膨脹管補貼修復注水井錯斷技術研究與應用

張 毅，任勇強，邢海軍，衛 國，米 瑞，劉愛國

(中國石油集團渤海鉆探井下作業分公司，河北任丘 062552)

美國的殼牌公司首先于1991年提出了膨脹管技術的概念，當時該技術僅作為對套損處理的特殊應急手段而出現。但隨著近年來措施井、大斜度井以及深井、超深井的日益普遍，膨脹管技術已從原來的應急手段轉變為油氣井修井的常規解決方案。在膨脹管技術應用方面，Enventure、Hawkenergy 等幾家公司最具代表性、處于領先地位。其中，Enventure 公司最新的高溫膨脹管套管補貼系統用于修復損壞套管，特別是針對高溫井的套損段或射孔段，系統適應最高溫度可達270℃，目前可用單根進行補貼作業。Hawkenergy公司研制的膨脹管金屬對套管膨脹尾管懸掛系統，已成功應用于美國頁巖氣壓裂作業中去。國內對膨脹管技術的研究起步較晚，在國外的理論和設想已基本成型之后，才開始逐漸進行研究和探索。直到2004年，我國才開始對膨脹管技術進行具有規模性的研究和工程實驗探索。2006 年底，膨脹管技術更是被國家科委確定為863 項目，之后由中國石化帶頭，聯合十多個高校以及科研單位，包括勝利油田鉆井院、中國石油大學等機構，對該課題進行深入探究，步步攻關。

經濟不斷發展，我國石油開采程度逐漸加深，油田注水的啟動壓力也不斷提高，再加之地質、工程等因素，使得注水套管出現了套漏、變形嚴重甚至斷錯等問題，并且這些問題也在呈現逐漸增多的趨勢。而在套管損壞嚴重甚至錯斷的情況下，會使原有的通道消失，嚴重影響油水井的正常生產，甚至報廢停井，此時油田的注采井網完善會受到極大程度影響，導致開發效果大打折扣，同時極大程度上提高作業成本。采用膨脹管技術進行錯斷井修復是近年來提出的新思路，目前已在各油田有所應用。

1 注水井錯斷原因分析

1.1 地層因素

地層因素主要包含構造應力因素、注水后引起的地應力變化因素、層間滑動因素、蠕變因素、腐蝕因素等等。

1.1.1 鹽膏層的蠕變流動和溶解后的坍塌

鹽膏層在一定條件下會發生溶解、蠕變、滑移或塑性流動，對套管產生相當大的外擠載荷，致使套管扁、彎曲、變形甚至錯斷。統計結果表明，鹽層段發生套損的比例隨鹽層傾角和厚度增大而增大。

1.1.2 泥頁巖的膨脹與蠕變

泥頁巖是一種不穩定巖類，在遇水情況下易引起膨脹，在高溫高壓條件下產生蠕變，對套管產生橫向和縱向載荷作用及非均勻的圍巖蠕變外壓，使套管在彎曲、拉伸和非均勻擠壓等多種復雜載荷作用下而損壞。

1.1.3 斷層運移

由于注入水和壓裂液侵入斷層，起到潤滑作用，破壞了斷層相對靜止狀態，使斷層上下盤產生滑移，從而對穿越斷層的套管造成剪切破壞。

1.1.4 套管腐蝕

在注水之后，還可能造成套管部位的腐蝕。因為，套管受到注水的不斷沖刷和腐蝕，這樣套管則會變得越來越薄，達到降低了強度。還會受到地應力的作用，進而出現的變形或者漏失，嚴重情況可能造成套管錯斷。

1.2 工程原因

工程因素主要包括井眼的質量、管體質量、套管層次、壁厚組合、管材選取以及起關鍵性影響作用的固井質量高低，此外，還有注水井后續注水、壓裂等作業也會損壞套管。

1.2.1 套管設計不合理

常規套管設計中，只注意了滿足套管串上部的抗拉應力和下部的抗擠強度的需要，將高強度套管用于兩頭，把低強度套管用于中間段。而油氣井的鹽膏層、斷層大多數都集中在這一井段(2100～2800m)，因此套損也多發生在該井段。

