异径管膨胀补接工具研发与现场应用

2024-01-18杜聪刘宝振石义席武军刘文庆邹明赵广

石油工业技术监督 2024年1期

杜聪，刘宝振，石义，席武军，刘文庆，邹明，赵广

中国石油西部钻探井下作业公司（新疆克拉玛依 834000）

0 引言

新疆油田已经走过68年的开发历程，受地质构造、压裂、固井、注采工艺、腐蚀、地层出砂等综合因素影响，近些年呈现出套损井逐年增多、套损部位日趋复杂的现象[1-3]。

截至2020年底，新疆油田共有油气水井41 657口（油井34 966 口，注水（汽）井6 428 口，气井263口），其中套损套变井1 285 口，每年新增约150 口。针对套损井数量不断增多的问题，在常规膨胀管技术的基础上，分析变径位置套损井治理难点，研发并试验了一种异径套管补接工具。

1 常见套损井治理方案

套损井治理一直是油田增产稳产的重要手段之一，如不进行相应治理很多井会带病生产，最终导致油气井限产、停产甚至报废，不仅影响油田产量，无形中也提高了开发成本。通常采用套磨铣、挤注、胀修套、取换套等方式进行套损井治理，这些方法的工艺特性见表1。

表1 常见套损井治理工艺对比

传统的套磨铣、胀修套、挤注超细水泥、取换套、实体膨胀管等技术，修复后存在井眼通径缩小、承压能力低、悬挂能力差等缺陷，具有较大的局限性[4-6]。同时，根据统计传统修复方式成功率不足40%，针对变径位置的修复成功率会更低[7-8]。为了解决套管在变径位置修复难度大、成功率低的难题，同时考虑后续压裂及生产需求，采用膨胀管补贴技术对异径套损井筒进行修补。

2 工具设计方案

2.1 膨胀管补贴技术工作原理

膨胀管补贴技术的工作原理是将膨胀管及配套工具下至套管待补贴部位，通过地面加压或机械拉伸的方式使胀头在压力或拉力作用下沿膨胀管中心线轴向运动，利用膨胀管的金属塑性变形特性，使特殊材料制成的膨胀管发生径向膨胀，通过锚定装置与原井套管实现锚定和密封，达到加固、补贴和封堵套损井段的目的[9-10]。

2.2 双次膨胀补贴

异径井筒上部套管尺寸较大，下部套管受尾管悬挂器等工具结构限制尺寸较小，存在一个明显的台阶。膨胀管技术只能对单一内径套管进行补贴，需要进行多次补贴作业完成异径套管修复，主要工艺过程如图1所示。

图1 膨胀管补贴效果图

井筒清理完毕后，在套管断脱位置上部下入补贴管完成上部套管补贴，将错段位置进行填充，使上下部套管内径一致，为二次补贴提供条件。第二根膨胀管针对上下部套管和断脱段同时进行补贴，通过外部硬化橡胶密封环保证井筒承压能力，完成异径套损井筒的补贴工作。

近年来虽然膨胀管技术的应用越来越成熟，但该方案对膨胀管的质量和施工精度要求极高，某一点的误差都可能导致整个补贴作业的失败。此外，对于错段位置上下套管不居中以及上下套管内径相差较大等情况，该方案也不适用。

2.3 异径管膨胀补接工具

鉴于双次膨胀补贴方案使用条件受限，拟设计一种异径井筒专用补贴工具，该工具通过一次补贴即可完成异径井筒的修复。

为解决套管变径位置内径不相同问题，工具应同时具备补贴两种不同尺寸套管能力，拟采用2 个大小不一的膨胀锥来完成对应套管补贴。通过研究设计出如图2所示的异径管膨胀补接工具。

