3.2.1 實體膨脹管
實體膨脹管技術是通過機械的或液壓的方式使膨脹錐受壓或受拉從管柱中穿過，使膨脹管柱內徑發生永久性膨脹的技術。大多數實體膨脹管技術應用在的管柱。膨脹率壹般為10%～30%。
（1）裸眼可膨脹尾管（OHL）系統
可膨脹裸眼尾管系統（圖3.3）技術有3方面的作用：①深井鉆井時需要多開，表層套管使用大直徑套管成本太高，使用可膨脹裸眼尾管系統可以使表層套管使用較小直徑的套管，從而降低套管成本；②隨著井眼不斷加深、套管的尺寸越來越小，如果采用膨脹管就能減小井眼的錐度，維持井徑和套管內徑，從而提高鉆井效率；以達到鉆更小、更深的井眼而使生產套管具有更大的直徑，這將有利於提高油氣產量；③可膨脹裸眼尾管使常規井身結構應用於探井，作為壹種節省投資的應急措施，可膨脹管裸眼尾管膨脹後的直徑大於用卡瓦固定的尾管直徑，所以這將有利於把探井轉變為有經濟意義的生產井。
（2）套管井可膨脹尾管（CHL）系統
套管井可膨脹尾管有以下3方面的作用：①用於修補老井或套損井中的套管，這種用途對於修補長段的套管腐蝕、漏失以及進行側鉆和加深鉆井施工有重要意義；②用來封堵常規方法（如擠水泥）封堵失敗的射孔層段，還可以阻斷完全沒有必要的出水或產氣，用來調剖，從而實施對現有生產井和註水井的控制；③也可以用作補貼套管，用來修補漏失套管或錯斷套管。將膨脹管作為內襯管，而套管的縮徑很小，並能滿足在襯管下面繼續鉆進。
（3）OHC可膨脹套管系統
OHC（Open-Hole Clad）可膨脹套管系統利用彈性物噴塗技術在膨脹管外面噴塗了壹層特殊的彈性材料，利用彈性材料的彈性加強管體與井壁的密封，可進行層間封隔。用於裸眼井的膨脹套管系統由於噴塗了特殊的彈性材料，因此應用範圍廣。例如，能使水平井生產層段的地層保持穩定。在裸眼中，該系統可以跨過泥漿漏失嚴重的地層安裝，防止漏失的發生。該系統由能滿足被隔離裸眼井段長度的膨脹套管和壹段預膨脹管組成，其中的預膨脹管為浮動裝置和擴管錐提供了壓力腔室。在膨脹套管的兩端有錨定懸掛接頭，附帶的膨脹懸掛器可以沿膨脹套管的長度方向安裝在任意位置，密封住目的裸眼井段。由於該系統僅僅覆蓋住有問題的井段，無需密封全部裸眼井段，因此可以節約大量費用。
圖3.3 OHL可膨脹套管系統
（4）可膨脹尾管懸掛器（ELH）
可膨脹管用作尾管懸掛器（圖3.4），與卡瓦尾管懸掛器比較：①更簡單、更經濟，不是讓整個尾管膨脹，而是僅膨脹尾管的壹小部分，擠壓膠圈來實現密封懸掛，形成尾管懸掛器；②可膨脹尾管懸掛器系統壽命長，維修費用減少；③可膨脹尾管懸掛器系統集卡瓦懸掛器與封隔器功能於壹身，可在坐封過程中和整個工作期間防止環空漏失，節省用於水泥、尾管懸掛器、封隔器有關的費用，統計資料顯示：卡瓦懸掛器由於坐封失效而出現漏失的概率高達45%～60%，但是可膨脹尾管懸掛器可有效地防止這種漏失；④在膨脹懸掛過程中，膨脹錐不但能起到膨脹懸掛器的進行懸掛的作用，還可以在對懸掛器的內表面的膨脹摩擦過程中起到磨光作用，懸掛坐封懸掛器不但開口大而且內表面光滑，有利於各種後續作業。
圖3.4 膨脹管懸掛器與卡瓦尾管懸掛器
3.2.2 可膨脹割縫管（EST）
可膨脹割縫管（圖3.5）是殼牌公司於20世紀90年代中期研制的壹種用於復雜井段鉆井與完井的壹種新型專利產品。這種管材有壹系列交錯排列且相互重疊的軸向割縫，其管體比實體膨脹管易於膨脹。在完井作業中，膨脹割縫管采取從下向上膨脹的方式，在鉆井作業中，則采取從上向下膨脹的方式。通常，膨脹割縫管徑向膨脹率為50%，軸向縮短率不到l%。另外，割縫的形狀，膨脹錐錐角和錐底直徑的合理配置可以使可膨脹割縫管膨脹後的實際直徑比膨脹錐自身大10%，並且可膨脹割縫管膨脹時所需的膨脹力相對較小。
