楊海波， 侯 婷， 馮德杰， 滕照正， 吳柳根

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

免鉆式膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)研究與現(xiàn)場試驗(yàn)

楊海波， 侯 婷， 馮德杰， 滕照正， 吳柳根

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

采用常規(guī)膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)進(jìn)行套管修復(fù)后需進(jìn)行鉆塞作業(yè)，會延長修井周期、增加作業(yè)費(fèi)用。為此，進(jìn)行了免鉆裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工具參數(shù)優(yōu)化和室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定工具性能指標(biāo)和使用工況，形成了免鉆式膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果確定免鉆裝置的性能指標(biāo)符合現(xiàn)場實(shí)施要求，除此之外，還確定了施工參數(shù)及施工工況，給出了免鉆膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)的現(xiàn)場施工工藝。渤海灣CDX-56P井的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，該免鉆裝置能夠滿足抗扭、抗壓等現(xiàn)場施工要求，具有較好的實(shí)用性。免鉆式膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)的試驗(yàn)成功，為套損井的治理開發(fā)提供了一種完井周期更短、費(fèi)用更加低廉的技術(shù)手段。

膨脹管；套管補(bǔ)貼；免鉆；現(xiàn)場試驗(yàn)；CDX-56P井

目前，膨脹管技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鉆井、完井及修井等作業(yè)中,成為石油工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)[1-3]。膨脹管技術(shù)是在井下復(fù)雜條件下使用機(jī)械或液壓方式使特殊材質(zhì)管體及螺紋發(fā)生塑性變形、增大內(nèi)外徑、以達(dá)到工程應(yīng)用目的的一種技術(shù)[4-5]。目前，我國膨脹管技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，尤其是膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)已發(fā)展成為修復(fù)套管損壞井的一種常用手段[6-7]，并以其獨(dú)特的大通徑、高密封性等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。

然而，目前國內(nèi)在采用常規(guī)膨脹管技術(shù)對老井進(jìn)行套管修復(fù)后，均需采用鉆塞方式來處理下部承壓裝置[8]，要求現(xiàn)場配備旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備，如轉(zhuǎn)盤、螺桿鉆具等設(shè)備；此外，需要配備磨鞋、壓力泵等輔助設(shè)備，導(dǎo)致作業(yè)周期延長、完井預(yù)算增加。為此，筆者針對φ194.0 mm膨脹管進(jìn)行了免鉆式裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理分析和施工工藝研究，形成了免鉆式膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)，并在CDX-56井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，免鉆式膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

1 免鉆式膨脹管補(bǔ)貼裝置及原理

針對國內(nèi)膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用情況，研究了φ194.0 mm免鉆式膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)，其技術(shù)原理是在傳統(tǒng)膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)上增加了免鉆式裝置，該裝置不僅能夠替代傳統(tǒng)膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)中的承壓裝置，同時(shí)具備可打撈功能，可在補(bǔ)貼施工完成后利用現(xiàn)有規(guī)格的撈矛將免鉆裝置打撈出井口，達(dá)到縮短作業(yè)周期及節(jié)約完井預(yù)算的目的。

1.1免鉆式膨脹管補(bǔ)貼裝置

免鉆式膨脹管補(bǔ)貼裝置主要由啟動器、多功能花鍵軸、剪切銷釘、滑套、鍵塊和引鞋等部分組成，如圖1所示。其中，最外層為啟動器，啟動器上部安裝有配合使用的膨脹錐以及錐托組合結(jié)構(gòu)，中間位置加工有3個(gè)周向均布的矩形槽，用以裝配鍵塊組合；多功能花鍵軸外表面上端為圓柱形結(jié)構(gòu)，下方加工有花鍵軸，中間為通孔，最上端為花鍵槽；多功能花鍵軸與啟動器本體之間通過一組剪切銷釘連接，銷釘剪切力設(shè)置為80kN；多功能花鍵軸外表面有一滑套，滑套上下兩端為斜面構(gòu)造，滑套本體有3個(gè)圓周均布的矩形槽；滑套的3個(gè)矩形槽與啟動器的3個(gè)矩形槽配合，分別裝配的3個(gè)鍵塊組合；多功能花鍵軸下部連接引鞋，引鞋下部為半球體結(jié)構(gòu)，半球形結(jié)構(gòu)起導(dǎo)向作用，有利于施工管柱的下入。

