膨脹管補貼技術在大港油田的應用研究*

強杰 齊月魁 劉雪光 黃滿良 劉言理 齊振 時耀亭

(1.中國石油大港油田石油工程研究院 2.中國石油大港油田第三采油廠3.中國石油渤海鉆探第二固井公司 4.中國石油大港油田第一采油廠)

0 引 言

大港油田已開發50多年，近年來由于注水壓力大、井深及水質等多方面因素影響，注水井井況日益復雜，套管腐蝕結垢情況嚴重，隨之而來的套損井和套漏井日益增多。據統計，目前該油田共有套損注水井622口，占套損油水井總數的48.6%，占在冊油水井總數的9.2%，其中套管縮徑注水井184口，淺層套管彎曲注水井140口，套管錯段井28口，套漏井160口，影響注水井開井率8.63%，且套損帶病注水井存在隨時停注的潛在風險。為了提升套損注水井注水增產能力，針對注水井套損套變嚴重、注水量不足以及油井穩產基礎脆弱的問題，大港油田公司確立了采用膨脹管補貼技術對套損井進行修復的工藝方案。鑒于目前金屬塑性成形領域對于塑性成形工藝和工具設計還缺乏系統的、精確的理論分析手段，大港油田工程院選用4種塑性好的管材進行了室內力學性能測試，優選兩種管材開展了膨脹試驗，并在此基礎上開發了膨脹管大通徑補貼技術。該技術與國內外常規的膨脹管技術相比，管材壁厚大幅度降低，即由6.0～8.0 mm降至3.5～4.5 mm，同時膨脹錐由置于膨脹管下部的擴孔端內的內置式，改為置于膨脹管下部端外的外置式，膨脹壓力由膨脹管下端壓力腔向上傳遞改為膨脹錐下的多級液壓缸向上傳遞。現場應用結果證明，采用該技術能有效封堵套損井段，完善注采井網，改善注水效果。

1 膨脹管補貼技術

膨脹管補貼技術[1-5]是將膨脹管及配套工具下至套管需補貼部位，地面加壓，使脹頭在壓力作用下向上運動，利用膨脹管的金屬塑性變形特性[6]，使膨脹管發生徑向膨脹，通過錨定裝置與原井套管實現錨定和密封，達到加固、補貼和封堵套損井段的目的。

膨脹管補貼后內徑主要取決于補貼段套管內徑、膨脹管膨脹后壁厚以及橡膠密封環壓縮后厚度，即膨脹管脹后內徑是補貼段套管內徑減去兩邊膨脹管膨脹后壁厚以及橡膠密封環壓縮后厚度。由于壁厚不均勻度和管子不圓度等因素影響，膨脹管補貼后其內徑難以用數學方法進行計算，所以，本文采用實物試驗方法對膨脹管的膨脹性能進行評估。

1.1 工具管串結構

膨脹管補貼技術工具管串結構如圖1所示。管串由下而上分別是：泄壓閥、多級液壓缸、脹頭、連接桿、膨脹管、油管錨定器、?73 mm加厚油管及井口短節。連接桿一般為油管，與液壓缸中心桿相連接。膨脹管中間通過連接桿，且膨脹管坐于多級液壓缸上面的脹頭錐面上[7-8]。油管錨定器預先套入中心桿上端，將膨脹管固定于脹頭和中心桿之間。現場施工時按照順序依次連接并下入井內。

1—吊環；2—井口短節；3—油管錨定器；4—高壓活動彎頭；5—60 MPa水龍帶；6—70 MPa水泥車；7—?73 mm加厚油管；8—膨脹管；9—連接桿；10—套管；11—脹頭；12—液壓缸；13—泄壓閥。

1.2 施工工藝

地面開泵加壓，整個脹管過程開始，利用多級液壓缸的中心桿加壓時產生的拉力，帶動脹頭和多級液壓缸向上運動，對膨脹管產生向上推力。由于油管錨定器固定于膨脹管上端口，并與中心桿產生向下鎖緊作用，限制膨脹管向上移動，進而在脹頭和油管錨定器之間對膨脹管形成對擠效應。隨著壓力不斷升高，脹頭上行力加大，由于脹頭錐面對膨脹管的擴張作用，脹頭將膨脹管脹開，并緊貼于套管內壁之上。當液壓缸帶動脹頭上行脹管一定距離后，觸動液壓缸底部泄壓閥泄壓，完成第一個行程。隨后停泵，上提管柱，油管錨定器器解鎖，多級液壓缸中心桿再次拉出一個行程距離。繼續加壓脹管，完成多級液壓缸的第二次行程。這樣反復多次，直至完成全部膨脹管的脹管過程。具體施工步驟如圖2所示。