圖3.5 膨脹割縫管
常見的有可膨脹防砂管（ESS）、裸眼井襯管（ABL）、可膨脹完井襯管（ECL）。
（1）可膨脹防砂管（ESS）
可膨脹防砂篩管技術由於其操作簡單，防砂可靠性高，已經在工業中得到較廣泛的應用。小直徑設計使可膨脹篩管能夠在各種不同的裸眼井使用，甚至能夠在高彎曲井和水平井中使用。可膨脹式割縫管主要包括3個部分：割縫中心管、中間過濾層和保護外套。在膨脹作業過程中，錐形膨脹工具被推入篩管，使可膨脹管膨脹，中心管和保護外套結合在壹起緊貼井壁，從而達到要求的篩管外徑，消除了篩管和井壁之間的環隙空間。
可膨脹防砂篩管的主要優點有：①能夠提供較大的過流面積，降低篩管堵塞和腐蝕的幾率；②操作簡單；③比壹般的防砂篩管具有更大的內徑，改善了井中尤其是水平井中流體的流動狀態，同時易於下入修井工具；④在裸眼井中，能夠消除篩管和井壁之間的環隙空間，因此可穩定井壁，減少砂的移動，降低出砂幾率。
（2）可膨脹裸眼井襯管（ABL）
在鉆探更深的過壓地層、枯竭地層或易塌易漏地層時，現在的技術是采用不同直徑的鉆頭，並以不同直徑的套管層層封固完成。所以，井越深，套管層次越多，井眼直徑就越大；反之，如果直徑壹定，最終的井眼直徑就越小，這就有可能鉆不到目的層或者即使鉆到目的層，但井眼太小，滿足不了開采及後續修井、增產等作業。水泥固封可膨脹割縫襯管是壹種可使井眼直徑不變的金屬-巖石膨脹技術，可以克服上述的壹些問題。
（3）可膨脹完井襯管（ECL）
目前的可膨脹完井襯管技術已經可以部分取代常規的割縫管完井技術、射孔完井技術。該技術能夠加固井壁，選擇性分隔開采，降低井眼直徑。具有如下優點：①提高油田產量；②在壹些油田，大井眼可以提高過流面積，因此產量也就越高；③延長新老油井的開采期限；④通過向井眼中下入分隔器可進行選擇性堵水；⑤適用範圍廣，井眼直徑從之間都可使用可膨脹襯管完井。
可膨脹完井襯管尤其適用於側鉆井過程中水泥固井和射孔完井困難時采用。
3.2.3 可膨脹波紋管技術
可膨脹波紋管技術（圖3.6）目前發展的較快，已經形成3種技術：
1）裸眼井復雜層段封隔技術。用於封堵漏層、水層、高壓層等復雜地層的封堵，減少了井身結構的錐度，保持井眼穩定。
2）套管修補膨脹技術，套管補貼作業。尤其適合修補大段損壞套管，這壹用途對於修補大段的已腐蝕套管以及進行側鉆和加深鉆井作業特別有利。
3）裸眼井尾管技術，可以將橡膠密封和可膨脹波紋管組合成壹體進行尾管膨脹密封作業。
可膨脹波紋管的施工工藝較可膨脹實體管簡單，關鍵技術是管材的研制和管與管連接的焊接工藝。可膨脹實體管和可膨脹波紋管相比所需要的配套工具和附件較多，並且結構復雜，管材成本和施工成本很高。優點是膨脹後具有較高的機械強度，適應範圍廣。
圖3.6 可膨脹波紋管
3.2.4 可膨脹防砂篩管（ESS）
Weatherford公司的子公司Petroline公司於1999年推出了可膨脹防砂篩管技術（圖3.7）。在作業過程中，膨脹錐推入防砂篩管中，使膨脹防砂篩管膨脹，中心管和保護外套結合在壹起膨脹，從而達到設計的井筒直徑。在篩管的膨脹過程中，由三層隔膜組成的重疊式過濾層中間層發生徑向滑移，另外兩層則發生軸向滑移，直到防砂篩管達到理想的直徑。
