❶ 膨脹管技術現狀與發展
威德福公司在可膨脹防砂篩管領域居於領先地位，其膨脹管技術分為3類：可膨脹割縫管、實體膨脹管和膨脹系統。哈里伯頓公司的膨脹產品包括可膨脹篩管系統和可膨脹尾管懸掛器/封隔器系統，這兩種系統都經過了大量的室內和現場試驗。Enventure公司開發了三種實體膨脹管產品：可膨脹尾管系統、套管井襯管系統和可膨脹尾管懸掛器系統。貝克石油工具公司的可膨脹產品包括可膨脹尾管懸掛器系統、六級分支井完井系統、可膨脹裸眼完井系統、套管補貼系統和膨脹封隔器。另外，俄羅斯的韃靼石油研究設計院的膨脹管技術也得到了廣泛應用。
最近幾年膨脹管技術呈現爆炸式大發展，該技術對石油工業將產生革命性的影響。例如等徑井眼技術，一旦成熟，將極大地降低油井成本，並完全消除常規套管程序的縮徑效應，井可以鑽得更深，而總井深處的套管內徑與常規井相比反而增大。
3.3.1 威德福公司
自1998年以來，威德福公司一直在可膨脹防砂篩管（ESS）領域居於業界領先地位。該技術發展迅速，目前已經成為降低成本、提高產量的標准方法。該公司還對實體膨脹管技術進行了大規模研究與開發。該公司的膨脹管技術分為3類：可膨脹割縫管（EST）、實體膨脹管（STE）、膨脹系統。
（1）可膨脹割縫管
威德福公司的可膨脹割縫管包括以下3種類型：可膨脹防砂篩管（ESS）、井下襯管系統（ABL）、可膨脹完井尾管（ECL）。
1）可膨脹防砂篩管（ESS）。
威德福公司是可膨脹防砂篩管技術的主要供應商，目前已經在世界范圍內進行了超過225次施工作業，膨脹篩管總長度達3612km，並成功進行了世界上最長的膨脹作業，膨脹篩管長度超過1494m。ESS作為一種可靠高效的防砂方法應用日趨增多。
ESS應用范圍廣泛，其中在裸眼井中應用佔74%，在套管井中佔26%。與其他防砂方法相比可提高產量70%，降低成本超過20%。威德福公司4年前在北海的一口氣井首次使用了ESS。這口高產氣井至今仍穩定生產，無出砂。另一個里程碑式的成果是在2002年末，威德福公司成功地為康納科菲利普斯（Conoco Phillips）公司在渤海灣的蓬萊油田安裝了連接器經過加強的Φ139.7mm ESS，這是ESS在全球的第150次應用。
2）井下襯管系統。
井下襯管系統能代替技術套管柱，而且確保井眼直徑不減小。要封固的井眼部分首先被擴眼，然後利用襯管加強，並用纖維水泥封固這部分井眼。該技術能封固異常壓力地層，以確保向更深的地層鑽進。
開發這項技術的目的：一是減少鑽井成本；二是簡化高溫、高壓深井的設計。在井身設計中考慮使用應急套管，這不僅增加了套管成本，而且還有許多其他不利因素。應急套管上部的井眼/套管的直徑必須大於應急套管，這樣，不管是否真正地使用了應急套管，其上部的鑽井費用增加。
另外，鑽大尺寸井眼耗時更長，處理復雜情況耗時更多。在海上，大尺寸的套管要求使用大尺寸的導管，因此平台也必須加大。用這種方式來設計鑽井，費用很高。如果鑽井設計中不用應急套管，那麼將節約大量的費用。井下可膨脹襯管系統能夠代替應急套管，而且消除了井眼直徑越來越小的不利後果。
在深井鑽井中，為避免井涌/井漏，必須安裝附加的套管或尾管，這樣可能由於套管的直徑太小而導致不能鑽至目的層或進入目的層。這也是開發該技術的主要原因。應用該技術可鑽成深的勘探井、開發井、評價井和生產井，並使用足夠直徑的油管來開采。
3）可膨脹完井尾管。
威德福公司已經開發了可膨脹完井尾管技術，可以取代傳統的割縫尾管或者注水泥射孔尾管。該技術增強了井眼穩定性，提高了選擇性隔離和處理能力，並減小了井眼尺寸。該技術尤其適用於過油管側鑽油層完井，既可以到達受限制的油層段，同時也避免了困難的固井和射孔作業。其他優點包括：①井眼增大，流通面積也增大，因此提高了產量；②允許再入油層進行修井作業，延長了油井壽命，也增強了老井的潛力；③重返油層靈活方便，通過插入封隔器或橋塞可以防止產水；④可適用於Φ88.9mm到Φ241.3mm的井眼。
