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尾管悬挂器

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2O 国外油田工程第22卷第2期(2006.2) 国外膨胀管技术的发展与应用 摘要膨胀管技术是石油工业中迅速崛 起的可明显降低钻井完井成本的一项新技 术。威德福公司在可膨胀防砂筛管领域居于 领先地位,其膨胀管技术分为三类:可膨胀 割缝管、实体膨胀管和膨胀系统。哈里伯顿 公司的膨胀产品包括可膨胀筛管系统和可膨 胀尾管悬挂嚣/封隔器系统,这两种系统都 经过了大量的室内和现场试验。Enventure 公司开发了三种实体膨胀管产品:可膨胀尾 管系统、套管井衬管系统和可膨胀尾管悬挂 器系统。贝克石油工具公司的可膨胀产品包 括可膨胀尾管悬挂器系统、六级分支井完井 系统、可膨胀裸眼完井系统、套管补贴系统 和膨胀封隔器。基于世界各大公司膨胀管技 术上的发展与应用,文章针对我国膨胀管技 术现状提出了相关的看法和建议。 主题词膨胀管技术膨胀系统实体 膨胀管可膨胀割缝管商业应用 、膨胀管技术发展回顾 最近几年膨胀管技术呈现爆炸式大发展,该技 术对石油工业将产生革命性的影响。例如等径井眼 技术,一旦成熟,将极大地降低油井成本,并完全 消除常规套管程序的缩径效应,井可以钻得更深, 而总井深处的套管内径与常规井相比反而增大。 目前世界上提供膨胀管技术和膨胀产品的公司 主要包括威德福公司、Enventure环球技术公司、 哈里伯顿公司、贝克石油工具公司、斯伦贝谢公司 以及READ油井服务公司。另外,俄罗斯的鞑靼 石油研究设计院的膨胀管技术也得到了广泛应用。 l,威德福公司 自1998年以来,威德福公司一直在可膨胀防 砂筛管(ESS)领域居于业界领先地位。该技术发 展迅速,目前已经成为降低成本、提高产量的标准 方法。该公司还对实体膨胀管技术进行了大规模研 究与开发。该公司的膨胀管技术分为三类:可膨胀 割缝管(EST)、实体膨胀管(STE)、膨胀系统。 编译:马洪涛(胜利油田钻井工艺研究院) 审校:纪常杰(大庆油田工程有限公司) (1)可膨胀割缝管 威德福公司的可膨胀割缝管包括以下三种类 型:可膨胀防砂筛管(ESS)、井下衬管系统 (ABL)、可膨胀完井尾管(ECL)。 ◇可膨胀防砂筛管(ESS) 威德福公司是可膨胀防砂筛管技术的主要供应 商,目前已经在世界范围内进行了超过225次施工 作业,膨胀筛管总长度达36.2km,并成功进行了 世界上最长的膨胀作业,膨胀筛管长度超过 1494m。ESS作为一种可靠高效的防砂方法应用日 趋增多。 ESS应用范围广泛,其中在裸眼井中应用占 74%,在套管井中占26%。与其他防砂方法相比 可提高产量70%,降低成本超过20%。威德福公 司4年前在北海的一口气井首次使用了ESS。这口 高产气井至今仍稳定生产,无出砂。另一个里程碑 式的成果是在2002年末,威德福公司成功地为康 纳科菲利普斯(ConocoPhillips)公司在渤海湾的蓬 莱油田安装了连接器经过加强的6139.7mm ESS, 这是ESS在全球的第150次应用。首批6 121井,其 中2 121是射孔完井,另外4 121是预射孑L套管,然后 用ESS完井。 ◇井下衬管系统 井下衬管系统能代替技术套管柱,而且确保井 眼直径不减小。要封固的井眼部分首先被扩眼,然 后利用衬管加强,并用纤维水泥封固这部分井眼。 该技术能封固异常压力地层,以确保向更深的地层 钻进。 开发这项技术的目的:一是减少钻井成本;二 是简化高温、高压深井的设计。 