杜聰，劉寶振，石義，席武軍，劉文慶，鄒明，趙廣

中國石油西部鉆探井下作業(yè)公司（新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

新疆油田已經(jīng)走過68年的開發(fā)歷程，受地質(zhì)構(gòu)造、壓裂、固井、注采工藝、腐蝕、地層出砂等綜合因素影響，近些年呈現(xiàn)出套損井逐年增多、套損部位日趨復(fù)雜的現(xiàn)象[1-3]。

截至2020年底，新疆油田共有油氣水井41 657口（油井34 966 口，注水（汽）井6 428 口，氣井263口），其中套損套變井1 285 口，每年新增約150 口。針對套損井?dāng)?shù)量不斷增多的問題，在常規(guī)膨脹管技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析變徑位置套損井治理難點(diǎn)，研發(fā)并試驗(yàn)了一種異徑套管補(bǔ)接工具。

1 常見套損井治理方案

套損井治理一直是油田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段之一，如不進(jìn)行相應(yīng)治理很多井會帶病生產(chǎn)，最終導(dǎo)致油氣井限產(chǎn)、停產(chǎn)甚至報(bào)廢，不僅影響油田產(chǎn)量，無形中也提高了開發(fā)成本。通常采用套磨銑、擠注、脹修套、取換套等方式進(jìn)行套損井治理，這些方法的工藝特性見表1。

表1 常見套損井治理工藝對比

傳統(tǒng)的套磨銑、脹修套、擠注超細(xì)水泥、取換套、實(shí)體膨脹管等技術(shù)，修復(fù)后存在井眼通徑縮小、承壓能力低、懸掛能力差等缺陷，具有較大的局限性[4-6]。同時，根據(jù)統(tǒng)計(jì)傳統(tǒng)修復(fù)方式成功率不足40%，針對變徑位置的修復(fù)成功率會更低[7-8]。為了解決套管在變徑位置修復(fù)難度大、成功率低的難題，同時考慮后續(xù)壓裂及生產(chǎn)需求，采用膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)對異徑套損井筒進(jìn)行修補(bǔ)。

2 工具設(shè)計(jì)方案

2.1 膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)工作原理

膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)的工作原理是將膨脹管及配套工具下至套管待補(bǔ)貼部位，通過地面加壓或機(jī)械拉伸的方式使脹頭在壓力或拉力作用下沿膨脹管中心線軸向運(yùn)動，利用膨脹管的金屬塑性變形特性，使特殊材料制成的膨脹管發(fā)生徑向膨脹，通過錨定裝置與原井套管實(shí)現(xiàn)錨定和密封，達(dá)到加固、補(bǔ)貼和封堵套損井段的目的[9-10]。

2.2 雙次膨脹補(bǔ)貼

異徑井筒上部套管尺寸較大，下部套管受尾管懸掛器等工具結(jié)構(gòu)限制尺寸較小，存在一個明顯的臺階。膨脹管技術(shù)只能對單一內(nèi)徑套管進(jìn)行補(bǔ)貼，需要進(jìn)行多次補(bǔ)貼作業(yè)完成異徑套管修復(fù)，主要工藝過程如圖1所示。

圖1 膨脹管補(bǔ)貼效果圖

井筒清理完畢后，在套管斷脫位置上部下入補(bǔ)貼管完成上部套管補(bǔ)貼，將錯段位置進(jìn)行填充，使上下部套管內(nèi)徑一致，為二次補(bǔ)貼提供條件。第二根膨脹管針對上下部套管和斷脫段同時進(jìn)行補(bǔ)貼，通過外部硬化橡膠密封環(huán)保證井筒承壓能力，完成異徑套損井筒的補(bǔ)貼工作。

近年來雖然膨脹管技術(shù)的應(yīng)用越來越成熟，但該方案對膨脹管的質(zhì)量和施工精度要求極高，某一點(diǎn)的誤差都可能導(dǎo)致整個補(bǔ)貼作業(yè)的失敗。此外，對于錯段位置上下套管不居中以及上下套管內(nèi)徑相差較大等情況，該方案也不適用。

2.3 異徑管膨脹補(bǔ)接工具

鑒于雙次膨脹補(bǔ)貼方案使用條件受限，擬設(shè)計(jì)一種異徑井筒專用補(bǔ)貼工具，該工具通過一次補(bǔ)貼即可完成異徑井筒的修復(fù)。

為解決套管變徑位置內(nèi)徑不相同問題，工具應(yīng)同時具備補(bǔ)貼兩種不同尺寸套管能力，擬采用2 個大小不一的膨脹錐來完成對應(yīng)套管補(bǔ)貼。通過研究設(shè)計(jì)出如圖2所示的異徑管膨脹補(bǔ)接工具。

圖2 異徑管膨脹補(bǔ)接工具結(jié)構(gòu)圖

該工具主要由2 個尺寸不一的膨脹錐、直徑依次增大的小膨脹管、過渡管和大膨脹管3 段管體組成，整個工作過程可分為3個階段。

第一階段，小直徑補(bǔ)貼管膨脹補(bǔ)貼。通過地面打壓，當(dāng)發(fā)射室內(nèi)壓力達(dá)到工作壓力后液壓推動小直徑膨脹錐上行實(shí)現(xiàn)補(bǔ)貼。大直徑膨脹錐內(nèi)置在（大直徑）膨脹補(bǔ)貼管內(nèi)與中心管存在間隙，受膨脹管尺寸限制保持不動。