（2）實體膨脹管
實體膨脹管包括可膨脹尾管懸掛器（ELH）和Metal Skin套管修補系統。
1）可膨脹尾管懸掛器。
ELH系統可以懸掛ESS和其他不注水泥尾管。
ELH可以懸掛Metal Skin套管修補系統。ELH使用柔性旋轉技術膨脹，與外層套管形成金屬對金屬密封，使井眼最大化，方便將來的重入作業。
2）Metal Skin套管修補系統。
2003年中期，在加拿大艾伯塔省的冷湖油田威德福公司成功地安裝了4套Metal Skin實體可膨脹套管修補系統，使4口井恢復生產。該技術是一種金屬對金屬可膨脹套管系統，可以修補腐蝕或損壞的套管。作業使用了威德福公司的柔性旋轉膨脹系統（CRES）。
（3）膨脹系統
傳統EST膨脹錐是一種錐形工具，與膨脹心軸聯合使用，用來膨脹各種割縫管。威德福系統的根本優點是採用了柔性膨脹管技術。下面介紹兩種系統：軸向柔性膨脹系統（ACE）和柔性旋轉膨脹系統（CRES）。
1）軸向柔性膨脹系統。
軸向柔性膨脹系統用來膨脹割縫管，可以消除割縫管與井壁之間的環空，支撐井眼並防止顆粒運移。該系統包括一個由上向下膨脹的柔性膨脹工具、可回收系統、現場修整工具。柔性膨脹工具包括兩部分：用於初始膨脹的固定尺寸滾軸鼻、柔性軸向滾軸。由於活塞可以隨著井眼剖面的變化而伸出或縮回，使工具具有柔性。
2）柔性旋轉膨脹系統。
柔性旋轉膨脹系統是一種液壓機械工具，用來膨脹實體管。當與可膨脹尾管懸掛器施工工具一起使用時，可用來膨脹ELH。它也用來膨脹更長的Metal Skin實體管系統。如Poro Flex可膨脹篩管系統，該系統由上至下膨脹，軸向載荷小。由於是滾動摩擦，摩擦力也大大減小，對套管內徑的不規則性具有很好的適應能力，可以最大限度地防止被膨脹套管破裂。該工具與膨脹前的套管匹配，很容易回收，並具有選擇性膨脹能力。
3.3.2 哈里伯頓公司
哈里伯頓公司的膨脹管產品包括可膨脹篩管系統（Poro Flex）和可膨脹尾管懸掛器/封隔器系統（Versa Flex），這兩種系統都經過了大量的室內和現場試驗。
（1）Poro Flex可膨脹篩管系統
Poro Flex可膨脹篩管系統由於性能可靠，該系統正在迅速被人們接受。該系統可用於套管井和裸眼井完井，主要有以下四方面特點：
1）Poro Flex可膨脹篩管系統以近乎實體管的多孔中心管作為流動管道，具有很高的抗擠能力，並允許進行多種修井作業或附件安裝。封隔器、橋塞以及智能完井設備都可以很可靠地安裝在膨脹後的中心管內。另外，未穿孔管可以下入井內封隔頁岩段或事故地層，以提高層位隔離能力。
2）通過一層可膨脹篩網就實現了過濾功能。篩網是基於Purolator-Facet公司的Poroplate設計製造的，雖然膨脹期間或膨脹後過篩網流動面積增大，但並不改變其微米額定值（過濾固體顆粒）。
3）可膨脹篩管採用了一體式螺紋連接，可以像套管那樣在鑽台上連接，如果必要的話還允許篩管在井內旋轉，這減少了安裝所需的鑽機時間。
4）篩管通過液壓膨脹，使整個膨脹過程實質上不依賴重力，這對於大位移井或者水平井作業來說很理想。固定尺寸膨脹錐使整個篩管膨脹後內徑一致。自投入使用以來，沒有發生中心管、篩網或者連接部件故障，也沒有出砂。
Poro Flex膨脹篩管可用尺寸為155.6mm和215.9mm（均為膨脹後尺寸）。施工作業表明進行可膨脹篩管完井需要一整套系統方法。完井效率/性能比很大程度上與所鑽井眼質量、鑽井液、產層情況了解程度密切關聯。哈里伯頓公司與斯派里森公司和白勞德公司密切合作開發了一套工藝新技術，使整個系統協調，以提高膨脹篩管完井的效力。