ESS包括3個主要部分：可膨脹割縫中心管、重疊式復合過濾層、可擴張式保護外管。
可膨脹防砂篩管的特點如下：①適用於各種井筒條件：可膨脹防砂篩管膨脹後，直徑增加壹倍，適用於各種情況的井筒，此外由於篩管的原有直徑較小，在作業時能順利下到指定的坐放位置；②提高井眼利用空間：通常情況下，利用可膨脹防砂篩管作業的井筒，作業後的井筒直徑僅縮小25.4mm；③降低裸眼井和套管井的壓降：可膨脹防砂篩管應用在裸眼井中可阻止砂粒運移，防止防砂篩管堵塞，避免井筒內壓力上升；在套管井的應用中，由於可膨脹防砂篩管縮短了地層流體從地層向篩管的流動路程，可以降低壓差；④降低生產成本：在有多個產層的油氣藏開發中。采用可膨脹防砂篩管技術防砂，作業費用明顯比傳統的礫石充填作業費用少，因此可大幅度降低油井的生產成本。
圖3.7 可膨脹式防砂管
3.2.5 等井徑膨脹套管技術
最初，膨脹套管僅作為鉆井問題的壹種後續解決方法，例如套管補貼和側鉆井完井技術在油田應用已經成熟，但隨著該技術的發展，現在已應用於井身結構設計和鉆井方案中，在大斜度井、水平井、深井和熱采井中廣泛應用，並獲得業內的廣泛認可。等井徑膨脹套管技術作為國際膨脹套管技術和井身結構的發展方向，可以實現無內徑損失鉆進，極大地推動鉆井技術的發展。
經濟分析表明，使用膨脹套管來減小上部井眼的尺寸可以提高機械鉆速、節省井口設備、鉆井液、循環時間、水泥、鉆頭和平臺占用費。殼牌公司認為單壹井徑油井是油氣工業的壹大突破。它將降低44%的鉆井液用量、42%的水泥用量、38%的套管用量和59%的鉆屑生成量。在海上鉆井和建井中可節省33%～48%的建井費用。
等井徑膨脹套管技術是指在鉆井過程中盡可能始終采用某壹種鉆頭及鉆具規格，在全井鉆進過程中保持某壹種井眼尺寸的鉆井方法，這是在可膨脹裸眼尾管系統的基礎上發展起來的，其技術基礎是膨脹套管技術。該技術的發展使未來鉆井可以達到更大的深度及完井井眼尺寸，盡可能縮短鉆井周期並節約鉆井成本。
（1）等井徑膨脹套管系統分類
等井徑膨脹套管系統包括等井徑裸眼補貼系統（圖3.8）和等井徑裸眼尾管系統（圖3.9）。
1）等井徑裸眼補貼系統可用於封堵裸眼地層垮塌或漏失等復雜層段，其特點是：可以通過補貼段進行多段漏失層的補貼而保持同樣的內通徑；地層的封隔無需回接到上層技術套管內；對於漏失地層、高壓地層及垮塌地層等具有非常有效的封堵效果，可以在不下入套管的情況下，降低鉆穿復雜地層時的風險。
2）等井徑裸眼尾管系統是等井徑膨脹套管系統的發展方向，通過等井徑裸眼尾管系統改變井身結構，從而獲得全井下套管具有同壹尺寸的長遠目標。等井徑裸眼尾管系統能避免鉆井過程中擴大井身結構，可解決漏失地層、高壓地層、薄層流失地層等復雜地層的鉆井難題。要獲得與先前相同尺寸的井眼，用同尺寸的鉆頭繼續鉆進，可以通過兩種方式實現：壹是采用特大尺寸套管鞋設計；二是膨脹套管和基礎套管的重疊段發生過度膨脹。
（2）等井徑膨脹套管系統技術優勢
等井徑技術是石油天然氣領域的壹個重大突破，該技術可以實現在不減小井眼內徑的條件下安裝多層同尺寸的鉆井襯管管柱。采用該技術是實現全井采用同壹尺寸套管的最佳技術途徑，形成的井身結構與傳統井身結構相比，其優勢是：
1）有助於地面設備的標準化。在深海和深井鉆井作業中，大量的時間花費在鉆臺上，如更換底部鉆具組合、從鉆臺上甩鉆桿和吊鉆桿、防噴器組的尺寸受所設計的入井套管柱的限制等。采用等井徑鉆井技術可以將不同尺寸的地面設備標準化，可以使用壹種尺寸的鉆柱和鉆頭，縮小防噴器組的尺寸，從而大大降低壹口井的鉆井、完井費用。