第二階段，過渡連接管部分。過渡連接管兩端與兩種不同尺寸的膨脹補(bǔ)貼管相連接，過渡連接管內(nèi)徑大于小直徑膨脹錐，當(dāng)小直徑膨脹錐進(jìn)入過渡連接管內(nèi)，高壓液柱壓力突降。通過上提管柱帶動小直徑膨脹錐繼續(xù)上行，泵壓開始上升表示小直徑膨脹錐嵌入到大直徑膨脹錐下部大膠塞內(nèi)。

第三階段，大直徑尺寸膨脹管補(bǔ)貼。此時，通過打壓和上提管柱使大小膨脹錐同時上行，實(shí)現(xiàn)上部套管的補(bǔ)貼。

3 工具室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證異徑管膨脹補(bǔ)接工具的合理性，以不銹鋼為材料加工了工具的縮小模型，在室內(nèi)靜水環(huán)境下進(jìn)行了相應(yīng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)膨脹管總長1.8 m，小膨脹管長0.5 m，大膨脹管長1.0 m。

使用105 MPa高壓泵對置于實(shí)驗(yàn)臺上的工具進(jìn)行打壓。在1.4～2.1 MPa間穩(wěn)壓10 min進(jìn)行低壓試壓，工具密封良好，沒有泄漏。隨后，啟動高壓泵緩慢提升泵壓，小膨脹管在壓力達(dá)到26.5 MPa 時啟動膨脹，保持泵壓在啟動壓力附近完成小膨脹管的膨脹，大膨脹管在壓力達(dá)到30 MPa時啟動膨脹。膨脹完成后繼續(xù)進(jìn)行打壓，分別在40 MPa 和60 MPa 進(jìn)行工具承壓試驗(yàn)，穩(wěn)壓15 min 工具無滲漏，繼續(xù)打壓管體在80 MPa時發(fā)生爆裂，破裂情況及試壓曲線如圖3和圖4所示。

圖3 膨脹管地面實(shí)驗(yàn)

圖4 膨脹管試壓曲線

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)異徑管膨脹補(bǔ)接工具工作結(jié)構(gòu)合理，可用于現(xiàn)場異徑套管補(bǔ)接，并且在補(bǔ)貼完成后具有良好的承壓能力。

4 現(xiàn)場施工

4.1 現(xiàn)場基本情況

新疆油田金龍X井在壓裂作業(yè)過程中發(fā)生了套管損壞，使用四十臂測井儀得到井周360°二維平面成像圖，如圖5 和圖6 所示，可以明顯看出套管在4 085.8 m 處內(nèi)徑急劇變大。結(jié)合表2的套管數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)4 085.5～4 086.3 m 位置為139.7 mm 油層套管與114.3 mm 油層套管懸掛器位置。判斷套管變徑位置發(fā)生斷脫，斷開后因上部套管收縮，下部套管壓縮形成斷距約0.9 m，裸露出技術(shù)套管。

圖5 金龍X井4 080～4 100 m多臂井徑測井解釋成果圖

圖6 金龍X井套管變徑位置三維立體圖

表2 金龍X井套管數(shù)據(jù)

根據(jù)套管和斷口實(shí)際情況，加工異徑管膨脹補(bǔ)接工具全長9.7 m，具體如表3和圖7所示。

圖7 入井異徑管膨脹補(bǔ)接工具

表3 異徑管膨脹補(bǔ)接工具參數(shù)mm

4.2 施工流程

井筒清理完畢后通過鉆具將異徑管膨脹補(bǔ)接工具下到預(yù)定位置，當(dāng)鉆具懸重下降時表示到達(dá)套管錯斷位置。上提下放鉆具，使鉆具在錯段位置產(chǎn)生2～3 t壓實(shí)力。

準(zhǔn)備工作完成后開泵打壓：以5、10、15、20、30 MPa 為梯度緩慢升壓，根據(jù)異徑管膨脹補(bǔ)接工具工作狀態(tài)調(diào)整施工工藝。從圖8 可以清晰看出，整個施工過程的泵壓出現(xiàn)兩次峰值。隨著泵壓從0開始緩慢提升，當(dāng)壓力達(dá)到30 MPa 時小膨脹管啟動工作，此時鉆具懸重隨著補(bǔ)貼過程略有下降。小膨脹管膨脹完成后壓力驟降到1 MPa 左右，通過上提鉆具將小膨脹錐提出過渡段并與大膨脹錐結(jié)合。通過上提鉆具和緩慢增壓進(jìn)行大膨脹補(bǔ)貼，整個過程最大懸重為74 t，最高泵壓為20 MPa，膨脹完成后懸重降至原懸重60 t，泵壓迅速回0。

4.3 效果評價

異徑管膨脹補(bǔ)接工具補(bǔ)貼完成后對全井筒試壓70 MPa，穩(wěn)壓30 min，壓降0.3 MPa，試壓合格。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，該工具補(bǔ)貼后井筒內(nèi)徑為原通徑的89.5%，能夠滿足異徑套損井筒的修復(fù)需求，且套管修復(fù)后具有較高的密封能力和承壓能力。

5 結(jié)束語

隨著油氣田開發(fā)的不斷推進(jìn)，套管損壞的現(xiàn)象無法避免，目前套損井治理難度大，施工復(fù)雜，很多井帶病生產(chǎn)甚至提前報(bào)廢，只有找到合理的治理措施才能將損失降到最低程度。

通過對異徑管膨脹補(bǔ)接工具的研究和現(xiàn)場應(yīng)用表明，該工具能夠滿足異徑井筒的修補(bǔ)工作。該工具通過一次施工完成復(fù)雜井筒修復(fù)工作，同時相比其他修補(bǔ)方式擁有良好的密封性能和承壓性能，具有良好的經(jīng)濟(jì)價值和社會效益。