（2）Versa Flex尾管系統
Versa Flex尾管系統採用了業界領先的實體膨脹管技術，以及哈里伯頓公司最好的固井設備、套管附件和浮動設備，可以形成可靠的尾管懸掛器系統。普通尾管懸掛器上部失效率高達30%，由此導致的修補作業成本很高。失效的主要原因是尾管懸掛器機械失效或者上封隔器失效，或者是水泥環不能封隔套管重疊段。
與傳統的尾管懸掛器/封隔器系統相比該系統在機械方面有很大優勢。更重要的是，尾管懸掛器/封隔器沒有運動部件或暴露的水力孔。為了進一步保證尾管頂部的完整性，一體的尾管懸掛器/封隔器還包括拋光回接器，採用5個獨立的橡膠元件提供環空密封。膨脹工藝保證尾管懸掛器/封隔器不會提前坐放。
為了提高水泥環的可靠性，系統允許增大循環速率以獲得紊流。另外，哈里伯頓公司還與Enventure環球技術公司合作開發了專用的注水泥設計，可以消除竄槽、氣竄。
（3）近鑽頭擴眼器
哈里伯頓的Security DBS公司為可膨脹產品市場推出了一種近鑽頭擴眼器（NBR）。切削臂可以通過現有套管跟在一個標准鑽頭後面，可將套管下井眼尺寸擴大20%。NBR已經在世界范圍內超過500個鑽具組合上使用。
3.3.3 ENVENTURE公司
前實體膨脹管99%的施工進尺是由Enventure公司實施的，該公司開發了3種實體膨脹管產品。
（1）可膨脹尾管系統
可膨脹尾管系統（OHL）主要解決井眼穩定以及地層壓力（破裂壓力）等產生的問題。在不減小井眼直徑的情況下多下一層套管，可以鑽達更深的儲層或者隔離水層，對於老油田挖潛增效有重要意義。目前該系統作業時最大泥漿密度為1.8g/cm3，最大井斜超過100°，膨脹深度大於7925m。可膨脹尾管系統可以過窗口安裝和膨脹，這樣就不再需要鍛銑套管。最近的一次套管開窗膨脹管作業是在墨西哥灣進行的，Φ193.7mm（244.5mm）可膨脹尾管系統安裝在Φ244.5mm套管內，共膨脹了610m的套管，其中窗口下方膨脹了579m。
（2）套管井襯管系統
套管井襯管系統（CHL）主要用於作業，尤其適合修補大段損壞的套管。Enventure公司於2002年6月在馬來西亞沙撈越海上的E11氣井安裝並膨脹了1373m的襯管。
（3）可膨脹尾管懸掛器系統
可膨脹尾管懸掛器系統（ELH）集傳統的尾管懸掛器和尾管上封隔器的功能於一體，結構簡單可靠，避免了環形空間可能發生的漏失，而且增加了懸掛器和尾管內部的可用內徑。
Enventure公司目前正在大力開發等徑井眼技術，該技術消除了目前油井設計中存在的縮徑效應，使作業者可以在上部使用直徑相對小的套管，而完鑽井深處的井眼直徑反而增大。2002年9月，殼牌公司在南得克薩斯一口氣井的部分井段成功地使用了該技術。隨著實體膨脹管技術的逐步發展與應用，最終將實現使用一種直徑的鑽頭鑽進，並用同一種直徑的套管完井。
3.3.4 貝克石油工具公司
貝克石油工具公司自1994年以來一直為業界提供膨脹管技術，其第一個商業化可膨脹產品是ZXP尾管封隔器系統，在全球已經應用了超過12000次，該系統可以承受69MPa高壓和204℃高溫。
（1）可膨脹尾管懸掛器系統
2002年4月，FORM lock可膨脹尾管懸掛器在阿拉斯加州普魯德霍灣的一口井中使用，懸掛器下入深度3150m（測深），尾管長度335m。這是首次可膨脹尾管頂部完井，完井管柱插入尾管頂部。後來這種可膨脹尾管懸掛器系統在巴西、印尼、馬來西亞、北美超過12口井中使用。
（2）六級分支井完井系統
