套损井倒取套管技术研究与应用

范玉斌 吴艳华 孙经光 李东 张吉平

(中石化胜利石油工程有限公司井下作业公司，山东 东营 257000)

0 前言

随着油田开发进入中后期，套损井逐年增多，成为制约胜利油田高效开发的重要因素之一。目前常用的套损井治理技术主要有取换套管、机械整形、挤水泥固井、套管补贴、小套管加固等，其中，取换套管是治理水泥返高以上套损井的有效手段之一，因其治理后套管强度和通径不变，不影响后续各种增产措施的实施，得到广泛应用。在取换套管施工中，能否一次性将损坏套管倒扣取出非常关键。受套管腐蚀、管外地层坍塌、套管上扣扭矩的影响，取套管施工风险大，周期较长，甚至出现套管倒散、丢鱼等工程事故，为此，开展了套损井取套管工艺技术研究，通过配套研制专用工具，优化工艺施工参数，实现了已损坏套管一次倒扣取出，最短时间内恢复套损井生产能力。

1 国内、外取套管工艺技术研究现状及发展趋势

目前国内外取换套工艺中的取套技术主要有管柱切割和人工倒扣两种方法。

管柱切割技术有机械切割、水力切割和爆炸切割等多种方式，其中水力切割应用较多。水力切割是通过管柱携带水力割刀下至设计深度，通过地面水力加压启动翻板锚定管柱后，割刀在预设深度上对套管实施切割。

人工倒扣技术因其成本低是作业现场最常用的取套技术，采用自上而下逐点紧扣的方式，实现从中和点倒开。这种技术的优点是成本低、易操作；缺点一次倒扣取出全部套损管的几率低，施工周期长，同时受多种因素的影响，存在导致施工复杂化的风险。

总体的发展趋势是逐步淘汰人工倒扣的方式，通过技术的进步和工艺的改进提高倒扣成功率。

2 套管定深倒取工艺技术要求及装置设计

2.1 套管定深倒取工艺技术要求

(1)装置在预定倒扣深度精确定位，确保套管从设计位置一次倒开。(2)装置增扭、换向及扭矩传递机构设计，产生足够倒开套管的力矩。(3)套管倒扣后，定深倒扣装置能安全退出，不影响下步施工。

2.2 套管定深倒扣装置的优化设计

(1)装置整体结构设计。装置主要由输入轴、扶正机构、上、下锚定机构、接箍定位机构、增扭换向机构、倒扣行程补偿机构等部件构成。①扶正机构由扶正块、扶正弹簧、扶正座、背帽等部件组成；②上、下锚定机构由锚瓦、扭转弹簧、背帽、锚定体等组成；③扭矩转换机构主要由固齿、活齿架、滚柱等组成。

(2) 装置工作原理。装置用反扣钻杆连接下井，按预判倒扣位置定位倒扣深度。旋转钻杆带动输入轴使上、下锚定机构与套管锚定，输入轴左旋时带动上锚定机构左旋，同时下锚定机构右旋，输入轴右旋时则相反，倒扣行程补偿器可满足在倒扣过程产生的位移。

(3)套管接箍探测定位机构设计。由于倒扣时以套管接箍为界线，倒开接箍以上套管时，保证接箍下部套管不松扣，故需要精准定位接箍位置，因此设计套管接箍探测定位机构。套管接箍探测定位机构主要由定位爪、定位座，定位座背帽等组成。工具下井过程中，定位爪与套管内壁始终处于接触状态，当遇到轻微套变、腐蚀等情况时，定位爪可自行收回定位座内。探测到套管接箍内两公扣螺纹形成的缝隙时，定位爪扩张进入缝隙，下放或上提施工管柱将有明显的悬重变化，同时结合施工管柱下入深度、套管记录及套损检测数据可精确定位倒扣接箍位置。上提悬重超过50kN后，定位爪回位，上提下放3～5次，进一步验证倒扣位置。

(4) 扶正机构设计。为提高工具的锚定效果，保护工具，扶正机构采用Y221型成熟扶正器，同时对扶正块表面进行耐磨处理，处理后扶正块表面硬度达到HRC40-50，避免了工具下入过程中磨损导致扶正效果降低。

(5)锚定机构设计。锚定机构主要由锚定体、扭转弹簧、锚瓦、背帽等部件构成。下井过程中，锚定机构的锚瓦在扭转弹簧作用下始终与套管壁接触。反转钻柱，输入轴带动增扭换向机构壳体正转，下锚瓦撑开，固定下部套管。同时行星架带动上锚瓦反转锚定，固定上部套管。正转钻柱，锚瓦收回锚体内，上、下锚定机构脱离套管，解除锚定。锚瓦两侧加工有大引鞋，保证工具起下过程中不因锚瓦外涨而遇阻，锚瓦材料采用高强度的合金结构钢20CrMnTi，防止扭矩传递时损坏锚体。锚牙表面硬度为HRC52-56，(P110套管HRC25.4)，保证锚定效果。

(6) 扭矩转换机构设计。扭矩转换机构采用零齿差减速器活齿传动原理，由固齿、活齿架、滚柱、凸轮等部件构成。凸轮旋转带动滚柱推动固齿旋转，根据滚柱数量和固齿齿数可调整凸轮与固齿同向旋转或反向旋转。活齿传动与行星齿轮传动比较，在实现同一功能的同时体积小，传递扭矩大。

