海上油田新型套管回接器研制與應用

李志彬，黃毓祥，陳鵬飛，李清濤，劉志偉

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300459)

在海上油田開發過程中，由于地層流體具有腐蝕性，油氣井套管受到不斷腐蝕，甚至穿孔[1-4]，造成油氣井不能正常生產，威脅油氣井及海上平臺安全[5-6]。目前,有些海上油氣田已經存在嚴重的套管腐蝕情況[7-10]。在2015—2016年，渤海油田曾在1 700多口井中選了47口井做套損測試，僅有4口井套管是無損的，14口井套管腐蝕穿孔，其他井套管都有不同程度的腐蝕，腐蝕比例高達91%。

通常情況下，對于套管腐蝕損壞的油氣井，采用堵漏技術、重新側鉆、內補貼套管或者套管回接器等技術措施進行補救[11-17]。化學堵漏或擠水泥堵漏一般用于距離井口較遠的下部套管；海上平臺重新側鉆費用過高，內補貼套管又多采用膨脹管膨脹補貼，膨脹后殘余應力過大，密封不嚴，且縮小了內通徑，影響后續作業。

套管回接技術可以臨時將腐蝕套管段以下的井筒密封隔離，將自由段的腐蝕套管切割并起出，用工具套銑到好的套管段，下入套管回接管柱，套入到井中的套管并卡住，通過密封裝置實現有效密封[18-22]。因此，套管回接技術對于有效恢復海上油氣井井筒的持久完整性，保障井筒安全和正常生產是很有必要的。本文主要針對?244.475 mm(9英寸)套管回接器開展研究，并通過現場應用驗證了其可靠的性能。

1 套管回接器內徑設計依據

2 新型套管回接器工具設計

套管回接工具主要由抓撈機構、密封機構和導引機構3部分組成，自上而下包括上接頭、延長筒、本體、引鞋等。抓撈機構主要由頂部接頭、筒體和籃式卡瓦組成；密封機構由2個燕尾型密封及保護套組成；導引機構由控制環、引鞋組成，同時可配合延伸筒使用，增加選擇性回接功能。回接器結構示意圖如圖1所示。

套管回接器總長度(含延長筒)3 500 mm；采用籃式卡瓦設計，鎖緊力不小于700 kN；卡瓦定位環內部使用硫化橡膠，外部加工“O”形圈密封環槽；內密封材料選用具有耐油、耐弱酸、耐弱堿性能的氫化丁腈橡膠，密封壓力不小于20.7 MPa (3 000 psi)。耐溫≥120 ℃；密封壓力≥20 MPa；軸向承受拉力為1 000 kN。本體、卡瓦、定位環基體均選用含Cr、Mn等元素的合金鋼材料。

1-頂部接頭；2-密封圈Ⅰ；3-延伸筒；4-筒體；5-保護套；6-燕尾型密封；7-籃式卡瓦；8-控制環；9-密封圈Ⅱ；10-引鞋。圖1 ?244.475 mm(9英寸)回接器結構

3 關鍵結構設計

3.1 回接筒密封

回接筒主密封采用W型密封形式，達到雙向密封功能。經過不斷優化，采用導入角+內角結構設計，使套管更容易插入到回接筒中，保證密封能力。膠圈實物如圖2所示。

圖2 膠圈實物

針對密封機構，在控制環外側設計2道密封圈；在控制環內側有硫化Y型的密封環。套管回接后，控制環與套管外壁密封，籃式卡瓦在W型密封和控制環密封之間，不與井筒內流體接觸，也不與套管外的流體接觸，沉浸在保護液當中，處于較為理想的工作環境，避免受到腐蝕，可延長卡瓦的使用壽命。

3.2 籃式卡瓦

圖3 籃式卡瓦實物

3.3 扶正引鞋

普通的扶正引鞋采用正螺旋導向設計，內側倒角，端部成尖狀。在工具下放到接近老井套管割口位置，緩慢旋轉并下放，可使老井套管進入其中，引導套管進入回接器本體內。在回接過程中同時起到一定的扶正作用。