1998年在加利福尼亞州的Belridge油田，貝克公司使用FORMation叉口系統完成了世界上第一口6級分支井，隨後該系統在世界范圍內獲得成功應用。迄今，在非洲、亞洲、歐洲、北美和南美已經應用了十多個FORMation叉口系統，使其成為應用最廣泛的6級叉口系統。金屬成形技術使叉口系統可通過標准尺寸套管，然後使用固定尺寸膨脹錐在井下將叉口的一個分支撐開。這樣就可以形成水力密封，有了全尺寸分支井叉口系統就可以使用傳統方法固井、鑽井、完井。
（3）可膨脹裸眼完井系統
EXPress是一種可膨脹裸眼完井系統。它包括可膨脹防砂篩管，可以減小或消除環空間隙，其最大用途是水平井裸眼防砂。它結合了該公司EXCLUDER 2000篩管的防砂能力和金屬膨脹管技術。篩管的流動面積比膨脹前大，即使不膨脹也可作為一種優質篩管發揮作用。
可膨脹篩管包括穿孔的中心管和滲濾膜結構。滲濾膜允許符合條件的泥漿固相通過，防止了篩管的堵塞，同時維持有效的防砂能力。穿孔中心管結構比割縫管具有更高的抗擠能力，尤其適合使用電潛泵的情況，電潛泵可以產生超過6.9MPa的壓降。
該系統在世界范圍內進行了大量應用。2002年3月，貝克公司使用可膨脹裸眼完井系統為中國石油在印尼海上的Intan油田的三口井中實施了一趟作業完成的可膨脹完井，使用了可膨脹防砂篩管、FORM lock EXPress可膨脹尾管懸掛器、EXPress實體可膨脹無眼管、FORM pacXL裸眼隔離封隔器。
完井作業成功隔離了生產層，並提供了有效的防砂能力，不再需要礫石充填。施工作業程序由於取消了幾趟作業，與傳統完井作業相比節省了鑽機時間。3口井都投入生產，生產指數遠遠高於相同儲層的鄰井。
2003年3月，貝克石油工具公司在北美洲的一個淺層氣田首次應用實體可膨脹管和EXPress篩管系統以及變徑漲管器。因為地層砂不均勻，分選差，非常細，傳統的防砂方法不成功。氣田有兩個儲層，由薄的頁岩分隔，由於下部砂岩有一水層，需要層位封隔。所有的設備都使用可變徑漲管器膨脹，可膨脹完井裝備和膨脹工具一起下井。膨脹前後篩管內徑測量證明篩管按設計成功膨脹。該井生產穩定，沒有出砂。
（4）EXPatch套管補貼系統
EXPatch套管補貼系統可用於套管井和裸眼井。在套管井中可以封隔射孔，減少進水量，也可以用來修補損壞的或腐蝕的套管。在防砂完井中可以封堵進水，它可以放置在FORM pacXL裸眼封隔器之間，幫助封隔器產生一個機械的液流屏障以選擇性隔離井段。該系統與外層套管形成一個錨定/密封段。其坐封機制不依賴周圍媒介的完整性，其長度根據應用可精確調整。
（5）膨脹封隔器
FORM pacXL膨脹封隔器可以防止裸眼尾管和篩管之間的環狀流動，同時維持最大尺寸井眼內徑。膨脹封隔器使液流重新流過篩管，消除了熱點的威脅，防止了腐蝕。封隔器可以承受6.9MPa壓差和121℃的測試。與傳統的管外封隔器不同，它不需要注水泥以產生一個永久性接觸力。
3.3.5 等井徑系統
目前，等井徑膨脹套管技術用來封堵井內復雜層段，例如對於異常高壓、衰竭地層或膏鹽層等復雜層段，採用該技術可很好地解決難題。由於膨脹套管的強度、氣體密封性及抗腐蝕性能還無法完全達到生產要求，Enventure公司計劃在2010年實現等井徑膨脹套管技術在海洋鑽井領域的現場應用。隨著等井徑技術的發展，其關鍵技術的突破將大大簡化深井、超深井的井身結構，最終實現等徑井眼鑽進。
直接應用膨脹管作為鑽桿進行鑽井（即膨脹套管鑽井）將是建井的最高水平，可以作為鑽井技術發展的一個長遠目標。套管鑽井不僅可以節省套管下入時間，產生更小的環空和更容易消除井筒的泥餅效應，也可以協作進行多分支井和智能井的建設，促進多分支井和智能井技術的發展，實現膨脹套管內多分支井的智能化生產控制，但會增加額外的時間和費用，而且還需在鑽井過程中增加其他的安全措施。
