套管補貼加固技術在套損井修復中的應用分析

龐瑞江

（中海油田服務股份有限公司一體化和新能源事業部工程技術作業中心，天津 300459）

現代石油開采領域存在多種套損井修復方法，套管補貼加固技術是其中較為常見的一種。通過該技術的應用，可有效提升套管的密封性，防止套管出現油水泄漏的問題，為石油開采企業工作的繼續進行提供支持。所以，套管補貼加固施工時，需要針對石油開采工程的具體情況，制定出最佳的套管補貼加固方案，為石油資源更好地開采打下良好的基礎。

1 套損原因分析

1.1 電化學腐蝕

石油開采時，通常會伴有一定的電化學腐蝕現象，受到這一現象的影響，使得套管逐漸出現損傷。這是因為在液體中，含有O2、CO2等成分，這些成分與套管接觸后，就會使套管電子出現運移的問題，導致套管金屬轉移，且這一反應持續存在。具體來說，電化學腐蝕主要包括3 種情況。

（1）H2S 的腐蝕。油井內H2O 的濃度非常高，且該物質一容易水，使得液體偏酸性，酸性液體則會對套管表面產生一定的腐蝕，提升套管的易脆性。以鋼材為例，套管的腐蝕原理為：陽極：Fe-2e=Fe2+；陰極：2H++2e=H2。因液體中含有一定量的HS-與S2-離子，將會進一步增加H+的釋放效率，提升H+在金屬表面的效果，使得其移動到金屬晶格中，當金屬結構內部存在缺陷時，則會促進H 原子的聚集，出現大量分子氫，大大提升了氫的體積，從而向周邊結構施加較高的應力，在該應力的作用下，即可導致套管表面出現裂縫。

（2）溶解氧腐蝕。由化學知識可知，O2存在較強的腐蝕性，即便O2濃度非常低，也會導致金屬表面出現腐蝕，尤其是鐵制品來說，溶解氧腐蝕的問題更加嚴重。隨著O2濃度的不斷增加，套管出現的腐蝕問題越來越嚴重，同時，若存在溶解氧，還會促進其他類型的腐蝕。

（3）CO2腐蝕。當CO2融入水中后，可形成H2CO3，使得液體偏酸性，從而對套管造成腐蝕，CO2濃度越高，產生等的H2CO3越多，液體酸性越強，對套管造成的腐蝕問題越嚴重。

1.2 工程因素

注水井操作時，射孔、高壓作業等工序的進行，均可能導致套管出現損傷。其中，射孔過程中，會向周邊結構產生一定的應力，在該應力的作用下，使得周邊結構出現了一定的裂縫，且隨著射孔時間的不斷增加，這些裂縫問題越來越嚴重。同時，當套管表面出現裂縫后，將會影響其承壓性能，若繼續向其施加高壓，則會導致射孔口不斷擴大，為更加嚴重的損傷問題提供了支持。

2 實體膨脹管套管補貼技術

2.1 技術原理

套管補貼加固時，實體膨脹管套管補貼技術最常見，該方法是根據套管損傷位置情況，利用機械結合液壓相配合的方式，將補貼管移動到需要補貼的位置區域，然后向補貼管內加載一定的拉力與壓力，在兩力共同作用下，使得補貼管逐漸膨脹，使其覆蓋到損壞套管的表面，提升其密封性，符合油水井開采的要求。該工藝中，膨脹是最關鍵的一個環節，這一環節進行得好壞，直接影響套損的修復效果。膨脹變形確定時，一般采用有限元法，操作較為煩瑣，應反復地進行迭代計算。為了更加了解該技術的膨脹原理，選取較為常見的金屬冷拉拔技術為研究對象予以展開深入分析。膨脹前，先在待膨脹的套管中逐漸放入相應的膨脹體系，該體系由兩部分構成，一個是心軸，用于承載彎矩，另一個為膨脹錠，用于對管道膨脹的控制。將設備啟動后，在液壓力或機械力的作用下，推動芯軸運行，使其順著套管軸的方向活動，從而逐漸推動套管的膨脹，直到達到塑性變形要求，常見工況中，實體膨脹管的膨脹量通常為自身體積的25%左右，但實際操作時，應針對管道直徑具體情況，設置出最佳的膨脹幅度。