2）有利於環保並減少總建井投資成本。因為不需要下入多層大尺寸套管，用小型鉆機鉆井即可，因而等井徑系統能明顯地降低環境影響，同時減少對材料的消耗。據報道，采用等井徑鉆井技術平均每口井可節省44%的鉆井液用量，降低42%的套管質量，節約42%的固井水泥，節省59%的巖屑處理費用。
3）有利於海洋和陸地的作業安全。常規作業中，在設備處理過程經常會造成人身傷害，等井徑鉆井技術雖不能取消這些作業，但可明顯減小處理設備的尺寸，獲得更安全的工作環境。
4）有望顯著拓展現有的鉆探區域，大大提高油藏的采收率，促進油田的經濟開發和其他技術的發展。等井徑技術實現在中部及上部井段井徑縮小，且能維持或增大完井尺寸，在現有基礎設施下增加油井數量，並經濟地開發更深的油藏，也可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。
等井徑膨脹套管技術可以在不損失井眼內徑的條件下以套管將地層與井筒隔離，達到封堵地層的目的，因而可以顯著改善鉆井過程中由於復雜地層壓力體系因素所造成的井眼減小問題，特別適用於鉆達要求的目標面臨挑戰的深水和深井作業。
圖3.8 等井徑裸眼補貼系統施工程序
圖3.9 4種井身結構對比
（3）等井徑膨脹管系統
目前，國外對等井徑膨脹套管系統的研究主要為Enventure環球技術公司的等直徑系統（Mono Diameter）、Weatherford公司的等徑井眼系統（Mono Bore）以及Baker Oil Tools公司的Lin EXX等井徑系統。1999年，Enventure公司率先提出等井徑膨脹套管系統的理念；2002年，殼牌公司和Enventure公司在南得克薩斯州的1口氣井中成功進行了等井徑膨脹套管鉆井的原理性試驗；2004年，殼牌公司和Enventure公司完成了等井徑系統現場綜合試驗，取得等井徑建井程序的重大進展；2007年，Enventure公司完成了真正意義上的等井徑技術現場應用。
1）Mono Diameter系統
Mono Diameter系統包括原套管底部過度膨脹段、膨脹套管管柱及其底部進行過度膨脹產生壹個喇叭口狀重疊區，重疊區用於回接下層膨脹套管，保證井眼內徑零損失。目前，Enventure環球技術公司唯壹可以實現等井徑膨脹套管重疊區的設計及膨脹。
Mono Diameter等井徑系統可以完全消除井眼錐度的影響，膨脹套管及其與之重疊的基礎套管部分均發生膨脹形成壹個連續內徑。等井徑膨脹套管的重疊段是獲得更高膨脹率的決定性因素。例如，在Φ298.45mm標準套管內下入Φ244.475mm等井徑膨脹套管，內徑膨脹至Φ264.16mm（10.4in），要求基礎套管膨脹率為17%，重疊段膨脹率為24%，均在材料允許的膨脹率範圍之內，Φ244.475mm×Φ298.45mm膨脹套管可以作為壹個可行的等井徑尺寸。另外，Φ244.475mm的等井徑膨脹套管可以連續膨脹至套管設計的長度。
Mono Diameter膨脹系統（圖3.10）是建立在裸眼井膨脹管技術基礎之上的，該技術所用的膨脹錐放置在1個已膨脹的錐形發射器中。由於膨脹錐放置在錐形發射器內，等井徑系統需要兩個不同尺寸的膨脹錐進行兩次膨脹。Φ264.16mm（10.4in）膨脹錐可用於最初自下而上的膨脹，Φ278.13mm（10.95in）膨脹錐自上而下地運動，膨脹等井徑膨脹套管的喇叭口狀重疊區，重疊區采用膨脹懸掛器進行懸掛密封。目前已研發出新型可變徑膨脹錐，從上而下只需進行1次膨脹就可以完成膨脹作業。
