薄壁大通径膨胀管技术及其现场应用.pdf

天 然 气 勘 探 与 开 发 NATURAL GAS EXPLORATION AND DEVELOPMENT 92 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期薄壁大通径膨胀管技术及其现场应用刘雨薇任勇强张 伟耿 聪中国石油渤海钻探工程有限公司井下作业分公司 摘要随着以射孔段封堵、套管漏失修复、井筒腐蚀穿孔封堵为代表的老井井筒修复工作日益增多，传统膨胀管补贴技术所存在的作业效率低、补贴后有效通径小，以及补贴后常规完井工具难以下入、难以在补贴段以下进行二次补贴等一系列弊端日益凸显。为此，研发了一种薄壁大通径不锈钢膨胀管技术，并对该类膨胀管技术的相关装置结构、工作原理、施工工艺及配套技术进行了详细阐述。现场应用表明：该类薄壁大通径不锈钢膨胀管补贴技术具有施工压力低、补贴效率高、工具性能可靠、操作简单等优点，有效解决了常规膨胀管不耐腐蚀、易生锈的缺点。原内径为 124.26 mm 的套管经传统方式补贴后通径为 108 mm 左右，经薄壁大通径不锈钢膨胀管补贴后通径可达 116 mm、抗内压能力与经传统方式补贴后持平，有效满足了常规井下工具的后续下入需求，实现了真正意义上的套管大通径补贴修复。该项技术补充完善了膨胀管补贴工艺技术体系，为老井二次开发提供了新的大通径井筒修复手段。关键字射孔段封堵腐蚀封堵老井二次开发套管补贴薄壁大通径DOI：10.12055/gaskk.issn.1673-3177.2023.03.011Thin-wall and large-diameter expandable tubular technology and its applicationLIU Yuwei,REN Yongqiang,ZHANG Wei,and GENG Cong(Downhole Services Company,CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited,Renqiu 062552,Hebei,China)Abstract:With the increasing wellbore repair in old wells,such as plugging perforated intervals,repair of casing leakage,and block-age of wellbore corrosion and perforation,classical expandable tubular technologies have emerged many drawbacks,for example low patching efficiency,small diameter with effect after patching,and inconvenience in not only running general completion tools after patching but secondary patching at the original patch.So,with thin wall,large diameter and stainless steel,a new expandable tubular technology was developed.In addition,its structural configuration,principle,process and supporting tools were analyzed in detail.Field applications show that(i)this expandable tubular patching technology is advantageous for low operation pressure,high patching efficiency,reliable performance,and easy operation,which may solve such problems as poor corrosion resistance and