2.2 技術特點

通過對實體膨脹管的檢測與觀察可以發現，其具有諸多方面的優勢：機械性能良好，抗內壓、外壓與抗拉應力強，特別是在抗內壓方面，與膨脹前的差異更是非常小，如表1 所示。但需要注意的是，該材料也存在一定缺陷，如膨脹性能一般，膨脹幅度只有25%左右，且膨脹力高，峰值能夠達到35MPa，因而對材料要求非常高，導致膨脹補貼加固時需要投入大量資金。

表1 膨脹管性能檢測結果表

2.3 與其他套管補貼的對比

當前，套管補貼加固方法有很多，根據補貼加固原理的不同，可將其劃分成兩種類型，一種為機械加固法，即在機械力的作用下，即利用機械力進行補貼加固，如實體膨脹管套管補貼技術等；另一種為化學加固法，主要通過化學材料對損傷的套管進行修補，如水泥漿修補法等。每種套管補貼方法具有不同的特點，可應用到不同的工況中，如表2 所示。

表2 不同套管補貼方法的對比結果

3 實體膨脹管套管補貼施工工藝

實體膨脹管套管補貼施工時，主要流程如圖1 所示。其中，管柱施工過程中，由下到上的結構依次是：膨脹器、補貼管、直徑為47mm 的小鉆桿、刮泥器、規格為φ47×φ76mm 的變徑接頭、直徑為76mm 的大鉆桿、井口。為了確保整個套損補貼加固效果，應選擇最佳的施工設備，其中，在鉆機方面，應具備較高的提升性能，能夠將膨脹管提高到適當高度處，且可有效對膨脹管置入井中，確保膨脹管在套損修補中發揮出最大的作用；在泵車方面，泵壓力要超過55MPa，排量超過400L/min。

圖1 膨脹管套管貼補施工流程圖

4 實體膨脹管套管補貼技術在套損井修復中的具體應用

為了進一步驗證該技術在套損井修復中的應用效果，本文選擇某油田作為研究對象，分別對油井與水井的具體應用進行了分析。

4.1 油井應用效果

油井選擇的是E9 號井，該井位于油田的南部區域，構造結構較高，通過對E9 號井的檢測可以發現，在水泥返高處，出現了3 個套損點，其中，一個處于返高面的上方，2 個處于返高面的下方，套損問題較為嚴重，井段較長，使得套損修復較為困難。為了在短時間內將套損修復，確保油井更好地開采，油田開采方通過對多種補貼加固方案的對比，最終選取了膨脹管套管補貼加固方案。

采用該方案對套損修復時，應注重下述幾個方面因素：（1）膨脹管的材料；（2）膨脹管單根之間連接與膨脹后的密封性與補貼管能否有效地密封套損點；（3）膨脹工具的性能；（4）膨脹工藝的流程等。針對某工程E9 號井來說，地層壓力較大，且現場水礦化度較高，因而選擇了型號為ESX-80 的補貼管，該管道具有強度較高，耐腐蝕性更好的優勢，可在油井中更長時間的使用；為了提升套管的密封性，在膨脹過程中，選擇了由Enventure 公司生產的四口連接密封技術予以處理；在膨脹工具方面，應針對管道膨脹后的具體情況，確定出最佳的膨脹錐。其中，內通徑為最關鍵的因素，通常來說，內通徑越高，油液流過的表面積越高，對油液產生的阻力越低，因而實際應用效果越好。在符合規定要求的基礎上，確定出相對較高的內通徑，本項目選擇的是固定膨脹錐，其最高可以膨脹到108mm；在修井方面，選擇的是油管柱，相對鉆井用鉆柱，該工具重量更輕一些；在膨脹工藝方面，若選擇由上至下的操作方案，會導致補貼效果較差，很難符合預期規定要求，因而本項目施工時，在傳統膨脹工藝的基礎上，增加了液壓與機械驅動方式，以進一步提升套損修復效果。

