異徑管膨脹補接工具研發與現場應用

杜聰，劉寶振，石義，席武軍，劉文慶，鄒明，趙廣

中國石油西部鉆探井下作業公司（新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

新疆油田已經走過68年的開發歷程，受地質構造、壓裂、固井、注采工藝、腐蝕、地層出砂等綜合因素影響，近些年呈現出套損井逐年增多、套損部位日趨復雜的現象[1-3]。

截至2020年底，新疆油田共有油氣水井41 657口（油井34 966 口，注水（汽）井6 428 口，氣井263口），其中套損套變井1 285 口，每年新增約150 口。針對套損井數量不斷增多的問題，在常規膨脹管技術的基礎上，分析變徑位置套損井治理難點，研發并試驗了一種異徑套管補接工具。

1 常見套損井治理方案

套損井治理一直是油田增產穩產的重要手段之一，如不進行相應治理很多井會帶病生產，最終導致油氣井限產、停產甚至報廢，不僅影響油田產量，無形中也提高了開發成本。通常采用套磨銑、擠注、脹修套、取換套等方式進行套損井治理，這些方法的工藝特性見表1。

表1 常見套損井治理工藝對比

傳統的套磨銑、脹修套、擠注超細水泥、取換套、實體膨脹管等技術，修復后存在井眼通徑縮小、承壓能力低、懸掛能力差等缺陷，具有較大的局限性[4-6]。同時，根據統計傳統修復方式成功率不足40%，針對變徑位置的修復成功率會更低[7-8]。為了解決套管在變徑位置修復難度大、成功率低的難題，同時考慮后續壓裂及生產需求，采用膨脹管補貼技術對異徑套損井筒進行修補。

2 工具設計方案

2.1 膨脹管補貼技術工作原理

膨脹管補貼技術的工作原理是將膨脹管及配套工具下至套管待補貼部位，通過地面加壓或機械拉伸的方式使脹頭在壓力或拉力作用下沿膨脹管中心線軸向運動，利用膨脹管的金屬塑性變形特性，使特殊材料制成的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[9-10]。

2.2 雙次膨脹補貼

異徑井筒上部套管尺寸較大，下部套管受尾管懸掛器等工具結構限制尺寸較小，存在一個明顯的臺階。膨脹管技術只能對單一內徑套管進行補貼，需要進行多次補貼作業完成異徑套管修復，主要工藝過程如圖1所示。

圖1 膨脹管補貼效果圖

井筒清理完畢后，在套管斷脫位置上部下入補貼管完成上部套管補貼，將錯段位置進行填充，使上下部套管內徑一致，為二次補貼提供條件。第二根膨脹管針對上下部套管和斷脫段同時進行補貼，通過外部硬化橡膠密封環保證井筒承壓能力，完成異徑套損井筒的補貼工作。

近年來雖然膨脹管技術的應用越來越成熟，但該方案對膨脹管的質量和施工精度要求極高，某一點的誤差都可能導致整個補貼作業的失敗。此外，對于錯段位置上下套管不居中以及上下套管內徑相差較大等情況，該方案也不適用。

2.3 異徑管膨脹補接工具

鑒于雙次膨脹補貼方案使用條件受限，擬設計一種異徑井筒專用補貼工具，該工具通過一次補貼即可完成異徑井筒的修復。

為解決套管變徑位置內徑不相同問題，工具應同時具備補貼兩種不同尺寸套管能力，擬采用2 個大小不一的膨脹錐來完成對應套管補貼。通過研究設計出如圖2所示的異徑管膨脹補接工具。

圖2 異徑管膨脹補接工具結構圖

該工具主要由2 個尺寸不一的膨脹錐、直徑依次增大的小膨脹管、過渡管和大膨脹管3 段管體組成，整個工作過程可分為3個階段。

第一階段，小直徑補貼管膨脹補貼。通過地面打壓，當發射室內壓力達到工作壓力后液壓推動小直徑膨脹錐上行實現補貼。大直徑膨脹錐內置在（大直徑）膨脹補貼管內與中心管存在間隙，受膨脹管尺寸限制保持不動。

第二階段，過渡連接管部分。過渡連接管兩端與兩種不同尺寸的膨脹補貼管相連接，過渡連接管內徑大于小直徑膨脹錐，當小直徑膨脹錐進入過渡連接管內，高壓液柱壓力突降。通過上提管柱帶動小直徑膨脹錐繼續上行，泵壓開始上升表示小直徑膨脹錐嵌入到大直徑膨脹錐下部大膠塞內。

