2024年3月12日发(作者：佟年)
膨胀管技术及膨胀工具的改进与计算
马开春
【摘 要】Bulged tube technology considered as one of the core
technology of oil drilling industry in 21th centu-ry, is mainly used in
optimizing well bore configuration, preventing borehole wall from clipping
and sloughing, plugging high pressure zone or low pressure loss layer, and
repatching the damaged casing, etc. However, the in-flation tools are easy
to be stuck in the inflation process and not easy to be taken out after
expansion in field test in domestic oilfield. Therefore, some improvements
are made on the expansion tools, and the optimization design cal-culation
of expansion tools is conducted. The improved expansion tools are
expected to become the core technology of repairing casing damage.%膨
胀管技术主要应用于优化井身结构、预防井壁掉块及坍塌、封堵高压层或低压漏失
层、修补井中损坏的套管等,被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一.但目
前在国内油田现场试验中存在膨胀过程中膨胀工具易卡、膨胀后膨胀工具不易取出
等问题.为此,对膨胀工具进行了改进,并进行了膨胀工具的优化设计计算,改进后的膨
胀工具有望成为套损井修复的核心技术.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2012(064)004
【总页数】4页(P900-903)
【关键词】膨胀管;膨胀工具;套管;套损
【作 者】马开春
【作者单位】大庆油田有限责任公司第九采油厂,大庆163853
【正文语种】中 文
【中图分类】TE355.7
表1 L—80、K—55膨胀前后的力学性能材料 性能 API 5CT 未膨胀 膨胀20%硬
度/HRB 241(最大)L—80 200-205 217屈服强度 σ0.2/MPa 551.6(最小)567.4
568.1抗拉强度σb/MPa 655(最小)668.14 722.6屈强比 0.84 0.85 0.79伸长率/%
14(最小)27.1 19.4 484 547.4 761.9 799.8 0.64 0.68 26 22屈服强度 σ0.2/MPa
379.2(最小)K—55抗拉强度σb/MPa 655(最小)屈强比 0.58伸长率/% 9.5(最小)
1 膨胀管技术研究
1.1 材料学研究
膨胀管的材料必须具有足够高的变形能力，且膨胀后的力学性能基本能达到普通套
管的水平［1］。目前采用常规套管材料，如L—80、K—55。国外针对L—80、
K—55做了大量研究，试验表明，膨胀后管材的性能仍能满足API标准的要求(见
表1)。
由表1可知，经20%膨胀后，由于加工硬化的作用，L—80、K—55的抗拉强度
都有所提高，伸长率都有所降低，由于膨胀残余应力的影响，屈服强度数据较分散，
但所有数据均满足API5CT的要求［2］。综上所述，可膨胀管管材必须具有足够
高的变形能力，膨胀后及应变强化后的屈服强度、抗拉强度、伸长率、硬度、冲击
韧度、挤毁强度和应力腐蚀敏感性等均应满足API5CT的要求。
1.2 驱动系统(膨胀工具)的研究
在对金属管材扩径膨胀芯头调查研究和理论分析的基础上，结合国外膨胀套管作业
实践，设计了膨胀锥几何模型，见图1为芯头锥角，Ⅰ为润滑辅助区，Ⅱ为膨胀
区，Ⅲ为定径区［3，4］。
膨胀作业时主要靠膨胀锥的膨胀区给管子内壁施加压力使其发生塑性变形，定径区
的作用在于防止管壁发生大幅度回弹。
1.2.1 润滑辅助区的直径与度
润滑辅助区的作用主要有2个，一是膨胀时将润滑剂良好地带入膨胀区，二是对