圖3.10 Mono Diameter等井徑尾管系統膨脹過程
等井徑系統工具管柱（圖3.11）包括套管錨、加力器、擴張器、Φ264.16mm及Φ278.13mm膨脹錐（或可變徑膨脹錐）、封隔器工具和切削工具等6個工具。
圖3.11 等井徑膨脹套管系統的膨脹工具組合
2）Mono Bore系統
Mono Bore系統采用Weatherford公司的Metal Skin尾管/懸掛器系統，安裝後尾管與上層套管之間Mono Bore等井徑尾管系統不僅限於用原管串伴送特大尺寸管鞋，也可選用常規套管串伴送。等井徑尾管系統能避免鉆井過程中擴大井身結構，可以得到與先前尺寸相同的井眼，用同尺寸的鉆頭繼續鉆進（圖3.12，圖3.13）。
圖3.12 Weatherford公司等井徑膨脹尾管系統施工程序
盡管Weatherford公司已經多次完成常規Metal Skin裸眼膨脹管系統安裝，但仍存在壹定的內徑損失。最新開發的Metal Skin Mono Bore膨脹管系統可作為應急措施應用於井身結構設計中，致力於開發Φ298.45mm×Φ339.725mm裸眼膨脹管系統並開展了現場試驗，但與真正的商業應用還是相距甚遠。迄今為止，Weatherford公司仍未進行等井徑膨脹套管的現場安裝。
圖3.13 Mono Bore系統超大套管鞋
3）Lin EXX等徑膨脹管系統
貝克石油工具公司最新研制成功的Lin EXX膨脹套管系統采用單行程下行擴管方法，在維持相同環空間隙的情況下來擴展膨脹套管，使作業者可以沒有內徑損失。該公司研發的特大尺寸套管鞋為喇叭口狀結構，可以防止井眼內徑的損失，作為應急預案措施，連接在上層套管底部下入井內。內管為玻璃纖維材料以防止水泥漿進入，而且很容易被磨掉。套管鞋的喇叭口狀結構是為了使膨脹管回接至上層套管上。
用較大的井眼鉆更深的探井。作為壹種應急設計，該系統還隔離活化頁巖、鹽層和低破裂梯度地層。該系統在不降低井眼尺寸的條件下可以提供最優的和經濟有效的套管結構。Lin EXX膨脹套管系統由RC9系列套管鞋、FORM lock懸掛器、Lin EXX膨脹管、FORM pac裸眼封隔器、RNX引鞋、Cat EXX膨脹系統6種基本組件組成。RC9系列套管鞋為壹種安裝在技術套管柱上的凹形特大尺寸套管鞋，使膨脹套管可以固定在上層套管底部，固井後使用隨鉆擴眼器或鉆頭鉆掉套管鞋。FORM pac裸眼封隔器用於不固井的套管鞋，表面敷有彈性材料，膨脹後能使RNX引鞋上面的膨脹套管與裸眼井段形成密封。
圖3.14 Lin EXX膨脹管系統RC9系列套管鞋
RNX引鞋安裝在Lin EXX管柱的底部用以引導膨脹套管進入裸眼井段，膨脹後引鞋脫落並隨Cat E2XX系統壹起回收到井口，也可以將其留在Lin EXX管柱內待重新開鉆時鉆掉（圖3.14，圖3.15）。
圖3.15 Lin EXX膨脹管系統膨脹施工程序
由於Mono Bore系統和Lin EXX系統均采用超大套管鞋設計，等井徑膨脹套管內嵌在超大套管鞋內，不能實現多段等井徑膨脹套管的嵌套式膨脹，只能實現壹段等井徑套管的膨脹，而Enventure公司的Mono Diameter系統可以實現喇叭口狀重疊段的過渡膨脹，可以實現多段膨脹套管的等井徑膨脹，進行連續的等井徑膨脹作業。