1—錨定器；2—油管；3—膨脹管；4—脹頭；5—液缸5；6—液缸4；7—液缸3；8—液缸2；9—泄壓閥；10—液缸1；11—套管。

1.3 技術特點

1.3.1 實現補貼段大通徑

膨脹管補貼技術利用外置液壓缸作為動力推動脹頭脹管，整個脹管過程中，膨脹管本身不承受高壓液體，改變了將膨脹管本體作為膨脹液壓缸體的脹管原理。由于脹頭外置，脹頭外徑尺寸得到放大。加上膨脹管本身不承壓，則在保證強度和補貼密封壓力的條件下，膨脹管管壁進一步減薄，從而達到膨脹管補貼后通徑最大化的目的[9]。注水井套損膨脹管補貼修復工藝可確保?139.7 mm套損井內徑達到109.0 mm以上，具有承壓30 MPa以上的能力，膨脹管抗外擠強度為25 MPa，抗內壓能力超過60 MPa，抗外擠和抗內壓能力均遠超現場指標要求(分別為16 MPa和30 MPa)，滿足措施后期注水需求，且便于常規井下措施工具從補貼管內通過并實施后續作業。

膨脹管補貼主要技術參數：?124.3 mm套管補貼后內徑范圍為113.0～116.0 mm；?121.4 mm內徑套管補貼后內徑范圍為109.0～112.0 mm；脹后抗內壓大于30 MPa，抗外擠大于15 MPa，膨脹錨定力大于500 kN，最高工作溫度120 ℃。

1.3.2 施工壓力低

膨脹管膨脹時，多級液壓缸的作用力首先作用于脹頭，由脹頭錐面擠壓膨脹管實現金屬塑性變形[10]。膨脹管膨脹時所需作用力為工作液壓力與工作液作用面積的乘積[11-12]。采用多級液壓缸可增大工作液作用面積，從而在所需脹管力相同的情況下，降低工作液壓力，實現較低的膨脹啟動和行走壓力，現場操作更加安全。

1.3.3 工藝簡單

膨脹管補貼技術可一趟管柱完成整個工藝過程[13]，入井膨脹管完全膨脹并起出輸送油管柱后，無需底堵處理和修端口等工序，與厚壁補貼相比，縮短了作業占井周期，實現了高效率施工作業且補貼后井內不留有任何落物，不會對后續工序造成不利影響。

2 膨脹管補貼管材力學性能試驗與優選

通過對膨脹管管材進行調研[14-15]，并根據膨脹管管材性能、成本與工藝成熟度，選擇20G、SA106B和不銹鋼等3種材料開展力學性能分析[16]。各材料力學性能如表1所示。

選用表1中的4種膨脹管補貼管材進行力學性能試驗，獲得了基礎力學性能參數，見表2。根據材料伸長率和屈強比，4種材料均可滿足膨脹管膨脹要求。考慮成本與工藝成熟度，選擇20G、316L兩種管材開展大通徑膨脹管試驗評價[17-18]，其中316L膨脹性能、耐腐蝕性能更優[19]，20G則成本更低、規格更全。

表1 材料力學性能參數Table 1 Mechanical property analysis parameters of materials

表2 管材基礎力學性能參數Table 2 Fundamental mechanical test performance parameters of tubular goods

表3為20G管材不同膨脹率脹后基礎力學性能參數。其中原始管規格為?114.0 mm×4.0 mm。由表3可以看出，20G脹后力學性能超過J55水平，且可以達到膨脹率≥15%要求。因此,選擇20G管材開展了不同膨脹率下管材脹形試驗，以及脹后管材力學性能試驗分析。試驗樣管及試驗裝置如圖3～圖6所示。

圖3 不同膨脹率管材脹形Fig.3 Bulging of tubular goods with different expansion ratios

圖4 拉伸試驗前后試樣Fig.4 Samples before and after tension test

圖5 管材力學性能試驗裝置Fig.5 Mechanical property test device of tubular goods

圖6 大通徑膨脹管脹后懸掛力試驗Fig.6 Suspension force test of large drift diameter expansion pipe after expansion

表3 20G管材不同膨脹率脹后基礎力學性能參數Table 3 Fundamental mechanical performance parameters of tubular goods 20G with different expansion ratios after expansion

試驗結果表明：整根膨脹管脹形后懸掛力超過600 kN，單個橡膠圈懸掛力可達到40 kN以上，?114.0 mm×4.0 mm規格20G膨脹管抗外擠強度為25 MPa，抗內壓能力超過60 MPa，可以滿足套管補貼現場應用要求。