在井身设计中考虑使用应急套管,这不仅增加 了套管成本,而且还有许多其他不利因素。应急套 管上部的井眼/套管的直径必须大于应急套管,这 样,不管是否真地使用了应急套管,其上部的钻井 费用增加。 另外,钻大尺寸井眼耗时更长,处理复杂情况 耗时更多。在海上,大尺寸的套管要求使用大尺寸 的导管,因此平台也必须加大。用这种方式来设计 马洪涛:国外膨胀管技术的发展与应用 2】 钻井,费用很高。如果钻井设计中不用应急套管, 那么将节约大量的费用。井下可膨胀衬管系统能够 轴向柔性膨胀膨胀系统用来膨胀割缝管,可以 消除割缝管与井壁之间的环空,支撑井眼并防止颗 粒运移。该系统包括一个由上向下膨胀的柔性膨胀 代替应急套管,而且消除了井眼直径越来越小的不 利后果。 在深井钻井中,为避免井涌/井漏,必须安装 工具、可回收系统、现场修整工具。柔性膨胀工具 包括两部分:用于初始膨胀的固定尺寸滚轴鼻、柔 附加的套管或尾管,这样可能由于套管的直径太小 性轴向滚轴。由于活塞可以随着井Plan面的变化而 而导致不能钻至目的层或进入目的层。这也是开发 伸出或缩回,使工具具有柔性。 该技术的主要原因。应用该技术可钻成深的勘探 ◇柔性旋转膨胀系统 井、开发井、评价井和生产井,并使用足够直径的 油管来开采。 柔性旋转膨胀系统是一种液压机械工具,用来 膨胀实体管。当与可膨胀尾管悬挂器施工工具一起 ◇可膨胀完井尾管 威德福公司已经开发了可膨胀完井尾管技术, 可以取代传统的割缝尾管或者注水泥射孔尾管。该 技术增强了井眼稳定性,提高了选择性隔离和处理 能力,并减小了井眼尺寸。该技术尤其适用于过油 管侧钻油层完井,既可以到达受限制的油层段,同 时也避免了困难的固井和射孔作业。其他优点包 括:①井眼增大,流通面积也增大,因此提高了产 量;②允许再入油层进行修井作业,延长了油井寿 命,也增强了老井的潜力;③重返油层灵活方便, 通过插入封隔器或桥塞可以防止产水;④可适用于 688.9mm到6241.3mm的井眼。 (2)实体膨胀管 实体膨胀管包括可膨胀尾管悬挂器(ELH) 和MetalSkin套管修补系统。 ◇可膨胀尾管悬挂器 ELH系统可以悬挂ESS和其他不注水泥尾管。 ELH可以悬挂MetalSkin套管修补系统。ELH使用 柔性旋转技术膨胀,与外层套管形成金属对金属密 封,使井眼最大化,方便将来的重人作业。 ◇MetalSkin套管修补系统 2003年中期,在加拿大阿尔伯塔省的冷湖油 田威德福公司成功地安装了4套MetalSkin实体可 膨胀套管修补系统,使4口井恢复生产。该技术是 种金属对金属可膨胀套管系统,可以修补腐蚀或 损坏的套管。作业使用了威德福公司的柔性旋转膨 胀系统(CRES)。 (3)膨胀系统 传统EST膨胀锥是一种锥形工具,与膨胀心 轴联合使用,用来膨胀各种割缝管。威德福系统的 根本优点是采用了柔性膨胀管技术。下面介绍两种 系统:轴向柔性膨胀膨胀系统(ACE)和柔性旋 转膨胀系统(CRES)。 ◇轴向柔性膨胀膨胀系统 使用时,可用来膨胀ELH。它也用来膨胀更长的 MetalSkin实体管系统。如PoroFlex可膨胀筛管系 统,该系统由上至下膨胀,轴向载荷小。由于是滚 动摩擦,摩擦力也大大减小,对套管内径的不规则 性具有很好的适应能力,可以最大限度地防止被膨 胀套管破裂。该工具与膨胀前的套管匹配,很容易 回收,并具有选择性膨胀能力。 2。哈里伯顿公司 哈里伯顿公司的膨胀管产品包括可膨胀筛管系 统(PoroFlex)和可膨胀尾管悬挂器/封隔器系统 (VersaFlex),这两种系统都经过了大量的室内和 现场试验。 (1)PoroFlex可膨胀筛管系统 PoroFlex可膨胀筛管系统由于性能可靠,该系 统正在迅速被人们接受。该系统可用于套管井和裸 眼井完井,主要有以下四方面特点: ◇PoroFlex可膨胀筛管系统以近乎实体管的多 孔中心管作为流动管道,具有很高的抗挤能力,并 允许进行多种修井作业或附件安装。封隔器、桥塞 以及智能完井设备都可以很可靠地安装在膨胀后的 中心管内。另外,未穿孔管可以下人井内封隔页岩 段或事故地层,以提高层位隔离能力。 ◇通过一层可膨胀筛网就实现了过滤功能。筛 网是基于Purolator—Facet公司的Poroplate设计制 造的,虽然膨胀期间或膨胀后过筛网流动面积增 大,但并不改变其微米额定值(过滤固体颗粒)。 ◇可膨胀筛管采用了一体式螺纹连接,可以像 套管那样在钻台上连接,如果必要的话还允许筛管 在井内旋转,这减少了安装所需的钻机时间。 ◇筛管通过液压膨胀,使整个膨胀过程实质上 不依赖重力,这对于大位移井或者水平井作业来说 很理想。固定尺寸膨胀锥使整个筛管膨胀后内径一 致。自投入使用以来,没有发生中心管、筛网或者 连接部件故障,也没有出砂。 22 国外油田工程第22卷第2期(2006.2) PoroFlex膨胀筛管可用尺寸为155.6mm和 215.9mm(均为膨胀后尺寸)。施工作业表明进行 可膨胀筛管完井需要一整套系统方法。完井效率/ 性能比很大程度上与所钻井眼质量、钻井液、产层 情况了解程度密切关联。哈里伯顿公司与斯派里森 公司和白劳德公司密切合作开发了一套工艺新技 术,使整个系统协调以提高膨胀筛管完井的效力。 (2)VersaFlex尾管系统 VersaFlex尾管系统采用了业界领先的实体膨 胀管技术,以及哈里伯顿公司最好的固井设备、套 管附件和浮动设备,可以形成可靠的尾管悬挂器系 统。普通尾管悬挂器上部失效率高达30%,由此 导致的修补作业成本很高。失效的主要原因是尾管 悬挂器机械失效或者上封隔器失效,或者是水泥环 不能封隔套管重叠段。 与传统的尾管悬挂器/封隔器系统相比该系统 在机械方面有很大优势。更重要的是,尾管悬挂器 /封隔器没有运动部件或暴露的水力孑L。为了进一 步保证尾管顶部的完整性,一体的尾管悬挂器/封 隔器还包括抛光回接器,采用5个独立的橡胶元件 提供环空密封。膨胀工艺保证尾管悬挂器/封隔器 不会提前坐放。 为了提高水泥环的可靠性,系统允许增大循环 速率以获得紊流。另外,哈里伯顿公司还与En— venture环球技术公司合作开发了专用的注水泥设 计,可以消除窜槽、气窜。 (3)近钻头扩眼器 哈里伯顿的Security DBS公司为可膨胀产品市 场推出了一种近钻头扩眼器(NBR)。切削臂可以 通过现有套管跟在一个标准钻头后面,可将套管下 井眼尺寸扩大20%。NBR已经在世界范围内超过 500个钻具组合上使用。 3。ENVENTURE公司 前实体膨胀管99%的施工进尺是由Enventure 公司实施的,该公司开发了三种实体膨胀管产品。 (1)可膨胀尾管系统 可膨胀尾管系统(OHL)主要解决井眼稳定 以及地层压力(破裂压力)等产生的问题。在不 减小井眼直径的情况下多下一层套管,可以钻达更 深的储层或者隔离水层,对于老油田挖潜增效有重 要意义。目前该系统作业时最大泥浆密度为1.8g/ cm ,最大井斜超过100。,膨胀深度大于7925m。 可膨胀尾管系统可以过窗口安装和膨胀,这样 就不再需要锻铣套管。最近的一次套管开窗膨胀管 作业是在墨西哥湾进行的。d ̄193。