圖1 免鉆式膨脹管補(bǔ)貼裝置基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure schematic diagram of expandable tube patching tool without drilling plug

1.2工作原理

免鉆式膨脹管補(bǔ)貼裝置的工作原理為：管柱下到井內(nèi)后連接井口高壓泵設(shè)備，首先通過伴送管柱和免鉆裝置內(nèi)孔進(jìn)行循環(huán)洗井，清除井筒內(nèi)雜物，然后泵送入金屬球，金屬球到達(dá)多功能花鍵軸內(nèi)壁球座處與其形成密封，多功能花鍵軸外表面的密封圈密封其與啟動器之間的壓力，此時(shí)膨脹錐與密封槽之間形成密封空間，進(jìn)一步升高壓力，達(dá)到膨脹管膨脹所需壓力后，井口提升設(shè)備保持伴送管柱原懸重勻速上提，膨脹錐在液壓力作用下上行逐步脹開膨脹管本體，直至膨脹完成整個(gè)管體,膨脹結(jié)束后，膨脹管外層橡膠元件被擠壓在套管與膨脹管之間，起到密封和懸掛的作用[9]，完成對油水井套損段的修復(fù)(見圖2)。

圖2 免鉆式膨脹管補(bǔ)貼裝置的工作原理Fig.2 Construction process of expandable tube patching technology without drilling plug

完成膨脹作業(yè)后，上提出膨脹錐，下入滑塊撈矛，當(dāng)撈矛下至免鉆裝置處時(shí)井口顯示遇阻，下壓20kN,撈矛滑塊鎖死免鉆裝置，上提鉆具，過載力超過剪切銷釘?shù)念~定剪切力后剪斷銷釘，多功能花鍵軸相對于滑套和鍵塊向上運(yùn)動，花鍵軸下部的圓柱形結(jié)構(gòu)與滑套和鍵塊的底部圓弧結(jié)構(gòu)發(fā)生相對滑動，此時(shí)引鞋同步向上運(yùn)動；當(dāng)圓柱形結(jié)構(gòu)完全經(jīng)過滑套和鍵塊時(shí)，鍵塊橫向?qū)?yīng)于多功能花鍵軸底部圓柱體；繼續(xù)上提鉆具，矩形槽上端面分別會對相應(yīng)鍵塊的斜面產(chǎn)生垂直于斜面的壓力，在該力作用下，3個(gè)鍵塊落入滑套的空腔內(nèi)，由于尺寸的限制，鍵塊嵌入滑套內(nèi)的矩形槽內(nèi)不會發(fā)生脫落。上提鉆具過程中，滑套斜面結(jié)構(gòu)能夠降低上提過程的阻力，將免鉆裝置提出井口，完成打撈。

1.3施工工藝

在常規(guī)膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)施工工藝的基礎(chǔ)上，完善了免鉆式膨脹管補(bǔ)貼施工工藝：

1) 使用符合標(biāo)準(zhǔn)的套管刮管器對待補(bǔ)貼位置進(jìn)行刮管作業(yè)；

2) 下封隔器進(jìn)行管柱驗(yàn)漏，分別對漏點(diǎn)以外井段進(jìn)行清水試壓(壓力小于補(bǔ)貼完成后的試壓值)，30min壓降不大于0.5MPa為合格；

3) 用標(biāo)準(zhǔn)通井規(guī)通井至套管漏失位置10.00m以深，通井順利，無任何遇阻現(xiàn)象為合格；

4) 準(zhǔn)確測量送入鉆具和補(bǔ)貼套管工具組合的長度，送入鉆具用標(biāo)準(zhǔn)通管規(guī)通管并用液壓鉗上緊，并以該鉆具將補(bǔ)貼套管組合下入并送到位；

5) 補(bǔ)貼管柱下到待補(bǔ)貼位置后，進(jìn)行地面管線試壓，壓力為30MPa[10]；

6) 井口投球，泵壓至24MPa時(shí)，管體開始膨脹，提升管柱，保持懸重約為工作管柱所受重力，泵壓保持在20～25MPa[11]；

7) 井口管柱上提1.80m后停泵，上提管柱；如上提遇阻，阻力大于100kN，表明膨脹管底部已坐掛；如無遇阻顯示，下放管柱至初始位置，重復(fù)上一步驟[12]；