(7)倒扣螺纹行程补偿机构设计。为补偿倒扣过程中的扭矩行程设计螺纹行程补偿机构，机构由内传动轴、外传动等组成。采用花键连接，倒扣过程中传递扭矩的同时稳定地释放行程，保护下部套管接箍母扣。

2.3 主要技术指标

(1)设计参数

输出扭矩T：

①10～15kN·m ②输出比i=5 ③最大外径φ=114mm

(2)主要部件强度校核

根据设计传动比i=5，输出转矩T出=15kN·m，则输入扭矩为T入=3kN·m。输入、输出轴选用42CrMo，扭转疲劳极限t-1=310MPa。

②空心轴轴强度计算：输出轴1：设计外径D1=82mm、T出=15kN·m，根据抗扭强度空心轴计算公式有0.887，则内径d1=ν×D1=72.7mm，设计d=45mm，壁厚增加27.7mm。

输出轴2：初步设计外径D2=114mm、T出=15kN·m，根据抗扭强度空心轴计算公式有则内径=d1=ν×D1=99mm。

③螺纹抗扭强度计算：

输入轴选用42CrMo，有屈服强度σs=960MPa则剪切强度τ=0.7σs=672MPa。扭矩T出=3.75kN·m，螺距P=3，有效螺纹长度经计算为30mm，设计公称直径：40mm≥有效螺纹长度：30mm，可满足强度需求。

输 出 轴 选 用42CrMo，σs=960MPa则 剪 切 强 度τ=0.7σs=672MPa。扭矩T出=15kN·m时，螺距P=3，有效螺纹长度经计算为28mm，设计公称直径：82mm≥有效螺纹长度：28mm，可满足强度需求。

④齿轮啮合强度计算：

法向接触强度计算：其中许用接触应力σkp=54N/mm2，齿宽b=25mm、齿半径r=10.5mm、压力角α=50°，分度圆直径Dg=78mm，齿轮个数Zh=5，法向力接触强度满足强度要求。

式中：E为材料弹性系数，N/mm2

径向接触强度计算：中心轮直径Dj=65mm，齿直径dg=21mm。径 向 力接 触 强 度满足强度要求。

经验证可知，设计承压件材质及热处理状态选择强度完全符合标准要求。

3 现场应用

油田ST**井套损井套管倒扣应用情况。该井完钻井深1820m，套管尺寸及深度为139.7mm*1816.62m，套管壁厚7.72mm，油补距4.12m，人工井底1805.47m，套管联入4.73m，套管钢级N80，水泥返高1437m。油层数据：层位S1，井段1656.3～1661m，砂层厚度4.7m，渗透率10-3um2，配注水量80 m3/d。生产数据：2019年9月，正注水泵压7.91MPa，水嘴1.39mm，套管坏停注，找漏发现套管56.6～70.56米处有漏点，现需作业取换套。施工过程如下：(1)压井：起Φ73mm平管174根，带Φ89mm喇叭口0.13m，油管外壁有泥块。(2)探冲砂：下Φ73mm加大油管实探砂面深度1662.47m冲至设计砂面1690.22m。(3)通井刮管：下Φ73mm加大油管通井刮管至1690.22m。(4)找漏：测井温找漏：井段：0-1600m，解释结果：56.6-70.56井段出水。(5)暂堵井筒：下Φ73mm加大管110根，带Φ89mm喇叭口，Y221-115封隔器，座封加压70KN，完成Y221-115封深99.23m，尾深1049.61m。(6)取套管：切割环型钢板；下反转钻杆带套管定深倒扣装置到82.23m，上提钻杆，悬重上升5KN，定位接箍位置72.13m，反转钻杆81圈，最大扭矩2.2kN·m，一次性倒开损坏套管；正转钻杆起出倒扣管柱。后起出Φ139.7mm套管7根m，最后1根套管本体有长约11.5mm裂缝；(7)换套管：下Φ139.7mm新套管探鱼对扣上紧，焊环型钢板。

4 效益分析

(1)经济效益。2018年-2019年，套管定深倒扣装置在胜利油田渤南及陈庄油区应用32井次，单井平均缩短占井时间45h，节支：作业日费1.4万元，45/24×1.4=2.625万元；增收：平均日产油3.5m3/d，吨油利润3805元计，则：45/24×3.5×3805=2.497万元。设计加工费：12.99万元/套，10年摊销，12.99/10=1.299元；经济效益=0.65×分成系数×Σ(原工艺技术消耗总额-新工艺技术消耗总额)-科研支出=0.65×1×1[32×(2.625+2.497)]-1.299×2=103.94万元。(2)社会效益。规范了倒扣操作，降低了工人劳动强高和常规套管倒取工程风险，随着推广应用的不断深入，必将产生更高的经济效益。

5 结论

(1)研究了套管封固条件对取换套产生的影响，确定了定深倒扣装置设计路线及技术参数。(2)对套管定深倒扣装置的定位、锚定、扭矩传递，增扭换向及卸扣行程补偿、复位退回等进行了具体设计，满足了取套管施工工艺需求。(3)实现了损坏套管定深一次性精准倒开取出，解决了取换套施工倒扣位置不准导致的复杂化，缩短了占井周期，降低了工人劳动强度，收到良好的效果。