第三階段，大直徑尺寸膨脹管補貼。此時，通過打壓和上提管柱使大小膨脹錐同時上行，實現上部套管的補貼。

3 工具室內實驗

為驗證異徑管膨脹補接工具的合理性，以不銹鋼為材料加工了工具的縮小模型，在室內靜水環境下進行了相應的室內實驗。實驗膨脹管總長1.8 m，小膨脹管長0.5 m，大膨脹管長1.0 m。

使用105 MPa高壓泵對置于實驗臺上的工具進行打壓。在1.4～2.1 MPa間穩壓10 min進行低壓試壓，工具密封良好，沒有泄漏。隨后，啟動高壓泵緩慢提升泵壓，小膨脹管在壓力達到26.5 MPa 時啟動膨脹，保持泵壓在啟動壓力附近完成小膨脹管的膨脹，大膨脹管在壓力達到30 MPa時啟動膨脹。膨脹完成后繼續進行打壓，分別在40 MPa 和60 MPa 進行工具承壓試驗，穩壓15 min 工具無滲漏，繼續打壓管體在80 MPa時發生爆裂，破裂情況及試壓曲線如圖3和圖4所示。

圖3 膨脹管地面實驗

圖4 膨脹管試壓曲線

室內實驗表明所設計異徑管膨脹補接工具工作結構合理，可用于現場異徑套管補接，并且在補貼完成后具有良好的承壓能力。

4 現場施工

4.1 現場基本情況

新疆油田金龍X井在壓裂作業過程中發生了套管損壞，使用四十臂測井儀得到井周360°二維平面成像圖，如圖5 和圖6 所示，可以明顯看出套管在4 085.8 m 處內徑急劇變大。結合表2的套管數據，發現4 085.5～4 086.3 m 位置為139.7 mm 油層套管與114.3 mm 油層套管懸掛器位置。判斷套管變徑位置發生斷脫，斷開后因上部套管收縮，下部套管壓縮形成斷距約0.9 m，裸露出技術套管。

圖5 金龍X井4 080～4 100 m多臂井徑測井解釋成果圖

圖6 金龍X井套管變徑位置三維立體圖

表2 金龍X井套管數據

根據套管和斷口實際情況，加工異徑管膨脹補接工具全長9.7 m，具體如表3和圖7所示。

圖7 入井異徑管膨脹補接工具

表3 異徑管膨脹補接工具參數mm

4.2 施工流程

井筒清理完畢后通過鉆具將異徑管膨脹補接工具下到預定位置，當鉆具懸重下降時表示到達套管錯斷位置。上提下放鉆具，使鉆具在錯段位置產生2～3 t壓實力。

準備工作完成后開泵打壓：以5、10、15、20、30 MPa 為梯度緩慢升壓，根據異徑管膨脹補接工具工作狀態調整施工工藝。從圖8 可以清晰看出，整個施工過程的泵壓出現兩次峰值。隨著泵壓從0開始緩慢提升，當壓力達到30 MPa 時小膨脹管啟動工作，此時鉆具懸重隨著補貼過程略有下降。小膨脹管膨脹完成后壓力驟降到1 MPa 左右，通過上提鉆具將小膨脹錐提出過渡段并與大膨脹錐結合。通過上提鉆具和緩慢增壓進行大膨脹補貼，整個過程最大懸重為74 t，最高泵壓為20 MPa，膨脹完成后懸重降至原懸重60 t，泵壓迅速回0。

4.3 效果評價

異徑管膨脹補接工具補貼完成后對全井筒試壓70 MPa，穩壓30 min，壓降0.3 MPa，試壓合格。經現場驗證，該工具補貼后井筒內徑為原通徑的89.5%，能夠滿足異徑套損井筒的修復需求，且套管修復后具有較高的密封能力和承壓能力。

5 結束語

隨著油氣田開發的不斷推進，套管損壞的現象無法避免，目前套損井治理難度大，施工復雜，很多井帶病生產甚至提前報廢，只有找到合理的治理措施才能將損失降到最低程度。

通過對異徑管膨脹補接工具的研究和現場應用表明，該工具能夠滿足異徑井筒的修補工作。該工具通過一次施工完成復雜井筒修復工作，同時相比其他修補方式擁有良好的密封性能和承壓性能，具有良好的經濟價值和社會效益。