1.2.2 固井質量差

由于套管水泥環膠結質量差，不連續，使套管承受非均勻載荷而損壞。

1.2.3 套管質量差因套管本體厚度不均、接箍有裂紋、螺紋加工精度低等質量問題，引起井下套管斷裂、脫扣等。

1.2.4 射孔作業不當

射孔時瞬間爆炸產生的沖擊波必然會使套管受到一定程度的傷害。隨著射孔彈藥量的增加、射孔密度加大、射孔彈不合理的排列和誤射等，加劇了對套管的傷害程度。

1.2.5 注水、壓裂作業的影響

在注水、壓裂作業過程中，注入地層的水或壓裂液有時會侵入到鹽膏層、斷層、泥頁巖層段，引起地層的蠕變、流動、滑移和膨脹，導致套管的損壞。另外在注水、壓裂施工過程中措施不當(如排量過大、壓力過高、封隔器坐封壓力不對或不使用封隔器)也增加了套管損壞的幾率。

2 膨脹管修復錯斷井技術

通常而言，取套換套工藝技術是修復錯斷井的一種常用工藝，但該類工藝通常需要配備專用的套銑工作液、專用的套磨銑工具、套管切割工具及套管補接工具，套管切割和回接之前往往需要先套銑掉井筒附近用于固井的深達百余米的水泥環，施工工序多、施工周期長、作業費用較高，難以經濟有效地實現套損井修復。

相比于常規套損井修復方式，膨脹管技術具有通徑損失小、作業成本低等優點，但常規膨脹管補貼技術因缺乏有效的導引手段，導致膨脹管裝置難以有效下入錯斷井段并實施補貼作業，制約了其在錯斷井修復領域的推廣應用。針對錯斷井難以經濟有效修復的技術難題，本文提出了帶示蹤管柱的底堵可撈式膨脹管補貼裝置。

2.1 結構

如圖1所示，帶示蹤管柱的可撈底堵式膨脹管的結構主要包括可撈底堵式膨脹管系統和投球式示蹤管柱兩大部分，其中可撈底堵式膨脹管系統部分主要由膨脹管、懸掛密封帶、扶正短節、膨脹錐、脹錐腔、引鞋、可撈式底堵等部分組成；投球式示蹤管柱部分主要包括尾管、接箍、導錐等，導錐的底端為錐型結構且內部加工有球座。為便于補貼后后續完井工具的起下、有效避免掛卡，膨脹管本體的上部和引鞋部位均專門加工有倒角。

2.2 工作原理

對錯斷井筒進行開窗或整形處理后，用鉆桿或油管等伴送管柱將帶示蹤管柱的可撈底堵式膨脹管裝置送至施工井段，投入鋼球并入座，封閉整個膨脹管系統下部；向伴送管柱內打入高壓液體，當達到膨脹管變形壓力后，在高壓液體推動下，膨脹錐上行促使其上部膨脹管管體變形，并將硫化于膨脹管本體上的密封帶擠壓在膨脹管和套管之間，達到密封和懸掛的作用，之后膨脹錐連續向上膨脹，直至完成整個膨脹流程。完成膨脹后，起出伴送管柱和膨脹錐，采用伴送管柱下入滑塊撈矛，將底堵及示蹤管柱撈出，完成打撈。最后，利用伴送管柱下入長錐面銑錐至支撐臺階，對其進行磨銑修整，完成如圖2的全部工藝流程。

2.3 技術優勢

該膨脹管系統是在傳統膨脹管補貼系統的基礎上進行了優化改進，增加了示蹤管柱，并配備了專用的可撈式底堵。為了便于裝配，將脹錐腔設計加工為上脹錐腔和引鞋（內部加工有用于安放可撈底堵的支撐臺階）兩個組成部分，二者之間可通過特種焊接連為一體。示蹤管柱連接在可撈底堵的下部，主要由尾管和導錐組成，二者之間通過接箍相連，導錐上加工有球座，經投球落位后可憋壓，為上部膨脹管系統啟動提供動力。該可撈式底堵與示蹤管柱組合還具備易于打撈的特點，在補貼完畢后可利用滑塊撈矛將其撈出，并采用常規鉆具將支撐臺階磨銑掉、恢復通徑，達到縮短施工周期、節約作業成本的目的。