通過該方案對套損部位修復后，顯著改善了油液的開采質量與效率。在同等情況下，剛剛修復后，產液量達到了43.1m3/d，其中，原油量為30.2t/d，含水率高達30%；而在修復后，產液量共計52.1m3/d，原油量是45.0m3/d，含水量降低到了13.3%左右，大大提升了原油的開采質量與效率。同時，通過該方案處理后，連續對油井開采了200 余天，總產油量達到了2985.7t，且套管依然未出現問題，可繼續對原油進行開采。由此表明，膨脹管套管補貼加固技術應用效果良好，可在油田套損修復中廣泛應用。

4.2 水井應用效果

水井應用效果分析時，選擇了E15 號井，該油井處于油田的北部區域。該油井開采時發現，油液中含水量非常高，導致油液品質明顯下降，嚴重影響油液的使用，因而該油井已停止繼續開采。通過對E15 號井全面檢測后可以發現，井下套管出現了兩處嚴重的漏失問題，一處在228.21 ～228.99m 井段中，另一處在247.00 ～267.00 井段中。為了使該油井繼續開采，開采單位通過多種修復方案的對比后，進而選擇了膨脹管套管補貼加固技術。

其中，對于228.21 ～228.99m 井段來說，總長度是0.78m，套管的尺寸是139.7×7.72mm，最低深度是228.21m；對其進行補貼修復時，井段的范圍是223.7～232.82m，膨脹處理后，膨脹管的范圍是224.1 ～232.82m。在膨脹管方面，選擇的是直徑為108mm 的管材，管壁的厚度是7mm，整個管道的長度是9.13m。在管道的兩端，分別固定一個橡膠塊，用于對管道的保護，其中，下方安裝了一個可膨脹螺紋，用于與啟動器的連接，在啟動器的控制下，逐漸推動管道的膨脹；在超過213.30m 的井段部分，套管的規格，一種為φ139.7×9.17mm，另一種為φ139×7.72mm，因而在修復段的上方，套管可能出現變徑的問題，不利于膨脹工具導入。所以，在正式施工時，對該技術方案進行了優化，確保膨脹管能夠有效地置入，為后續施工做好準備。閉合封井器，對套管進行試壓實驗，通過實驗發現，管內壓力穩定在10MPa，且5min 內未出現明顯波動，表明該修復方案取得了良好的應用效果。

對于E15 號井來說，是該油田北部區域較為重要的注水井，在井中相對較低的位置處，從中間開始，逐漸向兩側注水，以此對周邊油井開采工作的開展提供支持。確保E15 號井能夠正常注水，對整個油田的開采非常關鍵。通過對周邊油井開采情況的觀察與分析可以發現，修復后的油井呈現出“一升、一降、一穩”的良好開發趨勢；動液面明顯上升，油液的含水率大幅度降低，且油液開采量非常穩定。剛剛修復后，產液總量為332.7m3/d，其中，采油量為14.9t/d，截至當前，已經連續開采了164d，總注水量為32836m3，總采油量為2792.5t，且套管依然未出現問題，可繼續對原油進行開采。由此表明，若油水井內通徑存在差異時，可通過膨脹管套管補貼加固技術予以修復，具有良好的修復效果。

5 結語

綜上所述，本文對膨脹管套管補貼加固技術進行了介紹，相對其他套管補貼加固方法，該技術具有所需成本相對較少，操作較為簡單，適用于所有套損問題的修復等優勢，因而可將該技術應用到油井套損修復中。同時，通過本研究可以發現，不論是油井的修復，還是水井的修復，均可發揮出較大的作用，有利于整個油田更好地開采。