3 膨脹管補貼室內試驗

為了驗證膨脹管膨脹后的密封性能，選取?114.2 mm×5.0 mm膨脹管與?113.0 mm脹頭進行套管補貼室內模擬試驗。試驗時先進行膨脹試驗，再進行懸掛力測試試驗。試驗裝置示意圖及實物圖分別如圖7和圖8所示。脹頭與液壓缸實物如圖9所示。膨脹試驗過程中，將長度為465.0 mm的?140.0 mm×7.5 mm套管短節固定于試驗槽中，膨脹管穿過試驗套管短節。將中心桿穿過膨脹管與脹頭，并與液壓缸中心桿相連，使膨脹管坐于脹頭上。中心桿通過高壓膠管與試壓泵連接。

1—泄壓閥；2—液壓缸；3—脹頭；4—套管；5—夾持裝置；6—中心桿；7—電動試壓泵；8—錨定裝置；9—膨脹管；10—試驗槽。

圖8 大通徑膨脹管補貼室內試驗裝置實物圖Fig.8 Full-scale laboratory test device of large drift diameter expansion pipe patch

圖9 脹頭及液壓缸Fig.9 Expansion head and hydraulic cylinder

膨脹試驗過程中，脹頭啟動壓力14 MPa，膨脹管膨脹壓力穩定在14～18 MPa，脹頭行走平穩，膨脹壓力不高，膨脹過程順利。膨脹后膨脹管與套管端面如圖10所示。膨脹管不同部位在脹后形成了不同的內徑。在膨脹管初始膨脹端發生了明顯的縮頸現象，出現了縮口。經測量，膨脹管初始膨脹端內徑113.5 mm，膨脹擴大率9.04%。在膠筒段內徑為113.4 mm,膨脹擴大率8.94%，說明因為套管與膨脹管之間膠筒的存在，一定程度上阻礙了膨脹管的膨脹。在無膠筒段內徑為114.2 mm，膨脹擴大率9.63%。

圖10 脹后膨脹管與套管端面Fig.10 End faces of expansion pipe and casing after expansion

膨脹管脹后懸掛能力是一個重要參數，大通徑膨脹管技術采用丁腈橡膠實現膨脹管與套管之間的錨定密封。膨脹完成后，進行膨脹管懸掛力測試試驗。利用拉拔試驗機固定套管，對膨脹管進行單向拉拔以便測試膨脹管與套管之間的錨定力。試驗結果表明，膨脹管與套管之間能夠承受500 kN拉力而不發生相對移動，滿足現場使用要求。

4 與現有技術對比分析

采用?139.7 mm套管多級增力冷拔膨脹成形工藝，優選高強度、低成本薄壁碳素鋼，形成大通徑膨脹管補貼技術。與國內厚壁膨脹管補貼技術相比，該技術具有以下特點：①膨脹管在膨脹施工前不用在端部擴孔預制壓力腔；②由于采用的管材壁厚變薄，同時采用多級液壓缸增力脹管工藝，施工壓力可下降10 MPa以上，所以提高了施工的地面安全性；③多級液壓增力工具配套了多級膨脹頭(見圖2)，第一級脹頭對管材實施膨脹后，隨著施工管柱上行其余膨脹頭對已脹開的部分有多次定徑和保徑的作用，確保了膨脹完成后的膨脹段內通徑。

室內試驗結果表明，與國內厚壁膨脹管補貼相比，采用新技術后管材壁厚由6.0 mm以上降到了4.0 mm,脹后通徑由108.0 mm以下提高到115.0 mm以上，脹后密封性能由20 MPa提高到60 MPa，脹后最大抗外擠強度由15 MPa提高到23 MPa。脹后最大抗內壓雖有所下降，即由45 MPa下降到33 MPa，但完全滿足大港油田大多數注水井耐壓要求。

與國內?140.0 mm裸眼膨脹管應急封堵管材相比，使用的管材壁厚均為8.0 mm以上，脹后內徑由133.0 mm以下提高到135.0 mm以上，脹后最大抗內壓強度由45 MPa提高到49 MPa，脹后最大抗外擠強度由28 MPa提高到41 MPa。

此外，與國內同類技術相比，研發的膨脹管螺紋脹后最大密封壓力由45 MPa提高到52 MPa，脹后最大抗拉能力由534 kN提高到600 kN。

5 現場應用

在完成室內試驗的基礎上，膨脹管大通徑補貼技術在大港油田板904-11、港259、聯淺3-6以及家47-7等多口井中進行了現場應用。下面以家47-7井為例對現場應用情況進行介紹和分析。