7mm×244.5mm 可膨胀尾管系统安装在 44.5mm套管内,共膨 胀了610m的套管,其中窗71下方膨胀了579m。 作业商预计节约成本达200万美元。 (2)套管井衬管系统 套管井衬管系统(CHL)主要用于作业,尤 其适合修补大段损坏的套管。Enventure公司于 2002年6月在马来西亚沙捞越海上的E11气井安 装并膨胀了1373m的衬管。 (3)可膨胀尾管悬挂器系统 可膨胀尾管悬挂器系统(ELH)集传统的尾 管悬挂器和尾管上封隔器的功能于一体,结构简单 可靠,避免了环形空间可能发生的漏失,而且增加 了悬挂器和尾管内部的可用内径。 Enventure公司目前正在大力开发等径井眼技 术,该技术消除了目前油井设计中存在的缩径效 应,使作业者可以在上部使用直径相对小的套管, 而完钻井深处的井眼直径反而增大。2002年9月, 壳牌公司在南得克萨斯一71气井的部分井段成功地 使用了该技术。随着实体膨胀管技术的逐步发展与 应用,最终将实现使用一种直径的钻头钻进,并用 同一种直径的套管完井。 4,贝克石油工具公司 贝克石油工具公司自1994年以来一直为业界 提供膨胀管技术,其第一个商业化可膨胀产品是 ZXP尾管封隔器系统,在全球已经应用了超过 12000次,该系统可以承受69MPa高压和204℃ 高温。 (1)可膨胀尾管悬挂器系统 2002年4月,FORMlock可膨胀尾管悬挂器在 阿拉斯加州普鲁德霍湾的一71井中使用,悬挂器下 入深度3150m(测深),尾管长度335m。这是首次 可膨胀尾管顶部完井,完井管柱插入尾管顶部。后 来这种可膨胀尾管悬挂器系统在巴西、印尼、马来 西亚、北美超过l2口井中使用。 (2)六级分支井完井系统 1998年在加利福尼亚州的Belirdge油田,贝克 公司使用FORMation叉71系统完成了世界上第一71 6级分支井,随后该系统在世界范围内获得成功应 用。迄今,在非洲、亚洲、欧洲、北美和南美已经 应用了十多个FORMation叉71系统,使其成为应用 最广泛的6级叉口系统。金属成形技术使叉71系统 可通过标准尺寸套管,然后使用固定尺寸膨胀锥在 井下将叉口的一个分支撑开。这样就可以形成水力 密封,有了全尺寸分支井叉口系统就可以使用传统 方法固井、钻井、完井。 (3)可膨胀裸眼完井系统 EXPress是一种可膨胀裸眼完井系统。它包括 可膨胀防砂筛管,可以减小或消除环空间隙,其最 大用途是水平井裸眼防砂。它结合了该公司EX— CLUDER2000筛管的防砂能力和金属膨胀管技术。 筛管的流动面积比膨胀前大,即使不膨胀也可作为 种优质筛管发挥作用。 可膨胀筛管包括穿孔的中心管和渗滤膜结构。 渗滤膜允许符合条件的泥浆固相通过,防止了筛管 的堵塞,同时维持有效的防砂能力。穿孔中心管结 构比割缝管具有更高的抗挤能力,尤其适合使用电 潜泵的情况,电潜泵可以产生超过6.9MPa的 压降。 该系统在世界范围内进行了大量应用。2002 年3月,贝克公司使用可膨胀裸眼完井系统为中国 石油在印尼海上的Intan油田的三口井中实施了一 趟作业完成的可膨胀完井,使用了可膨胀防砂筛 管、F0RMl0ck EXPress可膨胀尾管悬挂器、EX Press实体可膨胀无眼管、FORMpac XL裸眼隔离 封隔器。 完井作业成功隔离了生产层,并提供了有效的 防砂能力,不再需要砾石充填。旌工作业程序由于 取消了几趟作业,与传统完井作业相比节省了钻机 时间。三口井都投入生产,生产指数远远高于相同 储层的邻井。 2002年7月,再次使用了可膨胀裸眼完井系 统,这是世界上首次在+155.6mm裸眼井的可膨 胀防砂筛管内进行的分层开采完井。