即将进入膨胀区的管子起导向作用。该区段的外径D1，应该小于管子膨胀前的内
径d，见图2。根据管材冷加工经验，如果是经过退火处理的膨胀管，则d-
D1≥0.8。该段的长度主要对膨胀管起导向作用，不宜过长，一般可取其值为
0.4 ～0.7d。
1.2.2 膨胀区的长度与锥角
从图4所示的几何关系可以很明显地看出，膨胀区圆锥段的长度l2可由下式来确
定:
锥角的选择考虑了以下几点因素:使变形区的金属流动尽量流畅;有利于使润滑剂在
膨胀区建立流体润滑条件;有利于管子轴线与膨胀锥轴线重合，使膨胀力方向正确;
使膨胀力尽可能小。
要从理论上确定精确的最佳锥角数值是非常困难的，在金属管材冷加工中，这个角
度也是根据经验确定的，建议在具体设计时最好采用小锥角芯头，一般以6 ～18
度为宜［5］。
1.2.3 膨胀锥定径区的长度与直径
该段长度l3可在较大范围内波动，对膨胀力和膨胀过程的稳定性影响不大，另外，
膨胀锥定径区在长度方向可以带有不大的锥度(直径差0.1 mm)。该段的外径D3
等于管子膨胀后所要达到的内径［6-7］。
2 膨胀工具设计方案改进
2.1 试验情况
在对两口套损井应用膨胀管技术进行修复过程中，发现存在以下两个主要问题:(1)
膨胀过程中容易出现膨胀工具被卡现象;(2)在膨胀结束后取出膨胀工具困难，需要
很大的力。
2.2 设计方案改进
针对目前现场试验中存在的问题，考虑目前膨胀工具直径是不可变的，提出研究可
变直径膨胀工具。其结构主要由引导膨胀工具、自适应膨胀环、锥形心轴、联动机
构几部分组成。具体工作原理如下:(1)将膨胀工具装入膨胀管发射器内，连接投送
油管下入井内预定位置;(2)地面打压，压力作用一级膨胀工具和锥形心轴，其合力
推动膨胀工具整体下行对膨胀管体进行膨胀;(3)在膨胀工具通过套管内径大于109
mm的套损段时，一级膨胀工具将膨胀管内径初胀至Φ109 mm，自适应膨胀环
在锥形膨胀工具锥面作用下直径扩大至Φ112 mm，对膨胀管内径进行二次膨
胀;(4)当膨胀工具通过正常段或缩径段时，由于自适应膨胀环阻力增加，地面压力
增大，联动机构开始动作，自适应膨胀环靠心轴锥面挤压作用下滑压缩联动机构，
使直径缩小至Φ109 mm，从而通过套管缩径段;(5)当膨胀工具通过套管缩径段进
入扩大段时，联动机构释放自适应膨胀环，锥形膨胀工具的锥体继续起作用，将自
适应膨胀环直径扩大至Φ112 mm进行膨胀。
2.2.1 自锁角的计算
为防止膨胀过程中膨胀环与心轴产生自锁，膨胀环角度(即图3所示线段AB与CD
延长线的夹角)必须大于其自锁角。因此，应首先知道自锁角的大小，然后再计算
膨胀环的角度。
目前膨胀工具与膨胀管内壁成15°角(即CD线与垂直方向的夹角为15°)。对图4
中滑块的受力分析如图6所示，其中
式(1)中:N1—膨胀管与膨胀环CD面之间的压力(N);f1—膨胀管与膨胀环 CD面之
间的摩擦力(N);N2—膨胀环与心轴之间的压力，即AB面压力(N);f2—膨胀环与心
轴之间的摩擦力(N);N3—膨胀管与膨胀环之间DE面的压力(N);f3—膨胀管与膨胀
环DE面之间的摩擦力(N);α—线段AB与CD的夹角;β—膨胀锥角(15°已知);μ—
钢—钢静摩擦系数(μ=1.5查表得)。
当自适应膨胀工具沿AB面滑动不产生自锁时
由式(1)、式(2)得
又因为:0°＜α＜90°，两端同时除以 sinα并整理得:
由于膨胀管膨胀过程中，力主要作用于滑块的CD面上，N3≤N1，分两种极限情
况对式(4)进行讨论:
第一种情况:当N3=0时，由式(4)有:
第二种情况:N3=N1时，同理有:α ＞9.561 5°。
综上所述，自锁角角度应在 9.561 5°～17.061 5°之间，所以在设计时，为了避免
滑块自锁，取 α =18°。
2.2.2 联动机构提供力—弹簧力的计算
通过试验得到数据:膨胀管内径Φ99.3 mm，膨胀工具的最大外径 Φ109.8 mm，
当压强达到32～33 MPa时开始膨胀(这里选取P1=33 MPa)。二次膨胀由109.8
mm膨胀至112.8 mm。
当膨胀管内径由99.3 mm膨胀至109.8 mm时，膨胀压力为:
如图5所示，设B'处的压强为P，且由A'到B'压强从0逐渐增加到P。由图6可
知，P为r的函数，则设P=P(r)。当r=r1时，p=0;当 r=r2时，p=P;所以:
当启动时，膨胀锥所受向上的力与向下的力相等，有:
所以:
当进行二次膨胀时力的变化趋势和第一次是相同的，又由于材料变形后其达到塑性
变形的极限值变化不大，所以仍假设B'处的压强为P。则此时作用于第二个膨胀锥
的液压力F2为:
又因为:F2=，则P总 =P1+P2=42.296 MPa。