家47-7井最大井斜6.5°×1 800 m，油層套管為N80鋼級的?139.7 mm管材，壁厚7.7 mm，套管原始內徑124.3 mm。經雙封隔器找漏結合40臂井徑測井，確定油層套管漏點深度為270.81～272.89 m。

5.1 補貼方案

補貼270.81～272.89 m處漏點，采用?114.0 mm×4.0 mm大通徑膨脹管，數量1根，長度9.1 m，膨脹管壁厚4.0 mm，采用?114.0 mm脹頭。補貼段膨脹管上點深度266.8 m，下點深度275.9 m。膨脹管結構參數見表4。

表4 膨脹管參數Table 4 Expansion pipe parameters

5.2 施工步驟

(1)?119.0 mm通井規通井。將?119.0 mm通井規+?73.0 mm油管柱下至160 m，下入過程無卡阻, 在116～135 m井段反復上提、下放亦無卡阻，井筒具備大通徑補貼條件，起出通井管柱。

(2)下入?139.7 mm彈簧式刮削器刮削。下入?139.7 mm彈簧式刮削器+?73.0 mm油管柱對井筒進行刮削，并對260～280 m井段反復刮削并大排量洗井，直至進出口液性一致，起出刮削管柱。

(3)?123.0 mm通井規通井。將?123.0 mm變徑通徑規+?73.0 mm油管柱下至280 m，開泵加壓8～10 MPa,在設計補貼段內反復上提、下放無卡阻顯示，補貼井段具備大通徑補貼條件，起出通井管柱。

(4)補貼管柱試壓。下絲堵+?73.0 mm加厚油管柱280 m(含7 m短節)，正加壓45 MPa，穩壓15 min壓力不降，試壓合格，滿足膨脹管補貼壓力要求，起出試壓管柱。

(5)膨脹管入井。膨脹管柱結構：增壓總成(五級液壓缸)+膨脹管+?73.0 mm加厚油管。入井過程：①地面連接增壓總成，裝入?114.0 mm膨脹錐,用大鉤吊起坐入井口；②在油管上預裝錨定器后穿入膨脹管，用專用卡子卡好，再用大鉤吊起與膨脹工具對接，最后調整膨脹管至設定位置，將錨定器固定鎖緊。膨脹管柱井口連接完畢，用大鉤吊起膨脹管柱入井。膨脹管下入位置：上點119.5 m，下點127.5 m，膨脹管長度8 m。

(6)加壓膨脹。①調試水泥車，油管連接加壓接頭，高壓管線；②啟泵升壓至10 MPa有坐封顯示，至30 MPa停泵泄壓，打開泄壓閥門，上提管柱670 mm(一個行程)，泄壓閥返水正常，啟泵繼續加壓25～30 MPa，反復加壓上提14次至壓力瞬間回落至0，脹頭出膨脹管，全部膨脹行程結束；③工具起出地面，增壓總成無異常，?114.0 mm膨脹錐無異常。

(7)補貼后試壓。井筒整體試壓15 MPa，穩壓30 min壓降不變，試壓合格，起出試壓管柱。

5.3 補貼效果評價

家47-7井膨脹管補貼前因套漏關井，膨脹管補貼后不再套漏，正常注水壓力23.1 MPa,膨脹管補貼達到封堵套管漏點的預期效果。自2020年9月至2021年4月，該井已實現有效注水0.54×104m3。家47-7井套管補貼的成功實施，為有效提高套損井加固修復和延長套管使用壽命提供了技術保障和經驗借鑒。

6 結 論

(1)通過評價114.0 mm×4.0 mm規格20G膨脹管的膨脹性能，獲取驅動力等膨脹過程參數，并開展膨脹管抗外擠和抗內壓試驗，得到了膨脹管膨脹后材料力學性能的變化規律。

(2)采用多級增力冷拔膨脹成形工藝，優選高強度低成本薄壁碳素鋼，形成了大通徑膨脹管補貼技術。此項技術能夠減少注水井補貼后的套管內徑損失，滿足漏點以下實施分注卡水措施對套管內徑的要求。

(3)對配套工具性能進行試驗分析，試驗結果表明，膨脹管膨脹壓力穩定在14～18 MPa，膨脹管與套管之間能夠承受500 kN拉力而不發生相對移動，為膨脹管補貼現場應用提供了試驗數據和技術支撐。

(4)該技術在大港油田的應用中取得了良好的效果，膨脹管膨脹后可以滿足井筒完整性要求，延長了套損注水井壽命，實現了有效注水。