rust in tradition-al expandable tubular;and(ii)the casing with the internal diameter 124.26 mm becomes approximately 108 mm through traditional ways,but achieving 116 mm via this expandable tubular patching with thin wall and large diameter,and its resistance to internal pressure equivalent to that of traditional technologies.This performance allows for subsequent running of conventional downhole tools and realizes the restoration by large-diameter casing patching.This technology perfects the expandable tubular patching system and provides a novel option for large-diameter wellbore repair in the secondary development of old wells.Key words:Plugging perforated interval,Corrosion blockage;Secondary development of old well;Casing patching;Thin-wall and large-diameter作者简介：刘雨薇，女，1990 年生，工程师，硕士；现主要从事油气田开发工作。地址：（062552）河北省任丘市渤海钻探井下作业分公司。E-mail：刘雨薇等：薄壁大通径膨胀管技术及其现场应用 93 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期0引言随着国内东部老油田进入开发中后期，老井的二次开发及利用成为增油上产的关键点之一，随之而来的井筒修复工作也逐年增多。目前常用的治套技术主要有套管整形、套损井打通道、取换套管、跨隔封隔、挤水泥浆封堵、悬挂小套管、套管补贴等1-9。其中套管补贴是最为经济和有效的手段之一，因其治理后通径仅缩小两个膨胀管壁厚、可有效减小普通套损加固方式造成的途径损失，同时能有效加固套损段，而得到广泛应用10-16。然而，随着以射孔段封堵、井筒腐蚀段封堵为代表的老井井筒修复工作日益增多，传统膨胀管补贴技术暴露出的补贴尾堵钻磨难度大、施工时间长、补贴后有效通径小（内径 124.26 mm 套管补贴后在 108 mm 左右）、遇卡时需多道工序反复切割磨铣、难以在补贴段以下二次补贴等问题17-21，影响了膨胀管修井技术在现场的推广应用。为此，开展了补贴后通径为 114 mm 以上的薄壁大通径膨胀管工艺技术研究，将胀锥外置，利用其下部的液缸作为动力推动，外置于膨胀管本体之外的膨胀锥胀管，进而实现修井补贴，达到进一步减薄膨胀管管体，充分利用待补贴段井眼内径、最大程度上加大膨胀锥尺寸，实现补贴后补贴段通径最大化的目的。通过配套研制专用工具，优化工艺施工参数，实现了对井筒的大通径高效修复，为老井的二次开发利用提供了新的大通径井筒修复思路和技术手段。1薄壁大通径膨胀管装置及原理1.1薄壁大通径膨胀管装置结构薄壁大通径膨胀管装置的结构自下而上主要包括泄压开关、外置液压缸、外置膨胀锥、下中心管、安全接头、上中心管、锁紧器、锚定器组、提升短接、接箍，膨胀锥往上、锁紧器以下的中心管和锁紧器之外套有未膨胀的膨胀管管体，未膨胀的膨胀管管体外的特定位置带有多道橡胶或软金属悬挂密封圈（图 1）。图 1薄壁大通径膨胀管装置的基本结构示意图与原有的内置胀锥型膨胀管相比，本薄壁大通径膨胀管补贴装置采用了外置膨胀锥结构设计，取消了常规膨胀管补贴所需的胀锥发射腔和底堵部分，膨胀管管体直接坐在膨胀锥锥面上，而依靠膨胀锥底部的液缸推动胀锥上行胀开膨胀管。