作业者希望首 先开采油层,以后开采气层。 2003年3月,贝克石油工具公司在北美洲的 个浅层气田首次应用实体可膨胀管和EXPress筛 管系统以及变径涨管器。因为地层砂不均匀,分选 差,非常细,传统的防砂方法不成功。气田有两个 储层,由薄的页岩分隔,由于下部砂岩有一水层, 需要层位封隔。所有的设备都使用可变径涨管器膨 胀,可膨胀完井装备和膨胀工具一起下井。膨胀前 后筛管内径测量证明筛管按设计成功膨胀。该井生 产稳定,没有出砂。 (4)EXPateh套管补贴系统 EXPateh套管补贴系统可用于套管井和裸眼 井。在套管井中可以封隔射孔,减少进水量,也可 以用来修补损坏的或腐蚀的套管。在防砂完井中可 马洪涛:国外膨胀管技术的发展与应用 23 以封堵进水,它可以放置在FORMpac XL裸眼封隔 器之间,帮助封隔器产生一个机械的液流屏障以选 择性隔离井段。该系统与外层套管形成一个锚定/ 密封段。其坐封机制不依赖周围媒介的完整性,其 长度根据应用可精确调整。 (5)膨胀封隔器 FORMpac XL膨胀封隔器可以防止裸眼尾管和 筛管之间的环状流动,同时维持最大尺寸井眼内 径。膨胀封隔器使液流重新流过筛管,消除了热点 的威胁,防止了腐蚀。封隔器可以承受6.9MPa压 差和121℃的测试。与传统的管外封隔器不同,它 不需要注水泥以产生一个永久性接触力。 二、膨胀管技术的发展动向 ll威德福公司 威德福公司正在进行大量投资以使自己享有专 利的膨胀管技术快速商业化。2003年4月,威德 福公司在苏格兰的阿伯丁开设了一个全球可膨胀管 技术中心。该中心每年可生产7000多根ESS筛管, 拥有世界上唯一的四头激光切削机,以及世界上最 大的研磨性水射流设备。 在休斯顿和阿伯丁该公司还拥有两个世界上最 大的研发、试验、培训设施。阿伯丁的井下技术有 限公司是一家主要的研发/试验中心,主要为海上 油井提供服务。威德福公司还设计并建造了独特的 膨胀钻机,为其所有的可膨胀管技术产品进行受控 的台架试验。该装置拥有一整套数据采集系统,功 率相当于全尺寸钻机。 数据采集系统与威德福设计和工程办公室联 网,通过视频系统可以实时传送实验进程。可以进 行模拟实际条件的专门实验。研究团队可以使用休 斯顿和阿伯丁的钻井装置进行现场试验以及最终产 品评价。 新开发的商业化项目如下: Slimbore裸眼尾管:尾管外径193.7mm,可以 膨胀到244.5mm。 MetalSkin套管修补系统:目前可用的是 +139.7mm×177.8mm系统,三种其他尺寸系统正 在开发:+108mm×139.7mm、+193.7mm× 244.5mm、+152.4mm×193.7mm。 威德福公司新开发的柔性膨胀工具可提高 +73mm筛管膨胀作业效率,满足更小井眼的防砂 要求。 趟完成作业系统投入商业应用,增强了 24 国外油田工程第22卷第2期(2006.2) +lO1.6mm和 l14.3mm ESS筛管作业的效率。在 钻机费率高的地区,如西非、墨西哥湾、北海,可 显著降低成本。 2。哈里伯顿公司 2003年夏季,哈里伯顿公司生产出+215.9mm 三、看法与建议 膨胀管技术是一项富有生命力的新兴技术,涉 及该技术的研究内容较多,是一项系统工程,其应 用领域也日渐广泛。根据上述信息资料,对我国膨 胀管技术发展提出以下看法和建议: ◇进行充分仔细的实验研究。壳牌公司于1993 年开始对膨胀管技术进行实验研究,做了大量的基 础性研究工作,经过7年的努力才达到了商业应用 水平。 PomFlex可膨胀筛管系统,该系统使用了耐腐蚀合 金,+155.6mm筛管在其后不久也生产推出,2003 年末实现了商业化生产。 