范玉斌 吳艷華 孫經(jīng)光 李東 張吉平

(中石化勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 前言

隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，套損井逐年增多，成為制約勝利油田高效開(kāi)發(fā)的重要因素之一。目前常用的套損井治理技術(shù)主要有取換套管、機(jī)械整形、擠水泥固井、套管補(bǔ)貼、小套管加固等，其中，取換套管是治理水泥返高以上套損井的有效手段之一，因其治理后套管強(qiáng)度和通徑不變，不影響后續(xù)各種增產(chǎn)措施的實(shí)施，得到廣泛應(yīng)用。在取換套管施工中，能否一次性將損壞套管倒扣取出非常關(guān)鍵。受套管腐蝕、管外地層坍塌、套管上扣扭矩的影響，取套管施工風(fēng)險(xiǎn)大，周期較長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)套管倒散、丟魚(yú)等工程事故，為此，開(kāi)展了套損井取套管工藝技術(shù)研究，通過(guò)配套研制專用工具，優(yōu)化工藝施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了已損壞套管一次倒扣取出，最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)套損井生產(chǎn)能力。

1 國(guó)內(nèi)、外取套管工藝技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)外取換套工藝中的取套技術(shù)主要有管柱切割和人工倒扣兩種方法。

管柱切割技術(shù)有機(jī)械切割、水力切割和爆炸切割等多種方式，其中水力切割應(yīng)用較多。水力切割是通過(guò)管柱攜帶水力割刀下至設(shè)計(jì)深度，通過(guò)地面水力加壓?jiǎn)?dòng)翻板錨定管柱后，割刀在預(yù)設(shè)深度上對(duì)套管實(shí)施切割。

人工倒扣技術(shù)因其成本低是作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)最常用的取套技術(shù)，采用自上而下逐點(diǎn)緊扣的方式，實(shí)現(xiàn)從中和點(diǎn)倒開(kāi)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、易操作；缺點(diǎn)一次倒扣取出全部套損管的幾率低，施工周期長(zhǎng)，同時(shí)受多種因素的影響，存在導(dǎo)致施工復(fù)雜化的風(fēng)險(xiǎn)。

總體的發(fā)展趨勢(shì)是逐步淘汰人工倒扣的方式，通過(guò)技術(shù)的進(jìn)步和工藝的改進(jìn)提高倒扣成功率。

2 套管定深倒取工藝技術(shù)要求及裝置設(shè)計(jì)

2.1 套管定深倒取工藝技術(shù)要求

(1)裝置在預(yù)定倒扣深度精確定位，確保套管從設(shè)計(jì)位置一次倒開(kāi)。(2)裝置增扭、換向及扭矩傳遞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)生足夠倒開(kāi)套管的力矩。(3)套管倒扣后，定深倒扣裝置能安全退出，不影響下步施工。

2.2 套管定深倒扣裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。裝置主要由輸入軸、扶正機(jī)構(gòu)、上、下錨定機(jī)構(gòu)、接箍定位機(jī)構(gòu)、增扭換向機(jī)構(gòu)、倒扣行程補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等部件構(gòu)成。①扶正機(jī)構(gòu)由扶正塊、扶正彈簧、扶正座、背帽等部件組成；②上、下錨定機(jī)構(gòu)由錨瓦、扭轉(zhuǎn)彈簧、背帽、錨定體等組成；③扭矩轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)主要由固齒、活齒架、滾柱等組成。

(2) 裝置工作原理。裝置用反扣鉆桿連接下井，按預(yù)判倒扣位置定位倒扣深度。旋轉(zhuǎn)鉆桿帶動(dòng)輸入軸使上、下錨定機(jī)構(gòu)與套管錨定，輸入軸左旋時(shí)帶動(dòng)上錨定機(jī)構(gòu)左旋，同時(shí)下錨定機(jī)構(gòu)右旋，輸入軸右旋時(shí)則相反，倒扣行程補(bǔ)償器可滿足在倒扣過(guò)程產(chǎn)生的位移。

(3)套管接箍探測(cè)定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于倒扣時(shí)以套管接箍為界線，倒開(kāi)接箍以上套管時(shí)，保證接箍下部套管不松扣，故需要精準(zhǔn)定位接箍位置，因此設(shè)計(jì)套管接箍探測(cè)定位機(jī)構(gòu)。套管接箍探測(cè)定位機(jī)構(gòu)主要由定位爪、定位座，定位座背帽等組成。工具下井過(guò)程中，定位爪與套管內(nèi)壁始終處于接觸狀態(tài)，當(dāng)遇到輕微套變、腐蝕等情況時(shí)，定位爪可自行收回定位座內(nèi)。探測(cè)到套管接箍?jī)?nèi)兩公扣螺紋形成的縫隙時(shí)，定位爪擴(kuò)張進(jìn)入縫隙，下放或上提施工管柱將有明顯的懸重變化，同時(shí)結(jié)合施工管柱下入深度、套管記錄及套損檢測(cè)數(shù)據(jù)可精確定位倒扣接箍位置。上提懸重超過(guò)50kN后，定位爪回位，上提下放3～5次，進(jìn)一步驗(yàn)證倒扣位置。