该项设计可以充分利用待补贴段井眼内径、最大程度上加大膨胀锥尺寸，实现补贴后补贴段通径最大化。1.2薄壁大通径膨胀管的工作原理将预制好悬挂密封圈的膨胀管通过中心管连接，坐于多级液压缸上的膨胀锥锥面上，采用单向锁紧器将膨胀管固定于膨胀锥和中心连接管之间（图2）。该类薄壁大通径膨胀管的整个胀管补贴过程可大致为对挤胀管和锚定胀管两步过程，分别如下：（1）对挤胀管：由井口经伴送管柱内向多级液缸内打入高压液体，利用打压时多级液压缸中心杆产生的回缩力带动膨胀锥和多级液压缸上行，对膨胀管产生向上的挤压力。因单向锁紧器固定于膨胀管上端口，与中心连接管产生向下的锁紧作用，限制膨胀管不能上移，在膨胀锥和锁紧器之间，对膨胀管形成对挤作用。随着注入液体压力不断升高，液缸对膨胀锥的上推力加大，因膨胀锥锥面对膨胀管本体的扩张作用，促使膨胀锥将膨胀管本体胀开，并紧贴于套管内壁上。当液压缸带动膨胀锥上行一个行程后，停泵泄压，单向锁紧器解锁；继续上提液压中心杆至一个行程长度，进行二次打压胀管，完成第二阶段补贴作业；如此反复多次，直至多级液压缸中心杆不能再被提出一个完整行程为止。（2）锚定胀管：当多级液压缸中心杆不能完全拉出时，地面正转油管 15 20 圈，单向锁紧器与膨胀管本体倒扣松开，继续上提管柱将多级液压缸刘雨薇等：薄壁大通径膨胀管技术及其现场应用 94 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期中心杆再次拉出一个完整行程；继续打压胀管，因单向锁紧器上端连接有锚定器，打压的同时，锚定器锚爪伸开并锚定于套管内壁上，对中心连接管具有悬挂作用，使中心连接管不能下移，又因下部膨胀管经多次膨胀已完全贴合并固定于套管内壁上，膨胀管本体无法上移，多级液压缸带动膨胀锥完成全部膨胀管胀管过程。1.3核心技术组件针对井下薄壁大通径膨胀管补贴作业的技术需求，设计开发和优选了高强高塑不锈钢无缝钢管、多级液压缸、锁紧器、安全接头等核心技术组件，可以满足薄壁大通径膨胀管补贴前后对井筒处理和试压的技术需求。1.3.1高强高塑不锈钢无缝钢管要满足薄壁（壁厚约 4 mm）、大通径（补贴后通径比原套管内径减少要小于等于 8 mm）膨胀管补贴的技术需求，同时为了兼顾补贴后耐内压、外挤以及长效耐腐蚀等技术需求，膨胀管材料应同时兼具高强度、高塑性、高加工硬化性能以及良好的耐腐蚀性能。在此基础上，优选了上海管力卜石油设备有限公司生产的不锈钢材料 ZP05 作为补贴管的管体材料。ZP05 不锈钢膨胀管材料具有抗拉强度高（其经8%膨胀，膨胀前后均接近 1 GPa）、屈强比（屈服强度与抗拉强度的比值）低（膨胀前 0.38、膨胀后0.58）、延伸性能好（膨胀前后均在 40%以上）等诸多特点，表现出了良好的强塑性和加工硬化性能，可作为薄壁大通径膨胀管管体优选材料。1.3.2多级液压缸多级液压缸是将 3 个液压缸有序的串联组合在一起的组合式结构，其内部安放有液缸中心管、液缸中心管的下端配置有活塞，并在每级液缸的底端增加了自动泄压装置（图 3）。多级液压缸为整个薄壁大通径膨胀管系统的动力源，通过液缸中心管注入的高压液体，可对活塞产生巨大的推力，推动与多级液缸连接在一起的膨胀锥上行并胀开膨胀管。自动泄压装置，用于当液压缸完成一个行程推进胀管后使液压缸自动泄压，此时井口可以观察到反水（井筒液面在井口的状态下），便于地面观察液压缸及膨胀锥胀管情况，确保再次胀管推进的可靠性。图 2外置膨胀锥型实体膨胀管技术的补贴工艺流程图(a)膨胀管定位(b)对挤胀管(c)锚定胀管图 3多级液压缸整体结构示意图1.3.3锁紧器锁紧器是位于膨胀管上端的一个关键部件（图4），其通过专用螺纹与膨胀管相连接、锁紧于膨胀管上端的中心连接管上，该锁紧器同时具备单向锁刘雨薇等：薄壁大通径膨胀管技术及其现场应用 95 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期紧与倒扣功能。当地面打压时，液缸中心杆下拉、液缸缸体上行推动膨胀锥上移逐步胀开膨胀管管体，此时锁紧器单向与中心管锁紧、挡住膨胀管管体上移，从而实现在膨胀锥与锁紧器之间的上下对挤膨胀补贴施工。图 4锁紧器结构示意图1.3.4安全接头安全接头为一种投球式液压倒扣两用结构，其内部配置有上下平衡活塞（图 5），可以实现在不投球情况下上下液压力平衡、不会导致因压差造成丢手。