3 應用案例

文119-21 井是冀中坳陷文119 斷塊的一口注水井，完鉆井深1900.00m，油層套管為鋼級N80、壁厚7.72mm 的5-1/2″套管。該井2016 年6 月由進行40 臂井徑測試，發現套管在172～185m 處嚴重變形。修井時取換套管至185.22m 后，新下入的套管與原套管在185.22m處對接不上，難以進行常規回接作業。在切割并取出錯斷井段的變形套管之后，設計了帶示蹤管柱的可撈底堵式膨脹管補貼回接技術進行回接和修復。

3.1 膨脹管補貼修復套管錯斷井段施工工序

（1）井筒灌注：井筒灌注清水壓井穩定后，裝好井口井控裝置。

（2）擴銑：下長錐面銑錐修整斷口和清洗井壁，洗井至進出口液性一致。

（3）通井：下通徑規判斷斷口距離。

（4）組下膨脹管：管柱結構：膨脹管一體化發射裝置+外加厚鉆桿至井口。

（5）液壓膨脹管補貼：膨脹管下入深度確定無誤后，用清水正洗井，確定井下循環通道正常。從油管內投鋼球一枚，打壓—注意觀察泵壓，泵壓急劇上升，油管自動上行表示補貼啟動。補貼完成后下放原管柱，小心觸探膨脹管深度，遇阻深度即為膨脹管的頂部。

（6）處理底堵：滑塊撈矛打撈撈出底堵。

（7）擴銑管口：下長錐面銑錐開泵循環磨銑。

（8）通井：下通徑規通井。

（9）按照建設方設計要求，恢復井口，下泵完井，恢復生產。

3.2 應用效果

經現場應用驗證，帶示蹤管柱的可撈底堵式膨脹管系統具有工具性能可靠、操作簡單等特點。與常規取換套作業相比，該技術的施工費用不及常規取換套作業的1/10，同時可節省施工時間20d。原內徑為124mm錯斷段套管的通徑達到了106mm以上，保證了后續施工和采油的工藝需求，實現了錯斷井的經濟高效修復。

4 優勢及認識

采用帶示蹤功能的可撈底堵式膨脹管進行注水井錯斷修復具有以下優勢及認識：

（1）下入性好。相比于常規膨脹管補貼技術，該膨脹管裝置增加了專用的示蹤管柱、并在示蹤管柱上配備了相應的導錐，通過導錐和示蹤管柱相結合，克服了常規膨脹管補貼裝備在結構上的不足；

（2）施工效率高。與常規取換套作業相比，該技術無需配備專用的套銑工作液、專用的套磨銑工具、套管切割工具及套管補接工具，無需套銑掉井筒附近用于固井的水泥環，也無需對補貼段套管進行切割，其施工費用不及常規取換套作業的1/10，同時可節省大量的施工時間；

（3）修復通徑較大。因采用可膨脹管材設計，針對內徑為121.36、124.26mm 的待補貼套管，膨脹管可以采用外徑為114mm、壁厚為6.3～7mm 的高性能鋼管，并針對不同規格的膨脹管配套相應規格的膨脹錐、保證膨脹管的膨脹率在10%～15%，膨脹后膨脹管的壁厚比常規膨脹管更小，與套管結合更緊密，可以有效減少原套管的內徑損失，經補貼修復后，套管的通徑可達105～109mm；

（4）經現場應用證明，解決了注水井修復過程中的技術難題，開發的工具和工藝，均能夠滿足現場施工要求，在提高工作效率以及增加作業手段、有效指導現場施工作業等方面有著十分重要的意義，具有良好的推廣應用前景。