3.3.6 膨脹管技術發展動向
（1）威德福公司
威德福公司正在進行大量投資以使自己享有專利的膨脹管技術快速商業化。2003年4月，威德福公司在蘇格蘭的阿伯丁開設了一個全球可膨脹管技術中心。該中心每年可生產7000多根ESS篩管，擁有世界上唯一的四頭激光切削機，以及世界上最大的研磨性水射流設備。
在休斯敦和阿伯丁該公司還擁有兩個世界上最大的研發、試驗、培訓基地。阿伯丁的井下技術有限公司是一家主要的研發/試驗中心，主要為海上油井提供服務。威德福公司還設計並建造了獨特的膨脹鑽機，為其所有的可膨脹管技術產品進行受控的台架試驗。該裝置擁有一整套數據採集系統，功率相當於全尺寸鑽機。
數據採集系統與威德福設計和工程辦公室聯網，通過視頻系統可以實時傳送實驗進程。可以進行模擬實際條件的專門實驗。研究團隊可以使用休斯敦和阿伯丁的鑽井裝置進行現場試驗以及最終產品評價。
新開發的商業化項目如下：
Slimbore裸眼尾管：尾管外徑193.7mm，可以膨脹到244.5mm。
Metal Skin套管修補系統：目前可用的是Φ139.7mm×177.8mm系統，三種其他尺寸系統正在開發：Φ108mm×139.7mm、Φ193.7mm×244.5mm、Φ152.4mm×193.7mm。
威德福公司新開發的柔性膨脹工具可提高Φ73mm篩管膨脹作業效率，滿足更小井眼的防砂要求。
一趟完成作業系統投入商業應用，增強了Φ101.6mm和Φ114.3mmESS篩管作業的效率。在鑽機費率高的地區，如西非、墨西哥灣、北海，可顯著降低成本。
（2）哈里伯頓公司
2003年夏季，哈里伯頓公司生產出Φ215.9mm Poro Flex可膨脹篩管系統，該系統使用了耐腐蝕合金，Φ155.6mm篩管在其後不久也生產推出，2003年末實現了商業化生產。
2003年三季度推出兩種額外尺寸的「標准」Versa Flex可膨脹尾管系統，適合深水作業的其他尺寸產品在2004年早期推出。
Security DBS正在開發一種特殊尺寸鑽頭和附件以配合Enventure公司的一系列膨脹管產品，不久即可交付使用。
（3）Enventure環球技術公司
Enventure公司的SlimWell工藝可以減小套管縮徑效應。MonoDiameter（等徑）系統可以完全消除縮徑效應，使井眼直徑減小，但是總井深處的井眼直徑反而增大。
等徑井眼技術的首次現場應用是在得克薩斯州的一口氣井中進行的，合作單位包括Enventure、殼牌勘探開發公司、殼牌國際勘探開發公司。為了進行此次作業，首先在井內下入Φ298.5mm套管，後來又下入Φ244.5mm可膨脹套管。套管膨脹到內徑251.5mm，可膨脹套管與外層套管通過橡膠元件實現懸掛與密封。然後鑽掉套管鞋，使用由上至下膨脹工藝將套管膨脹至內徑264.2mm，隨後將下段井眼擴眼至311.2mm，然後下入另一段244.5mm可膨脹套管並膨脹。這兩段膨脹套管經受了27.6MPa壓力測試。
Envneture公司將繼續提高其基本的膨脹管技術（如裸眼尾管系統、套管井襯管系統、尾管懸掛器系統），延長膨脹套管長度，縮短作業時間；生產抗擠能力更強的套管、更高效的螺紋接頭，進一步提高系統可靠性；還將提高套管的抗內壓和抗外擠能力，新的螺紋連接將允許膨脹率超過30%。
（4）貝克石油工具公司
LinEXX可膨脹尾管系統於2003年三季度投入使用，可以有效封堵事故地層，隔離產層，新的尾管膨脹後保持與上方套管相同的內徑，該系統可用來封堵事故地層。
貝克公司目前將研發重點放在防腐蝕合金、可靠的氣密螺紋連接、提高實體管膨脹後的抗外擠強度等方面。