当胀管过程中发生卡胀事故时（概率极低），为避免液压缸及膨胀锥不能与上部管串分离，可以采取在地面向伴送管柱内投入钢球，使下部平衡活塞不起作用，此时采用较低的泵压即可将销钉剪断、完成工具丢手。此外，其打捞头（图 6）设计了专用的反扣螺纹，还可以实现机械倒扣丢手施工，从而大大提高了工具遇卡丢手的成功率。2薄壁大通径膨胀管施工工艺流程及技术特点2.1薄壁大通径膨胀管的施工工艺在常规膨胀管补贴技术施工工艺的基础上，完善了薄壁大通径膨胀管补贴施工工艺：（1）确定膨胀管长度及待补贴井段的上下端位置后，若井筒破损或封堵段无缩径或变形，先用与补贴段等长的通井规通井，至补贴段以下为止，后下入定径刮洗器在补贴段上下各5 m井段反复刮洗；若补贴段存在缩径或变形，则需先钻铣或整形至原井筒通径以上，后再下入定径刮洗器反复刮洗相应井段。（2）在井口分别连接组配及下入该薄壁大通径膨胀管补贴装置。（3）采用外加厚油管将整个膨胀管组合装置准确下至设定的膨胀管补贴下端口位置，保持原悬重不动，将油管和井筒灌满清水，使管柱内外压力平衡。（4）启动泵车注入高压流体，当泵压稳定在某一数值和井口连续少量返水后，说明液压缸已完成第一个胀管行程。泄压归零，按设定高度（一个液压缸带动膨胀锥上行行程）上提管柱；后继续开泵打压，待泵压稳定且井口再次连续少量返水后，液压缸完成第二胀管行程，再次停泵泄压，按设定高度（一个液压缸带动膨胀锥上行行程）上提管柱；继续多次打压返水停泵泄压上提管柱流程，直至上提管柱遇阻、多级液压缸中心杆不能再被提出一个完整行程，完成对挤胀管作业阶段。（5）正向旋转油管管柱使单向锁紧器与膨胀管本体倒扣松开，按设定高度（一个液压缸带动膨胀锥上行行程的剩余距离）上提管柱后，继续打压返水停泵泄压上提管柱流程，直至井口突然大量返水，上提管柱超过设定高度，说明已完成膨胀管全部胀管过程。（6）将井内液压缸胀管系统和油管管柱提出井筒。（7）若部分射孔段未封闭，下封隔器对补贴段关井试压；若射孔段已全部封闭，则全井筒试压。（8）通井验证通过性。图 5安全接头示意图刘雨薇等：薄壁大通径膨胀管技术及其现场应用 96 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期2.2 技术特点该技术具有以下技术特点：通径大、上下通径一致。对于内径为124.26 mm、121.36 mm 的基础套管，施工后补贴段的通径分别在 116 mm、114 mm 以上，且没有传统膨胀管补贴后存在的原胀锥腔的细脖子，实现了真正意义上的大通径。施工压力低、与补贴段的井深无关：正常施工压力 12 18 MPa，最大施工压力 25 MPa；胀管时上部管柱保持不动，管柱悬重对施工压力无影响。一趟管柱下井即能完成全部胀管补贴；因没有下封头装置，无须钻铣或打捞工序。（4）设有安全接头，卡胀时液压缸及胀头与上部管柱可以分离，并能脱离膨胀管，对于处理膨胀管和打捞落井液压缸的工序，相对简单可靠。（5）首次大通径膨胀管补贴后，可进行下部套管损坏井段的二次膨胀管补贴，弥补了传统膨胀管图 6华北油田某井薄壁大通径膨胀管补贴前的井身结构图首次补贴后不能进行再次补贴的缺陷。（6）抗内压能力与经传统方式补贴后持平。3现场应用在前期研究的基础上，薄壁大通径膨胀管技术在华北油田多口井中进行了现场应用。下面以华北油田某井为例对现场应用情况进行介绍和分析。华北油田某井完钻井深1 170 m，最大井斜2.44 ，最大井斜深度 1 042.31 m，人工井底 930.55 m。油层套管为 J55 钢级管材，壁厚 9.65 mm。依据建设方对于该井第一试油层复试（井段 1 068.0 1 080.0 m）、第四试油层（井段 916.4 941.8 m）试油作业的需要，须对本井的原第三试油层（井段 828.2 907.8 m）实施套管补贴封堵射孔段作业（图 6）。3.1补贴方案对该井 17 号层段（井段 904.0 907.8 m，层厚3.8 m）和10号层段（井段828.2830.4 m，层厚2.2 m）均采用长度为 9 m、外径 114 mm、壁厚 4 mm、胀头直径116 mm的膨胀管实施大通径补贴封层作业。