8) 重新開泵，直至膨脹錐完成膨脹過程；

9) 關(guān)封井器，按要求對井內(nèi)套管進(jìn)行試壓；

10) 下可退式撈矛打撈免鉆裝置，撈矛觸底后，核實(shí)撈矛深度符合設(shè)計(jì)深度，下壓20kN，撈矛滑塊鎖死底堵，過提70～90kN剪切底堵銷釘，緩慢起鉆，直至撈矛起出井口[13]。

2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

2.1獨(dú)特的鍵塊組結(jié)構(gòu)

免鉆式裝置中的鍵塊組結(jié)構(gòu)(見圖3)與啟動器外筒上的矩形槽的配合結(jié)構(gòu)能夠承受極強(qiáng)的壓力，也能承受一定的扭矩[14]。

圖3 鍵塊組結(jié)構(gòu)Fig.3 Key combination structure

膨脹施工時(shí)，作用在免鉆式裝置的液壓力約為600kN,并通過3個(gè)鍵塊的傳遞作用在啟動器與鍵塊配合的矩形槽面上。當(dāng)補(bǔ)貼管柱下入遇阻時(shí)，可采取旋轉(zhuǎn)管柱的方式來處理[15]，此時(shí)作用在內(nèi)管柱上的扭矩通過鍵塊組與外筒矩形槽的側(cè)面配合傳遞到膨脹管柱上。

利用3000kN級臥式壓力機(jī)對樣機(jī)進(jìn)行800kN的靜壓力測試，持續(xù)30min，壓力卸載后，整體結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，模擬打撈時(shí)各部件工作正常，可順利完成打撈，打撈力82kN[16]；利用扭矩儀分別進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針2個(gè)方向的免鉆裝置抗扭試驗(yàn)，扭矩為5kNm，卸載后檢測發(fā)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)無變形，能夠正常工作[17]。

2.2剪切銷釘

多功能花鍵軸和啟動器之間設(shè)置了一組剪切銷釘，位置如圖4所示，剪切力設(shè)置為80kN。剪切銷釘?shù)淖饔弥饕牵?)避免膨脹施工結(jié)束時(shí)的激動壓力釋放及地層壓力向上推動免鉆裝置[18]；2)撈矛上提打撈免鉆裝置過程中指重表有瞬時(shí)的80kN懸重突降，使打撈過程更加清晰，增強(qiáng)了現(xiàn)場施工的可操作性。

圖4 剪切銷釘結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Design of shear pin device

2.3可重復(fù)利用的免鉆裝置

設(shè)計(jì)開發(fā)的免鉆裝置結(jié)構(gòu)簡單，加工精度要求低，可下入普通撈矛進(jìn)行打撈，打撈后的免鉆裝置結(jié)構(gòu)基本無損傷，修復(fù)保養(yǎng)后可重復(fù)使用2～3次，有效降低了作業(yè)成本[19]。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

CDX-56P井是埕島西A區(qū)塊的一口生產(chǎn)井，生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)φ244.5mm套管漏失，漏點(diǎn)位于459.30～461.80m井段，為鉆屑污染井筒，采用免鉆式膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)進(jìn)行套管修復(fù)作業(yè)，使用φ194.0mm膨脹管12.00m。

前期處理井筒，滿足施工要求后，下入膨脹管補(bǔ)貼施工管柱。管柱結(jié)構(gòu)：膨脹管補(bǔ)貼組合(內(nèi)置免鉆裝置)+φ73.0mm鉆桿，下至井深238.30m處時(shí)遇阻(阻力5kN)，管柱旋轉(zhuǎn)180°，最大扭矩3kNm,下壓(壓力4kN)通過遇阻點(diǎn)。補(bǔ)貼管柱順利下至設(shè)計(jì)井深468.00m，進(jìn)行地面管線試壓。

管柱自由狀態(tài)下指重表懸重70kN，投銅球后壓力逐步升高至24MPa，懸重下降至40kN，上提鉆具，壓力控制在21～23MPa，懸重控制在70～90kN，上提鉆具11.20m后，高壓泵壓力表指針迅速下降歸零，膨脹施工結(jié)束。

起出補(bǔ)貼施工管柱后，進(jìn)行套管試壓(壓力10MPa)，穩(wěn)壓30min，無壓降損失。下入滑塊式撈矛打撈底部球座,撈矛下到打撈位置,打撈管柱懸重70kN,遇阻后下壓懸重20kN，確保撈矛處于工作狀態(tài)，反轉(zhuǎn)管柱1.5圈，上提鉆具后懸重至250kN，隨即降低為70kN，剪斷剪切銷釘，打撈成功；順利上提鉆具，起出撈矛和球座，檢查各部件無缺失損傷，打撈成功。經(jīng)檢查免鉆裝置表面無損傷，修復(fù)保養(yǎng)后可再次使用。