在常規引鞋基礎上，本工具設計了一種加長帶孔引鞋。加長引鞋外壁開一些不同直徑的圓孔。回接時，先利用引鞋使回接工具套入套管，控制回接工具的位置，留出開孔位置，實現管柱內外相通，可實現回接過程中的注水泥作業；注水泥作業完畢后，進行回接作業，侯凝，實現注水泥回接工藝。

3.4 加長筒

加長筒上下扣型與工具上接頭下端扣型相同。加長筒用于延長回接器與老井套管重疊長度，可增加W密封與套管外壁的密封接觸次數，可回避具備密封效果不佳位置，同時可增強回接后管柱的穩定性。作業時可根據作業需求確定是否加長筒。

4 套管回接配套輔助裝置設計

4.1 端口磨銑工具

圖4 套管端面磨銑工具

圖5 ?244.475 mm(9英寸)套管端面磨銑工具試驗結果

4.2 外壁刮銑工具

外筒連接處采用套銑管扣(雙極螺紋)，雙極螺紋具有以下優點：①雙級螺紋的第1級和第2級的起端一致，軸向誤差小于0.05 mm，連接強度高；②密封依靠金屬臺肩密封，上、卸扣方便，使用壽命長；③螺紋聯接部位的內外徑一致，無臺階，外徑相對較小，通徑相對較大。

彈性刮刀經過調質，校直后，經多次試驗后形變量穩定且會回彈效果良好。彈性刮銑刀片在筒內呈錯位排布，圍成360°，如圖6所示。當套管進入到筒內后，刀翼片被擴張，刮銑片還維持1個有效的圓環，把套管包裹住，能有效刮銑外壁。

圖6 彈性刮銑刀片

圖7 刮銑前后套管外壁對比

5 現場應用

南海西部某油田A11井是1口生產水平井。該井因?244.475 mm(9英寸)套管腐蝕穿孔而存在安全隱患，需要更換腐蝕穿孔的?244.475 mm(9英寸)套管，回接新的?244.475 mm(9英寸)套管，從而消除安全隱患，恢復注水。套管數據如表1所示。

表1 ?244.475 mm(9英寸)套管基本數據

表1 ?244.475 mm(9英寸)套管基本數據

名稱公稱質量/(kg·m-1)( lb·ft-1)鋼級扣型下深/m原套管69.9(47)N80BTC2 850.04回接套管79.6(53.5)L803S

圖8 組合下入?244.475 mm(9英寸)套管端面磨銑和外壁清刮工具

圖9 組合下入?244.475 mm(9英寸)套管回接工具

倒好固井流程，固井泵泵入密度為1 900kg/m3的水泥漿29 m3，停固井泵，倒閥門，釋放膠塞，泥漿泵、固井泵泵入頂替液(海水)52 m3，碰壓6.89 MPa(1 000 psi)，繼續泵入，附加壓力3.45 MPa (500 psi)。測得管柱上提懸重750 kN、下放懸重700 kN，緩慢下放管柱至1 505.5 m，即，回接器止動位置，下壓100 kN，補接到位，緩慢過提150 kN，使回接器卡瓦抓牢套管，固井泵泄壓，檢查持續有少量回流。憋壓候凝。48 h后泄套管內壓力，檢查無回流現象，套管回接成功。

6 結語

1) 新型套管回接工具主要由抓撈機構、密封機構和導引機構3部分組成。通過對關鍵結構及配套輔助裝置的優化設計，結構合理，其性能滿足作業需求。

2) 在A11井?244.475 mm(9英寸)套管換套修井作業中的成功應用，證明了該套管回接器的工作性能安全可靠。建議在海上油氣田修井作業中推廣應用，進一步消除因套管腐蝕損壞導致的油氣田生產安全隱患。