如图7所示的受力情况，作用于滑块CD面的合力的作用点应该位于距底端2/3
处。如图8所示，设合力作用点处膨胀锥的半径为rx，所以有:
因此，膨胀管作用于膨胀锥的力可以看作是作用于半径为55.9 mm的圆周上的力，
设该圆周上单位长度(mm)的力为Fa，如图8所示，则:
设联动机构提供给该圆周单位长度(mm)上的力为T，则滑块滑动的临界条件为:
当滑块即将滑动时，N1=Fa，N3=0。所以由式(1)知:
所以
则联动机构提供的总的力为:
3 结论
(1)可膨胀管的管材应具有较低屈强比、较高的变形硬化指数、无明显的屈服现象
等性质。
(2)现用膨胀工具存在膨胀过程中容易被卡，膨胀结束后膨胀工具不易取出等问题。
(3)从理论上确定精确的最佳锥角数值是非常困难的，建议在具体设计时最好采用
小锥角膨胀工具，一般以6°～18°为宜。
(4)可变径膨胀工具有望解决目前膨胀工具存在的问题。
参考文献
【相关文献】
1 贾宗华，孟爱鲁，王维星，等.低合金膨胀管补贴工艺在文留油田的应用.石油地质与工程，
2011;25(7):115—116
2 尹 虎，李 黔，李林涛.实体膨胀管膨胀推力理论模型研究.钻采工艺，2011;34(4):115—116
3 余金陵，周延军，王锡洲.膨胀管技术的应用研究初探.石油钻探技术，2002;30(5):59—61
4 Nida R，Meijs R，Reed S，et -tive expandable liner-hanger application saves
time on pinedale anticline drilling operations:two case studies.2007，SPE/IADC 90192
5 Filippov A，Mack R，Cook L，et able tubular solutions.2000，SPE 56500
6 Ruggier M，Benzie S，Urelmann R，et es in expandable tubuing-a case
history.2003，SPE/IADC 67768
7 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.石油钻探技术，
2007;35(4):63—66
2024年3月12日发(作者：佟年)
膨胀管技术及膨胀工具的改进与计算
马开春
【摘 要】Bulged tube technology considered as one of the core
technology of oil drilling industry in 21th centu-ry, is mainly used in
optimizing well bore configuration, preventing borehole wall from clipping
and sloughing, plugging high pressure zone or low pressure loss layer, and
repatching the damaged casing, etc. However, the in-flation tools are easy
to be stuck in the inflation process and not easy to be taken out after
expansion in field test in domestic oilfield. Therefore, some improvements
are made on the expansion tools, and the optimization design cal-culation
of expansion tools is conducted. The improved expansion tools are
expected to become the core technology of repairing casing damage.%膨
胀管技术主要应用于优化井身结构、预防井壁掉块及坍塌、封堵高压层或低压漏失
层、修补井中损坏的套管等,被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一.但目
前在国内油田现场试验中存在膨胀过程中膨胀工具易卡、膨胀后膨胀工具不易取出
等问题.为此,对膨胀工具进行了改进,并进行了膨胀工具的优化设计计算,改进后的膨
胀工具有望成为套损井修复的核心技术.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2012(064)004