(4) 扶正機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。為提高工具的錨定效果，保護(hù)工具，扶正機(jī)構(gòu)采用Y221型成熟扶正器，同時(shí)對(duì)扶正塊表面進(jìn)行耐磨處理，處理后扶正塊表面硬度達(dá)到HRC40-50，避免了工具下入過(guò)程中磨損導(dǎo)致扶正效果降低。

(5)錨定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。錨定機(jī)構(gòu)主要由錨定體、扭轉(zhuǎn)彈簧、錨瓦、背帽等部件構(gòu)成。下井過(guò)程中，錨定機(jī)構(gòu)的錨瓦在扭轉(zhuǎn)彈簧作用下始終與套管壁接觸。反轉(zhuǎn)鉆柱，輸入軸帶動(dòng)增扭換向機(jī)構(gòu)殼體正轉(zhuǎn)，下錨瓦撐開(kāi)，固定下部套管。同時(shí)行星架帶動(dòng)上錨瓦反轉(zhuǎn)錨定，固定上部套管。正轉(zhuǎn)鉆柱，錨瓦收回錨體內(nèi)，上、下錨定機(jī)構(gòu)脫離套管，解除錨定。錨瓦兩側(cè)加工有大引鞋，保證工具起下過(guò)程中不因錨瓦外漲而遇阻，錨瓦材料采用高強(qiáng)度的合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi，防止扭矩傳遞時(shí)損壞錨體。錨牙表面硬度為HRC52-56，(P110套管HRC25.4)，保證錨定效果。

(6) 扭矩轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。扭矩轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用零齒差減速器活齒傳動(dòng)原理，由固齒、活齒架、滾柱、凸輪等部件構(gòu)成。凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾柱推動(dòng)固齒旋轉(zhuǎn)，根據(jù)滾柱數(shù)量和固齒齒數(shù)可調(diào)整凸輪與固齒同向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)。活齒傳動(dòng)與行星齒輪傳動(dòng)比較，在實(shí)現(xiàn)同一功能的同時(shí)體積小，傳遞扭矩大。

(7)倒扣螺紋行程補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。為補(bǔ)償?shù)箍圻^(guò)程中的扭矩行程設(shè)計(jì)螺紋行程補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)由內(nèi)傳動(dòng)軸、外傳動(dòng)等組成。采用花鍵連接，倒扣過(guò)程中傳遞扭矩的同時(shí)穩(wěn)定地釋放行程，保護(hù)下部套管接箍母扣。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)

輸出扭矩T：

①10～15kN·m ②輸出比i=5 ③最大外徑φ=114mm

(2)主要部件強(qiáng)度校核

根據(jù)設(shè)計(jì)傳動(dòng)比i=5，輸出轉(zhuǎn)矩T出=15kN·m，則輸入扭矩為T(mén)入=3kN·m。輸入、輸出軸選用42CrMo，扭轉(zhuǎn)疲勞極限t-1=310MPa。

②空心軸軸強(qiáng)度計(jì)算：輸出軸1：設(shè)計(jì)外徑D1=82mm、T出=15kN·m，根據(jù)抗扭強(qiáng)度空心軸計(jì)算公式有0.887，則內(nèi)徑d1=ν×D1=72.7mm，設(shè)計(jì)d=45mm，壁厚增加27.7mm。

輸出軸2：初步設(shè)計(jì)外徑D2=114mm、T出=15kN·m，根據(jù)抗扭強(qiáng)度空心軸計(jì)算公式有則內(nèi)徑=d1=ν×D1=99mm。

③螺紋抗扭強(qiáng)度計(jì)算：

輸入軸選用42CrMo，有屈服強(qiáng)度σs=960MPa則剪切強(qiáng)度τ=0.7σs=672MPa。扭矩T出=3.75kN·m，螺距P=3，有效螺紋長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算為30mm，設(shè)計(jì)公稱直徑：40mm≥有效螺紋長(zhǎng)度：30mm，可滿足強(qiáng)度需求。

輸 出 軸 選 用42CrMo，σs=960MPa則 剪 切 強(qiáng) 度τ=0.7σs=672MPa。扭矩T出=15kN·m時(shí)，螺距P=3，有效螺紋長(zhǎng)度經(jīng)計(jì)算為28mm，設(shè)計(jì)公稱直徑：82mm≥有效螺紋長(zhǎng)度：28mm，可滿足強(qiáng)度需求。

