井下油套管管柱修复技术研究*

王建军，赵 楠，张赟新，徐长峰，王靖雯，朱玉娇，杨尚谕，韩礼红

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077； 2.中国石油新疆油田储气库有限公司 新疆 呼图壁 831200；3.西安建筑科技大学资源工程学院 陕西 西安 710055)

0 引 言

随着深层油气资源的逐步勘探开发，由于受到长期地层压力、注水、注汽、频繁井下作业以及管柱材质和腐蚀等原因，油气井油套管柱易发生变形、泄漏和破裂等不同形式的损坏[1]。1997～2019年，大庆油田发生套损的油气井为29 286个，总套损率为22.7%；辽河油田的套损井累计达到5 370 个，占总井数的22.3%。美国加州Belridge油田在过去的二十年中出现了超过1 000个套损井。美国墨西哥湾、塞达克科油田、北海、苏伊士湾和中东等地区出现大量套管损坏。一般针对套损井修复通常采用补贴、整形、取换套和注胶等修复技术对套管或管柱外地层的裂缝进行修复，以恢复油气井的生产功能。但由于现有修复技术受使用效果和适用范围限制，导致许多管柱出现失效，尤其是油管柱失效，难以得到针对性的有效解决，从而影响油气井正常工作，制约了油气井的采收率。

为了能够针对油气井油套管柱失效特点以及类型采用合理的修复手段，以更好地解决油气井套管和油管失效问题，本文分析了补贴、整形、取换套以及注胶等修复技术的基本原理、特点和适用范围，并在此基础上进行技术对比和分析，探讨几种修复技术的适用性，从而便于生产中采用有效合理的修复技术解决套管和油管失效问题。

1 技术概况

针对油气井的套管修复技术有补贴修复技术、整形修复技术、取套换套修复技术以及堵漏剂(注胶)修复技术。根据修复方式不同，各类修复技术可进一步进行分类，分类情况如图1所示。以上修复技术已经广泛地应用于套管损伤的修复或套管外地层的修复，但是较少用于井内油管损伤修复。因此对各类修复技术进行调研，分析研究油气井套管和油管柱损伤修复技术及其适用性。

图1 修复技术类型

1.1 补贴修复技术

补贴修复技术作为金属密封补贴加固技术，是针对套管漏失和变形等情况，通过下衬管并密封衬管两端，从而形成完整通道的技术。目前，套管补贴修复技术主要有燃气动力补贴、波纹管胶筒补贴以及膨胀管补贴。

燃气动力补贴技术采用含能材料作为动力源来替代地面大型设备的补贴加固器，工作时，对投入到套损部位的加固器点火，引燃动力药，使其产生的高温高压气体充气，推动金属锚扩径以及释放环弹性变形，当膨胀力足够大时，塑变释放套解卡，起出工具完成补贴。波纹管胶筒补贴技术是将耐高压封隔器套住两端卡环固定的波纹管送到井下预定位置，通过憋压胀起波纹管，同时上端挤出的粘合剂紧贴套管修补处完成补贴。膨胀管补贴技术是在钢制套管下井后，通过冷挤扩张的方式使套管达到预定尺寸，以达到修补损坏套管的目的。

近年来，随着套管损坏的原因和形式的复杂性和多样性，对于套管修复的要求越来越高，常规的补贴修复技术不能很好地解决该问题，因此国内外学者针对此问题改进了补贴修复的方式。针对大于10 m的长井段套管破损问题，提出了包括外层贴补管柱和内层施力管柱的长井段补贴修复管柱技术，为稠油热采井套损治理提供技术依据[2]。在深入研究套损机理以及发展现状基础上，根据现场实际情况，进一步改进补贴工具结构，研制出自挂式的补贴套管工具[3]。

现在膨胀管技术发展较快，目前国内外很多公司致力于膨胀管技术的研发，例如Enventure、Halliburton、Baker Hughes和Weatherford等国外公司以及中国石油集团的工程材料研究院、工程技术研究院、勘探开发研究院和部分高校机构等。此外，国外学者也对膨胀管补贴技术进行补充和创新，如提出一种在高压情况下使用的新型膨胀套管贴片，以满足操作者所预期的极端循环热条件，并且开发和实施采用可扩展内部金属套管修补程序的技术[4-5]。Blane等提出了一种适合小直径油管和其他部件的高完整性可扩展金属贴片修复油管的方案[5]，通过进行液压膨胀油管系统内插补以及设计和开发了钢丝运行工具解决许多完井问题。Wilson和Adam提出了一种提高膨胀率、增强密封性和悬挂力的新型膨胀管[6]，克服了传统实体膨胀管修复过程中导致井眼尺寸受损情况。国内学者认为实体膨胀管与波纹管可进行组合对管柱进行修补，可代替套管以及堵漏裸眼井段[7-8]，同时进一步开发了既可满足强度、耐温性和密封能力要求又可达到API N80钢级的膨胀管，并且用ANSYS建立了SET有限元模型并进行数值模拟，分析了实体膨胀管在套损井修复过程中应力、应变和残余应力[9]。