3.2施工步骤两段膨胀管补贴作业的流程相同，具体施工如下：（1）连接地面管线及泵注设备，校核指重表和泵车压力表；上提管柱至方入记号处，保持大钩悬停状态，并记录悬重。（2）启动泵车，按照施工设计要求打压胀管直至膨胀管完成第一阶段坐封胀管，作好记录。（3）停泵，卸压为 0 MPa 后，停等 2 3 min，待锚定器牙爪回收后；上提管柱至原位，管柱上行大约一个液压缸中心杆行程后，管柱不动，表明膨胀管柱已坐封在套管上，做好第一个胀管行程记号。（4）确认膨胀管已坐封在套管上后，重新启动泵车，重复上述步骤 2、3 操作，直至完成施工设计规定的多阶段对挤胀管打压胀管过程。（5）加提油管 2 3 t、井口正向旋转油管25 30 圈，将锁紧器与膨胀管反扣倒开；加提3 5 t，提出一个液压缸中心杆行程的高度后，做好记号；继续按照步骤 2、3，完成后续的锚定胀管过程，当井口突然大量返液、压力速降，说明液压缸胀头脱离膨胀管，胀管结束。（6）下放原管柱，小心触探膨胀管深度，当补贴段上界与施工设计深度差别不超过 0.5 m 时，刘雨薇等：薄壁大通径膨胀管技术及其现场应用 97 2023 年 9 月 第 46 卷 第 3 期说明膨胀管已成功补贴到井筒设定层段。（7）将井内管柱及胀管工具提出井筒。（8）按施工设计要求，采用投送管柱下入螺杆钻携带菱形铣鞋下至膨胀管上端口处至遇阻，上提0.5 m，开泵循环并缓慢下放管柱，至再次遇阻处循环磨铣胀管上端口，进尺 20 50 mm，起钻。重复以上“套管补贴”步骤 1 至 8，完成第二射孔段（井段 828.2 830.4 m）补贴。3.3补贴效果评价两段膨胀管补贴作业完成后，在井内下入114 mm 通井规通井，两个补贴段均无明显遇阻现象，采用 K344 封隔器自上而下逐段验证补贴效果，验封压力 15 MPa，经 30 min 压力不降，验封合格（图 7）。通径膨胀管补贴系统具有施工压力低、补贴效率高、工具性能可靠、操作简单等特点。4结论1）针对传统膨胀管补贴技术所存在的作业效率低、补贴后有效通径小、遇卡时需多道工序反复切割磨铣，以及补贴后常规完井工具难以下入、难以在补贴段以下进行二次补贴等不足，研发了一种新型薄壁大通径不锈钢膨胀管装置，并形成了完善的膨胀管补贴工艺技术；2）该类薄壁大通径不锈钢膨胀管补贴技术具有施工压力低、补贴效率高、工具性能可靠、操作简单等特点，有效解决了常规膨胀管不耐腐蚀、易生锈的缺点,同时该类薄壁大通径不锈钢膨胀管还可获得最大通径、实现了真正意义上的套管大通径补贴修复；3）该类膨胀管补贴技术的成功应用，为老井射孔段封堵、套管漏失修复、井筒腐蚀穿孔封堵提供了技术支撑，补充完整膨胀管补贴工艺体系，对油田中后期老井井筒的经济高效修复具有重要的现实意义；4）因补贴所用膨胀管管壁较薄（4 mm）、材料抗剪切和抗扭性能相对不足，难以满足套管错断井补贴作业的需求，同时当前技术也无法满足单段12 m 以上长段射孔或者破损井段的补贴需求，这将是未来需要优化改进的地方。参考文献 1 曾立桂.液压扩径整形技术在套管变形井杜 813-42-63 中的应用 J.特种油气藏,2011,18(6):120-122.ZENG Ligui.Application of casing reshaping by hydraulic reaming technique to casing deformation well Du813-42-63J.Special Oil&Gas Reservoirs,2011,18(6):120-122.2 祁晓峰.开窗侧钻水平井技术在大庆油田套损井上的应用D.北京:中国地质大学(北京),2009.QI Xiaofeng.Technology of opening window and side drilling in horizontal well application at casing damage well of Daqing oil-fieldD.Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2009.3 金岩松,刘合.几种高难套损井的套损形态及修井工艺 J.大庆石油地质与开发,2004,23(1):46-47.JIN 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