遼河油田高效液壓套管整形工具的研制與應(yīng)用

張洪寶

(1.中國(guó)石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010；2.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

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遼河油田高效液壓套管整形工具的研制與應(yīng)用

張洪寶1,2

(1.中國(guó)石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010；2.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

針對(duì)遼河油田變形套管整形修復(fù)率低、施工周期長(zhǎng)及成本高的問題，根據(jù)液力增壓和滾珠擠壓整形原理，研制了高效液壓套管整形工具。該整形工具由整形頭、增壓液缸、泄壓裝置和液壓錨定裝置構(gòu)成。室內(nèi)試驗(yàn)表明：液壓套管整形工具的整形效率高，與常規(guī)整形工具相比，整形效率提高約40%，且對(duì)套管損傷小，能盡可能恢復(fù)套管內(nèi)徑。該整形工具在遼河油田13口套損井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，順利完成了12口井的套管修復(fù)，成功率92.3%。研究與應(yīng)用表明，液壓套管整形工具適用于套管縮徑井的修復(fù)作業(yè)，能基本滿足遼河油田套損井套管整形的需要。

套管損壞；套管整形；杜80-30-58井；遼河油田

目前,遼河油田共有停產(chǎn)井近2 800 口，并且以平均每年10%的比例上升。其中因套管損壞而停產(chǎn)的井約占35%，現(xiàn)有套損井1 000 多口，每年還會(huì)增加200多口新套損井。截至2015年底，僅修復(fù)套損井306口，大部分套損井亟待修復(fù)。遼河油田套損類型以套管變形為主，占總套損井的80%[1]。遼河油田現(xiàn)有的套損井套管整形技術(shù)主要有機(jī)械整形和爆炸整形兩類，且均存在缺陷：機(jī)械整形中梨形器擴(kuò)脹技術(shù)、套管磨銑技術(shù)和偏心輥?zhàn)诱渭夹g(shù)等普遍存在著損傷套管、犧牲套管厚度、難以恢復(fù)原通徑等問題；爆炸整形技術(shù)的用藥量很難把握，變形處的套管壁厚不均，由于爆炸沒有方向性不可避免會(huì)對(duì)套管造成破壞。原來(lái)的套管整形技術(shù)修復(fù)成功率低、施工周期長(zhǎng)、成本高，遠(yuǎn)不能滿足遼河油田套損井套管整形修復(fù)的需要。為此，針對(duì)遼河油田套損井的實(shí)際情況，根據(jù)液力增壓和滾珠擠壓整形原理[2-5]，研制了整形效率高、對(duì)套管損傷小、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠的液壓套管整形工具，并對(duì)13 口套損井進(jìn)行了套管修復(fù)，成功率92.3%，提高了遼河油田套損井的修復(fù)效率及效果。

1 液壓套管整形工具的結(jié)構(gòu)與工作原理

液壓套管整形工具的研制思路是將壓井液的液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，推動(dòng)滾珠克服套管和巖石的變形應(yīng)力和擠壓力，使套管向外擴(kuò)展產(chǎn)生膨脹，迫使地應(yīng)力在局部范圍內(nèi)重新分布，達(dá)到整形的目的。

1.1 結(jié)構(gòu)

液壓套管整形工具由整形頭、增壓液缸(三級(jí))、錨定裝置和泄壓裝置構(gòu)成，如圖1所示。

整形頭是圓錐形結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有球槽，球槽是帶有坡度的燕尾槽，大小2種數(shù)十個(gè)整形球卡在球槽內(nèi)，并用穩(wěn)釘限位，整形球在整形槽內(nèi)可以上下自由移動(dòng)，如圖2所示。工作時(shí)整形器在液壓作用下向下運(yùn)動(dòng)，整形球上移至球槽最上端，此時(shí)整形頭最大外徑158.0 mm；一個(gè)整形周期結(jié)束后，泄壓上提管柱，整形球下移至球槽最下端，此時(shí)整形頭最大外徑150.0 mm；整形完畢后整形頭外徑回縮8.0 mm，能夠有效防止卡管柱事故的發(fā)生，同時(shí)將管柱之間的面摩擦轉(zhuǎn)變成滾動(dòng)摩擦，大大減小了上提管柱時(shí)的摩擦阻力[6-7]。