④齒輪嚙合強(qiáng)度計(jì)算：

法向接觸強(qiáng)度計(jì)算：其中許用接觸應(yīng)力σkp=54N/mm2，齒寬b=25mm、齒半徑r=10.5mm、壓力角α=50°，分度圓直徑Dg=78mm，齒輪個(gè)數(shù)Zh=5，法向力接觸強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求。

式中：E為材料彈性系數(shù)，N/mm2

徑向接觸強(qiáng)度計(jì)算：中心輪直徑Dj=65mm，齒直徑dg=21mm。徑 向 力接 觸 強(qiáng) 度滿足強(qiáng)度要求。

經(jīng)驗(yàn)證可知，設(shè)計(jì)承壓件材質(zhì)及熱處理狀態(tài)選擇強(qiáng)度完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

油田ST**井套損井套管倒扣應(yīng)用情況。該井完鉆井深1820m，套管尺寸及深度為139.7mm*1816.62m，套管壁厚7.72mm，油補(bǔ)距4.12m，人工井底1805.47m，套管聯(lián)入4.73m，套管鋼級(jí)N80，水泥返高1437m。油層數(shù)據(jù)：層位S1，井段1656.3～1661m，砂層厚度4.7m，滲透率10-3um2，配注水量80 m3/d。生產(chǎn)數(shù)據(jù)：2019年9月，正注水泵壓7.91MPa，水嘴1.39mm，套管壞停注，找漏發(fā)現(xiàn)套管56.6～70.56米處有漏點(diǎn)，現(xiàn)需作業(yè)取換套。施工過(guò)程如下：(1)壓井：起Φ73mm平管174根，帶Φ89mm喇叭口0.13m，油管外壁有泥塊。(2)探?jīng)_砂：下Φ73mm加大油管實(shí)探砂面深度1662.47m沖至設(shè)計(jì)砂面1690.22m。(3)通井刮管：下Φ73mm加大油管通井刮管至1690.22m。(4)找漏：測(cè)井溫找漏：井段：0-1600m，解釋結(jié)果：56.6-70.56井段出水。(5)暫堵井筒：下Φ73mm加大管110根，帶Φ89mm喇叭口，Y221-115封隔器，座封加壓70KN，完成Y221-115封深99.23m，尾深1049.61m。(6)取套管：切割環(huán)型鋼板；下反轉(zhuǎn)鉆桿帶套管定深倒扣裝置到82.23m，上提鉆桿，懸重上升5KN，定位接箍位置72.13m，反轉(zhuǎn)鉆桿81圈，最大扭矩2.2kN·m，一次性倒開(kāi)損壞套管；正轉(zhuǎn)鉆桿起出倒扣管柱。后起出Φ139.7mm套管7根m，最后1根套管本體有長(zhǎng)約11.5mm裂縫；(7)換套管：下Φ139.7mm新套管探魚(yú)對(duì)扣上緊，焊環(huán)型鋼板。

4 效益分析

(1)經(jīng)濟(jì)效益。2018年-2019年，套管定深倒扣裝置在勝利油田渤南及陳莊油區(qū)應(yīng)用32井次，單井平均縮短占井時(shí)間45h，節(jié)支：作業(yè)日費(fèi)1.4萬(wàn)元，45/24×1.4=2.625萬(wàn)元；增收：平均日產(chǎn)油3.5m3/d，噸油利潤(rùn)3805元計(jì)，則：45/24×3.5×3805=2.497萬(wàn)元。設(shè)計(jì)加工費(fèi)：12.99萬(wàn)元/套，10年攤銷，12.99/10=1.299元；經(jīng)濟(jì)效益=0.65×分成系數(shù)×Σ(原工藝技術(shù)消耗總額-新工藝技術(shù)消耗總額)-科研支出=0.65×1×1[32×(2.625+2.497)]-1.299×2=103.94萬(wàn)元。(2)社會(huì)效益。規(guī)范了倒扣操作，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)高和常規(guī)套管倒取工程風(fēng)險(xiǎn)，隨著推廣應(yīng)用的不斷深入，必將產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

(1)研究了套管封固條件對(duì)取換套產(chǎn)生的影響，確定了定深倒扣裝置設(shè)計(jì)路線及技術(shù)參數(shù)。(2)對(duì)套管定深倒扣裝置的定位、錨定、扭矩傳遞，增扭換向及卸扣行程補(bǔ)償、復(fù)位退回等進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，滿足了取套管施工工藝需求。(3)實(shí)現(xiàn)了損壞套管定深一次性精準(zhǔn)倒開(kāi)取出，解決了取換套施工倒扣位置不準(zhǔn)導(dǎo)致的復(fù)雜化，縮短了占井周期，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，收到良好的效果。