【总页数】4页(P900-903)
【关键词】膨胀管;膨胀工具;套管;套损
【作 者】马开春
【作者单位】大庆油田有限责任公司第九采油厂,大庆163853
【正文语种】中 文
【中图分类】TE355.7
表1 L—80、K—55膨胀前后的力学性能材料 性能 API 5CT 未膨胀 膨胀20%硬
度/HRB 241(最大)L—80 200-205 217屈服强度 σ0.2/MPa 551.6(最小)567.4
568.1抗拉强度σb/MPa 655(最小)668.14 722.6屈强比 0.84 0.85 0.79伸长率/%
14(最小)27.1 19.4 484 547.4 761.9 799.8 0.64 0.68 26 22屈服强度 σ0.2/MPa
379.2(最小)K—55抗拉强度σb/MPa 655(最小)屈强比 0.58伸长率/% 9.5(最小)
1 膨胀管技术研究
1.1 材料学研究
膨胀管的材料必须具有足够高的变形能力，且膨胀后的力学性能基本能达到普通套
管的水平［1］。目前采用常规套管材料，如L—80、K—55。国外针对L—80、
K—55做了大量研究，试验表明，膨胀后管材的性能仍能满足API标准的要求(见
表1)。
由表1可知，经20%膨胀后，由于加工硬化的作用，L—80、K—55的抗拉强度
都有所提高，伸长率都有所降低，由于膨胀残余应力的影响，屈服强度数据较分散，
但所有数据均满足API5CT的要求［2］。综上所述，可膨胀管管材必须具有足够
高的变形能力，膨胀后及应变强化后的屈服强度、抗拉强度、伸长率、硬度、冲击
韧度、挤毁强度和应力腐蚀敏感性等均应满足API5CT的要求。
1.2 驱动系统(膨胀工具)的研究
在对金属管材扩径膨胀芯头调查研究和理论分析的基础上，结合国外膨胀套管作业
实践，设计了膨胀锥几何模型，见图1为芯头锥角，Ⅰ为润滑辅助区，Ⅱ为膨胀
区，Ⅲ为定径区［3，4］。
膨胀作业时主要靠膨胀锥的膨胀区给管子内壁施加压力使其发生塑性变形，定径区
的作用在于防止管壁发生大幅度回弹。
1.2.1 润滑辅助区的直径与度
润滑辅助区的作用主要有2个，一是膨胀时将润滑剂良好地带入膨胀区，二是对
即将进入膨胀区的管子起导向作用。该区段的外径D1，应该小于管子膨胀前的内
径d，见图2。根据管材冷加工经验，如果是经过退火处理的膨胀管，则d-
D1≥0.8。该段的长度主要对膨胀管起导向作用，不宜过长，一般可取其值为
0.4 ～0.7d。
1.2.2 膨胀区的长度与锥角
从图4所示的几何关系可以很明显地看出，膨胀区圆锥段的长度l2可由下式来确
定:
锥角的选择考虑了以下几点因素:使变形区的金属流动尽量流畅;有利于使润滑剂在
膨胀区建立流体润滑条件;有利于管子轴线与膨胀锥轴线重合，使膨胀力方向正确;
使膨胀力尽可能小。
要从理论上确定精确的最佳锥角数值是非常困难的，在金属管材冷加工中，这个角
度也是根据经验确定的，建议在具体设计时最好采用小锥角芯头，一般以6 ～18
度为宜［5］。
1.2.3 膨胀锥定径区的长度与直径
该段长度l3可在较大范围内波动，对膨胀力和膨胀过程的稳定性影响不大，另外，
膨胀锥定径区在长度方向可以带有不大的锥度(直径差0.1 mm)。该段的外径D3
等于管子膨胀后所要达到的内径［6-7］。
2 膨胀工具设计方案改进
2.1 试验情况
在对两口套损井应用膨胀管技术进行修复过程中，发现存在以下两个主要问题:(1)
膨胀过程中容易出现膨胀工具被卡现象;(2)在膨胀结束后取出膨胀工具困难，需要
很大的力。
2.2 设计方案改进
针对目前现场试验中存在的问题，考虑目前膨胀工具直径是不可变的，提出研究可
变直径膨胀工具。其结构主要由引导膨胀工具、自适应膨胀环、锥形心轴、联动机
构几部分组成。具体工作原理如下:(1)将膨胀工具装入膨胀管发射器内，连接投送
油管下入井内预定位置;(2)地面打压，压力作用一级膨胀工具和锥形心轴，其合力
推动膨胀工具整体下行对膨胀管体进行膨胀;(3)在膨胀工具通过套管内径大于109
mm的套损段时，一级膨胀工具将膨胀管内径初胀至Φ109 mm，自适应膨胀环
在锥形膨胀工具锥面作用下直径扩大至Φ112 mm，对膨胀管内径进行二次膨
胀;(4)当膨胀工具通过正常段或缩径段时，由于自适应膨胀环阻力增加，地面压力
增大，联动机构开始动作，自适应膨胀环靠心轴锥面挤压作用下滑压缩联动机构，
使直径缩小至Φ109 mm，从而通过套管缩径段;(5)当膨胀工具通过套管缩径段进
入扩大段时，联动机构释放自适应膨胀环，锥形膨胀工具的锥体继续起作用，将自
