用于挠性油管上的可膨胀套管补贴技术

王崇德

【摘 要】文中详细介绍了配置在挠性管（CT）上可膨胀金属套管内部补贴技术的开发与应用。在7-in的套管中，应用套管内部补贴技术延长了油井的壽命，减少了修井次数。可膨胀金属套管补贴技术可应用于各种情况下的套管的局部修补（如堵水、补漏及腐蚀管线的补贴），这种补贴缩径最小，可保证未来修井通道畅通，对油田生产或注水的影响也最小。

【关键词】液压系统；可膨胀金属；套管；补贴；测试

2005年年初，由Read Well修井公司研制成功了一种液压式可膨胀钢补片。为了进行膨胀补贴，还研制了送入工具及相关的井下和地面液压设备，以及CT接头。送入工具可安装在CT或钻杆上，补片是金属对金属的密封（对于腐蚀严重的管线可选择弹性密封），可降低套管破裂及挤毁率。

1.系统组成

1.1补贴管配置及膨胀工具

膨胀工具是一个高压液压式双密封膨胀设备。通过对2个橡胶密封（被10～46ft的加长心轴隔离）加压，以便在2个密封之间泵送高压流体。压力加大，用约5，0001b/in2液压膨胀补贴，开始是弹性膨胀然后是塑性膨胀。控制密封压力确保在与外部油/套管完全接触之前保持密封。当压力继续增加时，外部的套管弹性运动直至压力达到整形器预定的压力。随后，压力开始大幅度地下降，密封撤销，回位循环的压力是1，5001b/in2。密封设计包括：聚合体密封元件及反推钢铁指针，额定操作压力是 25，000-1b/in2。

1.2井下液压系统

该技术的首要条件是挠性管承压不大于4，0001b/in2。为了达到10，000～17，000-1b/in2的整形压力， 研制出了井下增压器，安装在井下液压系统中。增压器安装在CT底部钻具组合（BHA）的适配器下，与安装在液压部件的底部的应变剪切丢手装置相连接。设计了内外打捞靠模，使该工具在井中应该成为杆状，易于打捞。

1.3增压器

增压器是一个7：1的活塞型液压增压器。对于任意入口压力，增压器工作后都能提供一个低的出口压力，该出口压力最终在井下安全条件下，产生高的管子整形压力。增压器入口安装2个流体过滤器以净化进入增压器的液体。

1.4控制阀系统

控制阀是用来控制井下操作的先后顺序，包括一个可调整的差异压力阀和减压阀，差异压力阀在2个密封之间、主要补贴套管段内， 减压阀是确保整形压力不超标。阀塞耐压也大于回位压力，回位压力促进工具关闭，该压力低于1，5001b/in2。

1.5井下压力记录系统

井下压力记录系统安装在工具的液压部件内，该系统有2种存储模式——记忆模式或地面读出模式，用于记录工具内几个关键压力数据，为地面监测服务。

1.6膨胀补贴

结合有限元分析（FEA）计算数据与补贴研制试验数据，优化设计出最终的补贴设计，模型和计算表明，为了获得牢固的相互连接，所使用的内部材料必须是柔软的塑胶材料，而且在膨胀过程中机械硬度应最小；外部材料应使用弹性范围内的坚固材料。内部材料的选择范围窄，选择较柔软的316#不锈钢，这种钢具有一定的延展性，在达到极限抗拉应力前膨胀幅度为40%，当达到其极限膨胀幅度70%～80%时出现故障。这一膨胀属性完全能够实现15%的管径膨胀， 而且对破裂/挤毁及磨损有较好的抵抗力。这种材料可在要求范围内提供一个安全的柔软膨胀补贴。虽然在此过程中其拉紧变硬。柔软性有益于在超重时，不锈钢拉紧变硬导致界面压力下降。316#不锈钢材料在长度、直径及厚度要求上是可以利用的。

膨胀工具的补贴附加装置不仅要承受在油井中的补贴工具的载荷，而且还要承受补贴膨胀过程中产生巨大的收缩力。对补贴工具/膨胀工具以及在补贴管和膨胀工具上的 “剪切丢手”销以及相匹配的主要剖面设备来讲，补贴管设计是安全的。

1.7地面液压及记录系统

地面设备及压力传递是基于一个简单的氮驱液压泵，用清水罐代替液压油箱。液压泵将液压传递到CT或钻杆上，依次进入井下增压器的入口处。泵需要传递的压力是井口压力的总和，也就是最终整形压力的1/7。

地面数据记录通过II区的钻井数据记录器记录并显示整个膨胀施工过程中地面压力、流量及泵入量随时间的变化。

2.操作程序编制

为了验证设计参数的有效性，项目研制过程中，进行了8次补贴整形试验。试验表明，针对不同补贴长度（10英尺、26英尺及46英尺），系统设计都是成功的。在早期的几次试验中，补贴管收缩量超过了预期值，补贴管的收缩力较大，上部机械安全装置被剪断。在随后的研制过程中，注意解决这些问题，对收缩参数加深理解，完全重新设计了补贴安全装置。随后试验补贴都顺利完成，经整形后可膨胀金属完成进入外部套管，完成了耐压密封补贴，试验压力达5，0001b/in2。

现场引进该系统需注意的事项包括：检验所有的压力设备，制定操作程序手册，对技术人员进行培训，以便安全、有效地操作补贴工艺。首先起草操作手册，在经过各种试验验证、操作过程优化之后，再修改完善操作手册。同时随着操作程序，尤其是与安全相关的程序变化，操作手册就得改进，为确保现场人员学会操作过程，并增加对所有操作和维护要求的认识，清楚地认识到高压液压系统的危险性，风险评估是任何一项新服务的首选任务。

3.测试

膨胀金属套管补贴技术应用于海上作业之前，先在陆上油井进行的整个测试工作。模拟海上作业遇到的种种问题，改善操作方法， 在一口真实油井中测试了整个补贴系统的性能。

在试验井采用了外径2-in、长8，500-ft的CT补贴工具，试验井的套管长2，426ft、内径7in.重量29lbm/ft，补贴管加载在膨胀工具的上面，膨胀工具已安装到CT的井底钻具组合处，放入井中，为了模拟海上作业，井内加压到1，700 1b/in2，井斜角92.4° 、狗腿度12°/100-ft、长46-ft的补贴段（工具长64-ft，全部井底钻具组合长73-ft）成功地下到预测井深，然后起钻到规定井深。

通过CT泵送一个球阀以改变液流方向：从循环流倒流向膨胀工具。地面泵连接到CT，在地面加压以使井下工具密封，一旦密封压力达2，0001b/in2，在2个密封间的补贴管自动膨胀，在膨胀的过程中，差异压力阀保持该压力。最终套管整形压力被选定到15，0001b/in2（密封处压力达17，0001b/in2），据钻后存储器数据显示，最终压力是在2h30min后才达到的。因为泵的性能差，为确保达到最终整形压力，决定将泵的工作时间延长50min，此时，地面显示泵压提高600-1b/in2，这一现象在钻后最终整形压力和减压阀的数据中也得到证实，整形完毕，CT压力降低，反循环启动。一旦密封取消，工具从补贴管取出，与CT一同起出到地面，工具从BHA中分离出并从井中取出，从井下存储器中下载数据，得到最终密封压力及整形压力。膨胀后要求用MFC测量套管整形结果及补贴后套管内剖面状况。 [科]