1.2 取换套修复技术

取换套修复技术采用套铣、割管和打捞等工具将套管的破损段及以上的套管取出[10]，再将下入的新套管对接井内套管，以达到恢复原井套管的通径从而实现有效彻底地修复破损套管。常见的取换套管作业分为两种类型：大修作业和小修作业[11]。小修取换套通过确定漏点和计算中和点，施加扭矩对已损套管进行倒扣作业，回接套管之后进行试压验证，提出封隔器以解除封堵，以此完成换套。大修作业取换套在准确定位漏失点后，在井筒内注入定量水泥塞对油层实施封堵隔离，利用转盘设备对已损套管进行倒扣取出，将新套管下放至井中进行对接，经过试压验证后使用钻头钻灰塞通井至井底，以此完成取换套。

取换套修复技术的难点在于下套时，对被取套损部位位置的精确定位以及取套深度不确定性。因此，采用定点取换套技术能够一次性准确倒出套管，解决常规取换套技术产生的多次倒扣和丢失井眼的问题，有效降低套管失效造成施工风险[12]。为了保证在油层部位进行取换套的高效，形成了一种配套油层部位的取换套技术[13]。通过研制配套的套管定深倒扣装置以优化工艺施工参数，以达到一次倒扣取出已损套管的目的[14]。

1.3 整形修复技术

整形修复技术主要采用机械式和爆炸式两种方式。机械式整形即对变形套管进行反复碾压或震击，使变形套管恢复到预期内通径修复尺寸。爆炸式整形即将爆炸装置放置在套管的变形部位，通过导电控制或撞击形式来引爆炸药，爆炸所产生的强大压力将变形套管膨胀到一定尺寸，以此达到修复已损套管的目的。

采用整形修复技术，通常针对整形过程中整形力和扭矩的合理性问题进行分析和研究，控制根据以往由经验确定的修复力，以达到有效修复套管的目的。利用旋压套管进行整形试验对修复前后变形套管的力学性能进行分析和评价，从而优化套管和整形器结构并为施工参数提供相关依据[15-17]。在此基础上，提出采用套管滚压整形修复技术并设计整形量，以此修复气田套管变形井[18]。

由于地层压力的变化等原因，针对套管服役时的弯曲、缩颈变形和错断等套损问题，许多学者和研究人员研发了不同的修井工艺以及修复工具。目前所研发的整形装置主要为：1)梨形膨胀整形器：其价格便宜、施工简单，但是一次整形量小，需不停更换不同尺寸的整形器导致工作量大。2)旋转震击式整形器：其钻井速度和效率较高，但由于频繁撞击，产生温度较高，导致增大套管修复成本。3)偏心辊子整形器：其有效避免卡钻等问题且可恢复套管内径，但由于其结构受力复杂，容易断落从而引起故障。4)滚珠整形器：其对外层水泥环破坏小，但受力不均时会被压扁，只适用于修复缩颈变形套管，且造价成本高。

1.4 堵漏剂修复技术

堵漏剂修复技术也称为注胶修复技术，采用的堵漏剂主要包括物理堵漏剂和化学堵漏剂两种。物理堵漏剂利用堵漏剂性能的优势，通过不同的挤注方法和工具，将堵漏剂注入到漏失井段种，待固化后达到封堵套管和疏松地层的目的。化学堵漏剂在进入漏失通道后，可以在地层压力、温度和组分等因素之间发生化学反应，首先在漏失管段中发生滞留反应，随后与套管和地层发生稠化和胶结等反应，最终达到封漏堵漏的作用。

一般情况下，按照堵漏材料分类，可分为桥堵材料、高失水堵漏材料、软硬塞堵漏材料、无机凝胶堵剂、暂堵材料、广谱型屏蔽暂堵保护油气层材料、化学堵漏材料、高温堵漏材料、复合堵漏材料以及堵漏、防水两用堵漏剂十类[19]。目前，对堵漏剂材料的研究发展趋势主要包括三个方面：针对单一堵漏剂，需要研究其物理或化学性质并对其进行改性以适应不同的油气井体系；对于漏失的具体情况，需要研究和发展多粒度级别堵漏材料和由多种堵漏材料复合而成的复合型材料；同时，对于堵漏之后后续引起的环境问题，需要研究集堵漏防漏、堵水、保护储层及环境为一体的综合性堵漏材料[20]。