图2 异径管膨胀补接工具结构图

该工具主要由2 个尺寸不一的膨胀锥、直径依次增大的小膨胀管、过渡管和大膨胀管3 段管体组成，整个工作过程可分为3个阶段。

第一阶段，小直径补贴管膨胀补贴。通过地面打压，当发射室内压力达到工作压力后液压推动小直径膨胀锥上行实现补贴。大直径膨胀锥内置在（大直径）膨胀补贴管内与中心管存在间隙，受膨胀管尺寸限制保持不动。

第二阶段，过渡连接管部分。过渡连接管两端与两种不同尺寸的膨胀补贴管相连接，过渡连接管内径大于小直径膨胀锥，当小直径膨胀锥进入过渡连接管内，高压液柱压力突降。通过上提管柱带动小直径膨胀锥继续上行，泵压开始上升表示小直径膨胀锥嵌入到大直径膨胀锥下部大胶塞内。

第三阶段，大直径尺寸膨胀管补贴。此时，通过打压和上提管柱使大小膨胀锥同时上行，实现上部套管的补贴。

3 工具室内实验

为验证异径管膨胀补接工具的合理性，以不锈钢为材料加工了工具的缩小模型，在室内静水环境下进行了相应的室内实验。实验膨胀管总长1.8 m，小膨胀管长0.5 m，大膨胀管长1.0 m。

使用105 MPa高压泵对置于实验台上的工具进行打压。在1.4～2.1 MPa间稳压10 min进行低压试压，工具密封良好，没有泄漏。随后，启动高压泵缓慢提升泵压，小膨胀管在压力达到26.5 MPa 时启动膨胀，保持泵压在启动压力附近完成小膨胀管的膨胀，大膨胀管在压力达到30 MPa时启动膨胀。膨胀完成后继续进行打压，分别在40 MPa 和60 MPa 进行工具承压试验，稳压15 min 工具无渗漏，继续打压管体在80 MPa时发生爆裂，破裂情况及试压曲线如图3和图4所示。

图3 膨胀管地面实验

图4 膨胀管试压曲线

室内实验表明所设计异径管膨胀补接工具工作结构合理，可用于现场异径套管补接，并且在补贴完成后具有良好的承压能力。

4 现场施工

4.1 现场基本情况

新疆油田金龙X井在压裂作业过程中发生了套管损坏，使用四十臂测井仪得到井周360°二维平面成像图，如图5 和图6 所示，可以明显看出套管在4 085.8 m 处内径急剧变大。结合表2的套管数据，发现4 085.5～4 086.3 m 位置为139.7 mm 油层套管与114.3 mm 油层套管悬挂器位置。判断套管变径位置发生断脱，断开后因上部套管收缩，下部套管压缩形成断距约0.9 m，裸露出技术套管。

图5 金龙X井4 080～4 100 m多臂井径测井解释成果图

图6 金龙X井套管变径位置三维立体图

表2 金龙X井套管数据

根据套管和断口实际情况，加工异径管膨胀补接工具全长9.7 m，具体如表3和图7所示。

图7 入井异径管膨胀补接工具

表3 异径管膨胀补接工具参数mm

4.2 施工流程

井筒清理完毕后通过钻具将异径管膨胀补接工具下到预定位置，当钻具悬重下降时表示到达套管错断位置。上提下放钻具，使钻具在错段位置产生2～3 t压实力。

准备工作完成后开泵打压：以5、10、15、20、30 MPa 为梯度缓慢升压，根据异径管膨胀补接工具工作状态调整施工工艺。从图8 可以清晰看出，整个施工过程的泵压出现两次峰值。随着泵压从0开始缓慢提升，当压力达到30 MPa 时小膨胀管启动工作，此时钻具悬重随着补贴过程略有下降。小膨胀管膨胀完成后压力骤降到1 MPa 左右，通过上提钻具将小膨胀锥提出过渡段并与大膨胀锥结合。通过上提钻具和缓慢增压进行大膨胀补贴，整个过程最大悬重为74 t，最高泵压为20 MPa，膨胀完成后悬重降至原悬重60 t，泵压迅速回0。