膨胀波纹管技术作为处理井下复杂情况的有效手段,在解决地层严重漏失、易坍塌和易缩径等方面具有独特优势,已在直井段应用中取得良好效果,但在定向井段中受井眼条件的影响,应用成功率还需进一步提高。本文在前期自主研发四种型号膨胀波纹管的基础上,以现场实际需求为出发点,采用理论分析、仿真模拟计算和室内试验相结合的方法,对膨胀波纹管封隔定向井段复杂地层的可行性进行了深入分析;形成了端头整形和焊缝质量检测及评价方法,改善了焊缝性能;研发了螺旋式胀管器和定向随钻扩眼钻头,提高了现场施工效率和可靠性。为了确定膨胀波纹管在定向井段中应用的适用性,采用有限元模拟分析的方法,建立管串和井眼模型,模拟分析不同井径、井斜角变化率和方位角变化率等井眼条件下,膨胀波纹管的外径、最大等效应力和最大等效塑性应变随膨胀压力的变化规律。根据分析结果,室内模拟了管串在弯曲井筒中的膨胀试验,为了解膨胀波纹管在井下膨胀状态提供了参考。针对膨胀波纹管端头形状的一致性差的问题,研制了三瓣楔形整形装置,可将端头对口错边量由4mm~5mm减少到1mm以内,提高了焊缝稳定性。针对焊缝检测方法和性能评价标准缺失的现状,引入了数字化X射线平板成像技术,结合处理软件,可准确识别缺陷的类型、尺寸及所处的位置,检测精度可达0.01mm。采用ABAQUS软件分析与室内试验相结合的方法,得出了气孔型、未焊透型和裂纹型缺陷在30MPa膨胀压力下的临界失效尺寸,为焊缝的质量检测提供了依据。针对小尺寸胀管器强度低,膨胀效率和效果不理想的问题,设计了螺旋式胀管器,采用一体化结构,具有低摩阻和高耐磨特性,可更好应对井下复杂情况。针对膨胀波纹管需要钻后扩眼的现状,研制了定向随钻扩眼钻头,定向钻进过程中可将井径扩大至设计要求,有效节省处理复杂情况的时间。本文研究成果在大牛地气田定向段易坍塌地层中成功应用2口井,其中PG22井中首次实现了国内膨胀波纹管技术在定向井段中成功应用,封隔段长为109.0m,最大井斜角为73.69°,在DPT-112井中单次应用膨胀波纹管的长度达到了132.7m。通过本文的研究,在明确膨胀波纹管井下膨胀状态,提高管串性能稳定性,完备配套工具等方面取得明显进展,为提高井下作业安全提供了新技术手段。