低了油水井综合利用率，使油气产量受到
较大的影响。因此，修复套损井已成为油田大修工
作的重要内容。
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Ｅｔ益广泛，特别是膨胀
管补贴技术已经在国内多个油田得到了广泛的应 ２．１ 发展简史
２０世纪８０年代末期，Ｒｏｙａｌ Ｄｕｔｃｈ Ｓｈｅｌｌ公司首创
了膨胀管技术概念。９０年代初主要研究管材实现膨
胀变形的可能性，１９９３年进行了第一次概念性试
验。１９９８年１２月，Ｓｈｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｅｎｔｕｒｅｓ公司与
Ｈａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ公司合作成立了Ｅｎｖｅｎ．
ｔｕｒｅ环球工艺技术公司，它专门致力于可膨胀管技术
的发展与商业化运作 。１９９９年１１月，进行了第１次
收稿日期：２０１１－１１－０９。 作者简介：马超军（１９８１一），男，助理工程师，现从事油田作业技术与管理工作。
６２ 油气藏评价与开发 第２卷
钻井管柱继续钻进时，就必然会要减小钻杆直径，增
加井筒的锥度，增大了新油层的开采难度。就是不
继续钻井，开采原有生产层，下生产管柱时也会受到
很大限制。二是厚壁管的补贴长度依然受到限制，
最长可达３０ ｍ ，这是由其技术原理的缺陷所导致
的，所以并不易改善。
３．２实体膨胀管补贴技术的优点
实体膨胀管区别于传统补贴技术的三大优势：
一是可膨胀性，二是无长度限制，三是密封性能好。
３．２．１可膨胀性
实体膨胀管以Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｉ为主要成分，耐蚀性
好，具有高塑性、高强度、高加工硬化率。而且采用
了相变诱发塑性机制，提高了膨胀管材料的强塑性ｋ
值，同时提高材料的强度和塑性 。国外对实体可膨
胀管ｆ以Ｌ８０及Ｋ５５级套管为例）膨胀前后的性能进
行了测试比较，测试项目包括膨胀前后的硬度、屈服
强度、抗拉强度、冲击韧性等性能指标对比（表１，表 ２）。所有的实验都是在室温条件下进行，而在稍高
温度下ｆ １７６。Ｃ）膨胀性能与之相似 。
通过对国外实验数据的分析总结，得到如下结 论：在膨胀过程中，由于是直径膨胀，膨胀管的壁厚
要减小２％～５％。其直径可以膨胀约２０％，其长度缩
短约８％，塑性变形可将近３０％。膨胀管在膨胀变形
后其力学性能仍然符合ＡＰＩ标准规范Ｌ８０、Ｋ５５、Ｊ５５
的石油管材（表３）。 ３．２．２无长度限制
实体套管补贴技术之所以能够修复各种长度的
套损井段，是因为各个补贴单管之间都是专用膨胀
螺纹连接，属于无接箍连接。上接头为公扣，下接头
为母扣，接头是本体的延续，偏梯扣型承重边接近于
水平或微倒钩型，保证了较高的承载能力和密封能
力，且螺纹扣两侧还有胶圈组合，在扣的顶端和尾端
各有２道密封圈，大大增强了接头的密封性能，而且
能够经受膨胀塑变、膨胀高压、施工磨损，确保了施
工前密封、施工过程密封、施工后长期密封的目的。
解决了单管之间的连接问题，就可以满足各种套损
井段实际长度的需要，因此也就没有了长度限制，应 用极为广泛。另外，母扣外面突出２道环形螺纹，可
以有效保护膨胀管外壁的密封带，膨胀后也可咬合
在套管壁上，增强了管体的悬挂和接头抗内挤毁能
力
３．２．３密封性能好
起密封和悬挂作用的密封带是由纳米复合橡胶 材料制成，经过硫化工艺，与不锈钢、合金的黏结性
能更加优良，确保了补贴后黏结强度高、无井下脱
落，具有耐腐蚀、耐高温、弹性好、密封性能高等特
点。而且，现在国外正研究利用弹性物喷涂技术在
膨胀管表面喷涂弹性金属层，弹性物的弹性加强了
管体与井壁的密封，可进行层间封隔，目前，这种封隔
技术已投人应用 随着进一步的研究和现场评价，此
表１ Ｌ８０级套管机械性能 Ｔａｂｌｅ １ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｌ８０－￣ｐｅ ｃａｓｉｎｇ
表３膨胀前后对比性质 表２ Ｋ５５级套管机械性能Ｔａｂｌｅ ３ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ Ｔａｂｌｅ ２ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｋ５５－ｔｙｐｅ ｃａｓｉｎｇ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ
膨胀前性能 膨胀后的值相对于膨胀前的值 屈服强度 抗拉强度 抗内压 抗外挤 硫化断裂承受度 类似 类似 类似或更高 更高
类似 第１期 马超军．实体膨胀管补贴技术的研究与应用 ６３
种技术必将更加完善，进一步增强实体膨胀管的技
术优势。
３．２．４其他优点
１）实体膨胀管膨胀后抗内外挤压的强度大，对
漏失部位进行有效封堵的同时也加固了老井套管。
２１补贴时膨胀施工压力高达４５．００ ＭＰａ，补贴完
成后，膨胀管部分的机械性能达到ＡＰＩ钢级Ｊ５５级
别，因此补贴后的套管能满足４５．００ＭＰａ以内的工程
施工。 ３）膨胀管的可膨胀性大大缩小了本身的外形尺
寸，更容易下人拟补贴井段，膨胀后膨胀管的壁厚比
其它补贴管更小，与套管结合更紧密，最大限度的减
少了原套管内通径的损失。
４１膨胀管补贴技术对水泥返高以下套管错断及
损坏的修复效果良好，优于其它补贴技术。
４膨胀管补贴技术的现场应用
４．１ 方案的选择与设计
ＨＴ一３井是下扬子区黄桥一如皋冲断凹陷带之
黄桥构造高带一口定向开发井。２０１０年３月，二叠 系龙潭组第１层（Ｐ。ｌ ）经过压裂改造后测试结果为：
油水同层（富含ＣＯ 气）。决定对该层实施封堵，复产
原二叠系栖霞组裸眼井段第７—１３层（Ｐ ｑ ７－１３层）。
４．２ ＨＴ一３井实体膨胀管的施工流程
（１）井筒准备
现场配比重１．２３甲酸氢钠溶液压井成功后，先
后利用 １５１ ｍｍ（套管咖１７７．８ ｍｍ）通井规和 １５１
ｍｍ套管刮削器在井深１ ６４０～１ ６７０ １ＴＩ处反复刮管清
除锈蚀、射孔毛刺等，使补贴段套管内径干净、光滑、
无污物。
（２）下膨胀管 按照操作规范将发射腔＋膨胀管＋中心管利用
７３ ｍｍ钻杆连接起来。限速下套管膨胀管２根＋
７３ ｍｍ钻杆１７２根（最下部２根钻管伸人膨胀管内与
对接丝扣对接）。经＾ｙ曲线测井校深，调整管柱深
度，套管补贴井段：１ ６４９．５５～１ ６６０．２ Ｉｎ（射孑Ｌ井段：
１ ６５１～１ ６６０ ｍ）。
（３）液压膨胀管补贴 连接地面压裂车至井口管线并试压４５ ＭＰａ合格
后，压裂车Ｉ档正打压开始加压，最高压力至３８ ＭＰａ，
管柱悬重由２４ ｋＮ（正常悬重）降至２０ ｋＮ，现场判断
下部膨胀管第一个密封环已打开。压裂车Ｉ档继续
正打压，地面设备缓慢上提钻杆，最高上提吨位至
３０ ｋＮ，钻杆上行约９．７ ｍ后，管柱悬重吨位突降至正
常吨位，套管返水，现场判断钻杆已出膨胀管，整个
膨胀管已补贴至套管壁上。
（４）钻下堵头
下 １３０ ｍｍ五刃磨鞋＋ ７３ ｍｍ钻杆１７２根。
压裂车ＩＩＩ档开泵循环，加压５～１０ ｋＮ磨铣，转速为
４０～５０ ｒ／ｍｉｎ，泵排量为６００ Ｌ／ｍｉｎ，进尺０．１６ ｍ后磨
穿下堵头。
４．３现场应用总结
通过现场施工，有以下几点认识：
１）在管柱连接时，确保膨胀管本体的清洁；下
钻时，严格按照操作规程进行，放慢速度，尤其在拟
补贴井段，建议不要超过５ ｍ／ｍｉｎ。
２）在拟修补井段上下３ ｍ范围内，反复刮削套
管壁，建议至少３次以上，确保其清洁、干净、无毛刺，
这是保证膨胀管与套管之间黏结性能，增强膨胀管
的悬挂能力和密封性能的必要手段。
３）施工中套管的拟补贴井段比射孑Ｌ段只多出
１．６５ ｍ（套管补贴井段：１ ６４９．５５～１ ６６０．２ ｎｌ，射孑Ｌ井
段：１ ６５１～１ ６６０ ｉｎ），可见施工中的精确补贴才是决
定整个工序成败的关键。精确补贴主要取决于两
点，一是校深的精确性；二是施工中补贴的精确性。
最难做到的是施工中补贴的准确性，原因是在补贴
过程中，为减小泵车施加给膨胀锥的液压力，常常需
要同时上提钻杆为膨胀锥提供拉力。如果提得过
早，下面的密封带还没有与套管壁紧密黏结，那么整
个膨胀管将随着钻杆上行，以至于射孔段 套损
段）的下端不能有效密封，严重者会造成实际补贴井
段完全脱离拟补贴井段。如果上提钻杆的拉力过
大、上提钻杆的速度过快，当拉力大于已膨胀密封带
与套管壁的摩擦力时，会造成膨胀管与套管之间相
对滑动，损坏膨胀管下端已膨胀的密封带，严重时会
造成整个补贴施工的失败。所以提升钻杆成为整个 工序的短板，建议在以后的膨胀管补贴施工中，引进
伸缩节装置。伸缩节的使用有两大好处：一是可以
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