采用堵漏剂进行修复时所采用的工具包括挤注堵漏剂的专用工具、注水泥装置、水泥塞、封闭工具、隔管和直接装送堵漏材料至漏失层的容器等。国外早在20世纪40年代开始研究井漏防治技术，20世纪50年代对防漏堵漏机理以及堵漏工艺研究迅速发展，20世纪60～70年代逐步掌握漏失特点、规律，堵漏工艺及方法逐渐成熟，20世纪80～90年代堵漏实验设备和工具更加先进，开发了一系列兼具保护储层功能的复合型堵漏剂。前苏联最先采用井下混合堵浆工艺、平衡堵漏工艺、快速胶质水泥浆以及充气水泥浆等堵漏工艺。美国采用起钻候堵、通过添加配料的水基或油基制成的桥塞剂、挤注高失水混合稠浆、水泥浆、井下混合软硬塞、地面混合软塞法、井下混合软塞法、利用水和凝胶水油携带砂子制成的特殊堵剂以及采用强钻或充气泥浆后下套管这九种堵漏工艺技术。而国内对于堵漏技术的研究开始于20世纪70年代，20世纪80年代开始发展，20世纪90年代开始迅速发展。近几年，在研究堵漏工艺技术的同时又注重堵漏材料的研究，且更加注重油气层保护，开发了酸溶性高失水暂堵剂、酸溶性水泥、吸水树脂堵漏剂、片状合成树脂堵漏剂、微膨胀型树脂堵漏剂、聚合物树脂堵漏剂、新型复合凝胶和耐高温高压凝胶堵漏剂等[21-29]。

2 技术对比

为了确定各修复技术的适用条件和适用范围，从特点、操作难度、经济成本、施工周期和适用类型等方面进行了分析对比，结果见表1。

从表1可见:1)在施工条件方面，采用取换套修复技术进行大修作业时，倒扣前需要地面设备在井筒内注入定量的水泥塞以隔离油层，在进行倒扣作业时，需要地面上的钻盘设备将损坏套管倒扣取出井。因此，该种作业方式所需要的设备相对较多，由于施工现场必须有能够安放设备的足够场地，受到了场地的限制，从而加大了施工操作的难度，一般不适用于小场地现场作业。当变形量以及弯曲程度变大时，通过胀管器以及磨铣整形的机械整形技术不适用对套管进行修复，且机械整形工具无法下井，占用设备多，加大了修复的难度。2)在经济成本和施工周期方面，采用取换套修复技术进行大修作业以及采用机械式整形修复技术对破损套管进行修复所需成本较高，一般大修取换套的单口油井的作业成本可以达到80 万元，使用设备多花费相对较大。作业周期时间长：一般对单口油井进行作业时，需要的作业周期约为25 d。机械整形工具在每修复一次套管，应由小尺寸工具到大尺寸工具的顺序进行使用，即经过多次作业才能达到修复套管的目的，作业时间增长及费用增高。不论是使用机械膨胀或铣磨整形，不但成功率低而且容易造成卡钻和工具断落等情况发生，加剧了井下工况的复杂性，因此该技术不适用于严重变形套管。3)在综合施工周期、费用成本以及作业周期三个方面，补贴修复技术以及堵漏剂修复技术比取换套修复技术以及整形修复技术有明显的优势。4)在适用类型方面，堵漏剂修复技术不受管径和长度的限制，而且流动性强，覆盖面积广，可以针对不同修复的需求对堵漏剂进行合理的配比以满足需求。5)在可靠性方面，整形修复技术和取换套修复技术均存在修复成功率低和存在二次事故造成井下工况进一步恶化的风险。套管补贴修复技术可应对复杂原因引起的各种套管破损问题，现在套管补贴技术关键点在于研究高强度、ERW高精度和耐腐蚀的膨胀管管材，高温膨胀管的寿命问题以及多种膨胀方式，也是套管补贴未来的发展方向。

3 结 论

1)目前研究领域和工程实际中对油气井油管柱损伤修复技术的研究较少，现有的技术研究主要围绕油气井套损问题。目前形成的套损修复技术主要有套管补贴、套管整形、取套换套和堵漏剂修复等修复技术，均应用于修复套管。

2)堵漏剂/套管补贴修复技术较整形/取换套修复技术效率高、施工周期短、费用成本低及操作难度小，可以实现长期稳定运行，其中堵漏剂修复技术不受管径限制。

3)膨胀管补贴修复技术修复率高、效果明显、封堵面广和安全性高，能够适用于复杂工况以及由于各种原因引起的套管损坏。

4)针对不同套管漏失、破损和腐蚀等问题，根据技术要求和现场情况选择相应的修复技术，为有针对性选择修复技术提供技术上的依据。

虽然目前国内在修复技术研究领域取得了一定的进展，但是在油气井油管柱上的应用尚属空白，对比后发现堵漏剂修复技术在油管损伤修复上具有较大应用可行性，但需要在充分吸收和研究国内外现有技术和分析其应用案例的基础上，加大研究力度，填补目前技术上的缺陷和不足，达到实现油管损伤修复技术成熟应用的目标。