2003年三季度推出两种额外尺寸的“标准” VersaFlex可膨胀尾管系统,适合深水作业的其他 尺寸产品在2004年早期推出。 Security DBS正在开发一种特殊尺寸钻头和附 件以配合Enventure公司的一系列膨胀管产品,不 久即可交付使用。 3。Enventure环球技术公司 Enventure公司的SlimWell工艺可以减小套管 缩径效应。MonoDiameter(等径)系统可以完全消 除缩径效应,使井眼直径减小,但是总井深处的井 眼直径反而增大。 等径井眼技术的首次现场应用是在得克萨斯州 的一口气井中进行的,合作单位包括Enventure、 壳牌勘探开发公司、壳牌国际勘探开发公司。为了 进行此次作业,首先在井内下人6298.5mm套管, 后来又下人+244.5mm可膨胀套管。套管膨胀到 内径251.5mm,可膨胀套管与外层套管通过橡胶 元件实现悬挂与密封。然后钻掉套管鞋,使用由上 至下膨胀工艺将套管膨胀至内径264.2mm,随后将 下段井眼扩眼至3l1.2mm,然后下人另一段 244.5mm可膨胀套管并膨胀。这两段膨胀套管经 受了27.6MPa压力测试。 Envneture公司将继续提高其基本的膨胀管技 术(如裸眼尾管系统、套管井衬管系统、尾管悬 挂器系统),延长膨胀套管长度,缩短作业时间; 生产抗挤能力更强的套管、更高效的螺纹接头,进 步提高系统可靠性;还将提高套管的抗内压和抗 外挤能力,新的螺纹连接将允许膨胀率超过30%。 4。贝克石油工具公司 HnEXX可膨胀尾管系统于2003年三季度投入 使用,可以有效封堵事故地层,隔离产层,新的尾 管膨胀后保持与上方套管相同的内径,该系统可用 来封堵事故地层。 贝克公司目前将研发重点放在防腐蚀合金、可 靠的气密螺纹连接、提高实体管膨胀后的抗外挤强 度等方面。 ◇加强可膨胀连接及可膨胀式套管附件的研究 开发。可膨胀管之间的连接采用的是特殊螺纹,能 保证在膨胀前、膨胀过程中及膨胀后连接强度及密 封的完整性,这是一项关键技术。 ◇开展实体套管旋转膨胀系统的研究开发。该 系统可以大大减少套管膨胀的轴向阻力,减小作业 压力,提高作业的安全性。 ◇可膨胀防砂筛管(ESS)已在世界范围内进 行了大量的应用,应用效果极好,平均提高产量 70%,降低成本20%。 ◇在膨胀管研究开发和推广应用过程中实现强 强联合,促进技术向生产力迅速转化。 参考文献 1 Robe ̄E.Snyder and Perry A.Fischer:“Expandable technol- ogy growth is changing drilling practices”,World Oil,july, 2oo3 2“Solid expandable tubulars are enabling technology”,Drilling Contractor,March/April 2001 3“Compliant rotary tool improves sand screen expansion”, World Oil,February 2001 4 Shafagat E Takhautdinov,et a1.:“Liners extend casing length without wellbore diameter loss”,Oil&Gas Journal,August 12,2002 5 Shafagat E 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