分析現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可得：1)下入過程中遇阻，旋轉(zhuǎn)管柱扭矩3kN·m,管柱通過遇阻位，說明鉆具的扭矩能夠通過免鉆裝置的鍵塊機(jī)構(gòu)傳遞到膨脹管柱上，滿足現(xiàn)場使用要求；2)膨脹施工結(jié)束后，免鉆裝置能夠順利打撈出井，說明免鉆裝置在承受膨脹過程中下壓后能夠保持整體的機(jī)械完整性，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求；3)現(xiàn)場試驗(yàn)預(yù)計(jì)打撈力為150kN，現(xiàn)場實(shí)際打撈力為250kN，分析后認(rèn)為由于膨脹管與原井套管環(huán)空處于密封狀態(tài)，打撈過程中產(chǎn)生了“拔活塞”現(xiàn)象，所以打撈力比預(yù)計(jì)高出100kN。

4 結(jié)論與建議

1) 研發(fā)的φ194.0mm免鉆式膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)具有施工工藝簡單、工具性能可靠和操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，與常規(guī)膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)相比，膨脹施工后可用撈矛打撈免鉆裝置，對現(xiàn)場設(shè)備的需求降低，每口井的平均修井周期縮短1～2d。

2) 確定了φ194.0mm膨脹管補(bǔ)貼免鉆裝置的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)，經(jīng)室內(nèi)測試與現(xiàn)場施工對比驗(yàn)證，銷釘剪切力設(shè)置為70～80kN。

3) 打撈過程中會產(chǎn)生“拔活塞” 現(xiàn)象，導(dǎo)致打撈力增大，因此，下一步要研究改進(jìn)免鉆裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免該現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4) 在優(yōu)化改進(jìn)φ194.0mm膨脹管補(bǔ)貼免鉆技術(shù)的基礎(chǔ)上，需要繼續(xù)設(shè)計(jì)完善其他常用規(guī)格的免鉆塞膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)，為油田老井的套損治理提供更加全面的技術(shù)手段。

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[編輯 滕春鳴]

ResearchandFieldTestofNon-DrillingPlugExpandableCasingPatchingTechnology

YANGHaibo，HOUTing，F(xiàn)ENGDejie，TENGZhaozheng，WULiugen

(DrillingTechnologyResearchInstitute，SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying，Shandong，257000,China)

Drilling plug operations must be carried out after casing repair by means of the traditional expandable casing patching technology,which results in an extended workover period and increased operating expenses.Therefore, non-drilling plug expandable casing patching technology were developed after determination of performance indicators and applying working condition of tools by structural design of non-drilling plug device,parameter optimization of tools,verification of laboratory experiment.Laboratory test results showed that the performance indicators of this device in wells with damaged casing met site implementation requirements.Construction parameters and working conditions were made clear.Moreover,the site implementation flow for non-drilling plug expandable casing patching technology was established.The field test results in Well CDX-56P of Bohai Gulf indicated that this non-drilling plug device could satisfy the site construction requirements for anti-torsion and anti-pressure,etc and it also possessed good field practicability.The successful test of non-drilling plug expandable casing patching technology provided the technical means of shorter operating cycle and lower costs for harnessing the development of wells with damaged casing.

expandable tube；casingpatch；without drilling plug；field test；Well CDX-56P

TE358+.4

A

1001-0890(2017)05-0073-05

10.11911/syztjs.201705013

2017-05-25；改回日期2017-09-14。

楊海波(1971—)，男，山東鄒平人，1992年畢業(yè)于勝利石油學(xué)校石油地質(zhì)專業(yè)，2003年獲石油大學(xué)(華東)地質(zhì)勘查專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2014年獲長江大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)工程碩士學(xué)位，高級工程師，現(xiàn)主要從事鉆井完井方面的研究工作。E-mail：yanghaibo585.slyt@sinopec.com。

中國石化集團(tuán)科技攻關(guān)項(xiàng)目“裸眼封堵等井徑膨脹套管技術(shù)研究”(編號：JP11007)部分研究內(nèi)容。