适应膨胀环直径扩大至Φ112 mm进行膨胀。
2.2.1 自锁角的计算
为防止膨胀过程中膨胀环与心轴产生自锁，膨胀环角度(即图3所示线段AB与CD
延长线的夹角)必须大于其自锁角。因此，应首先知道自锁角的大小，然后再计算
膨胀环的角度。
目前膨胀工具与膨胀管内壁成15°角(即CD线与垂直方向的夹角为15°)。对图4
中滑块的受力分析如图6所示，其中
式(1)中:N1—膨胀管与膨胀环CD面之间的压力(N);f1—膨胀管与膨胀环 CD面之
间的摩擦力(N);N2—膨胀环与心轴之间的压力，即AB面压力(N);f2—膨胀环与心
轴之间的摩擦力(N);N3—膨胀管与膨胀环之间DE面的压力(N);f3—膨胀管与膨胀
环DE面之间的摩擦力(N);α—线段AB与CD的夹角;β—膨胀锥角(15°已知);μ—
钢—钢静摩擦系数(μ=1.5查表得)。
当自适应膨胀工具沿AB面滑动不产生自锁时
由式(1)、式(2)得
又因为:0°＜α＜90°，两端同时除以 sinα并整理得:
由于膨胀管膨胀过程中，力主要作用于滑块的CD面上，N3≤N1，分两种极限情
况对式(4)进行讨论:
第一种情况:当N3=0时，由式(4)有:
第二种情况:N3=N1时，同理有:α ＞9.561 5°。
综上所述，自锁角角度应在 9.561 5°～17.061 5°之间，所以在设计时，为了避免
滑块自锁，取 α =18°。
2.2.2 联动机构提供力—弹簧力的计算
通过试验得到数据:膨胀管内径Φ99.3 mm，膨胀工具的最大外径 Φ109.8 mm，
当压强达到32～33 MPa时开始膨胀(这里选取P1=33 MPa)。二次膨胀由109.8
mm膨胀至112.8 mm。
当膨胀管内径由99.3 mm膨胀至109.8 mm时，膨胀压力为:
如图5所示，设B'处的压强为P，且由A'到B'压强从0逐渐增加到P。由图6可
知，P为r的函数，则设P=P(r)。当r=r1时，p=0;当 r=r2时，p=P;所以:
当启动时，膨胀锥所受向上的力与向下的力相等，有:
所以:
当进行二次膨胀时力的变化趋势和第一次是相同的，又由于材料变形后其达到塑性
变形的极限值变化不大，所以仍假设B'处的压强为P。则此时作用于第二个膨胀锥
的液压力F2为:
又因为:F2=，则P总 =P1+P2=42.296 MPa。
如图7所示的受力情况，作用于滑块CD面的合力的作用点应该位于距底端2/3
处。如图8所示，设合力作用点处膨胀锥的半径为rx，所以有:
因此，膨胀管作用于膨胀锥的力可以看作是作用于半径为55.9 mm的圆周上的力，
设该圆周上单位长度(mm)的力为Fa，如图8所示，则:
设联动机构提供给该圆周单位长度(mm)上的力为T，则滑块滑动的临界条件为:
当滑块即将滑动时，N1=Fa，N3=0。所以由式(1)知:
所以
则联动机构提供的总的力为:
3 结论
(1)可膨胀管的管材应具有较低屈强比、较高的变形硬化指数、无明显的屈服现象
等性质。
(2)现用膨胀工具存在膨胀过程中容易被卡，膨胀结束后膨胀工具不易取出等问题。
(3)从理论上确定精确的最佳锥角数值是非常困难的，建议在具体设计时最好采用
小锥角膨胀工具，一般以6°～18°为宜。
(4)可变径膨胀工具有望解决目前膨胀工具存在的问题。
参考文献
【相关文献】
1 贾宗华，孟爱鲁，王维星，等.低合金膨胀管补贴工艺在文留油田的应用.石油地质与工程，
2011;25(7):115—116
2 尹 虎，李 黔，李林涛.实体膨胀管膨胀推力理论模型研究.钻采工艺，2011;34(4):115—116
3 余金陵，周延军，王锡洲.膨胀管技术的应用研究初探.石油钻探技术，2002;30(5):59—61
4 Nida R，Meijs R，Reed S，et -tive expandable liner-hanger application saves
time on pinedale anticline drilling operations:two case studies.2007，SPE/IADC 90192
5 Filippov A，Mack R，Cook L，et able tubular solutions.2000，SPE 56500
6 Ruggier M，Benzie S，Urelmann R，et es in expandable tubuing-a case
history.2003，SPE/IADC 67768
7 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.石油钻探技术，
2007;35(4):63—66