圖1 液壓套管整形工具的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the hydraulic casing restoration tool

圖2 整形頭的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 The basic structure of the shaping head

增壓液缸為直線式結(jié)構(gòu)，工作時(shí)從工具上部加壓，使下部的球閥坐到閥座上密封本體腔，同時(shí)流體從中心管液流孔流出，推動(dòng)中心管接頭帶動(dòng)整個(gè)工具向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速有效地為下部工具增加液壓動(dòng)力的目的。在25 MPa壓差作用下，單級(jí)液缸可產(chǎn)生200 kN的上推力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，可以任意組裝3～6級(jí)，上推力可達(dá)到600～1 200 kN。

泄壓裝置主要由內(nèi)、外2個(gè)中心管組成，其上設(shè)有液流孔。正常工作時(shí)，下壓管柱將內(nèi)、外中心管上的液流孔錯(cuò)開，泄壓裝置本體腔成密閉環(huán)境；一個(gè)整形周期完成后需要泄壓時(shí)，上提管柱，將內(nèi)、外中心管上的液流孔對(duì)齊，泄壓裝置本體腔內(nèi)的流體經(jīng)泄壓孔流到管柱外，實(shí)現(xiàn)安全泄壓。

1.2 工作原理

工作時(shí)，首先用管柱將整形工具下至井下套管變形部位，加壓推出錨定裝置的錨爪，將整形工具錨定在套管內(nèi)壁上，阻止上部鉆具下移，實(shí)現(xiàn)對(duì)錨定裝置上部管柱和修井設(shè)備的有效保護(hù)。繼續(xù)加壓，推動(dòng)整形工具向下移動(dòng)，整形頭上的整形球滾動(dòng)擠壓套損部位，使套管直徑逐漸恢復(fù)。套管變形的恢復(fù)是逐級(jí)進(jìn)行的，首先整形頭下部的小直徑整形球先接觸套管變形部位，對(duì)其滾壓，隨著整形工具的下移，整形球沿楔形球槽上移，整形工具的直徑隨之變大，逐步修復(fù)變形套管；小直徑整形球通過(guò)套管變形部位后，整形頭上部的大直徑整形球開始滾壓套管變形部位，隨著整形工具的繼續(xù)下移，大直徑整形球沿楔形球槽上移，工具直徑隨之變大，進(jìn)一步修復(fù)變形套管，直至大直徑整形球通過(guò)套管變形部位，套管直徑恢復(fù)到預(yù)先設(shè)計(jì)的尺寸，完成套管修復(fù)。整形過(guò)程中，通過(guò)增壓液缸增大整形頭向下的擠壓力，提高了工作效率。整形結(jié)束后通過(guò)泄壓裝置卸掉管柱內(nèi)的壓力，解除錨定，即可上提管柱，起出整形工具[8-10]。

該整形工具一次整形的最大長(zhǎng)度為390 mm，當(dāng)套管變形部位長(zhǎng)度大于390 mm時(shí)，需進(jìn)行多次整形，即一次整形結(jié)束后泄壓解除錨定，下放管柱，重復(fù)上述整形過(guò)程。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

液壓套管整形工具長(zhǎng)6 200 mm，最大外徑158.0 mm，一次行程400 mm，耐溫260 ℃，承壓40 MPa。整形頭材質(zhì)35CrMo，公稱外徑142.2 mm，整形球材質(zhì)9Cr18Mo，大球直徑20.0 mm，小球直徑15.0 mm；增壓液缸材質(zhì)35CrMo，外徑146.1 mm；泄壓裝置材質(zhì)35CrMo，外徑146.1 mm；錨定裝置材質(zhì)35CrMo，外徑146.1 mm。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

1) 對(duì)套管損壞小。利用整形鋼球的滾動(dòng)使套管變形部位逐漸恢復(fù)原狀，套管直徑的恢復(fù)是逐級(jí)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)套管損壞較小。

2) 整形效率高。在25 MPa壓差作用下，整形動(dòng)力最高可達(dá)到1 200 kN，且采用鋼球滾動(dòng)擠壓整形，摩擦阻力小，整形速度快、效率高。

3) 泄壓方便。泄壓裝置由內(nèi)、外2個(gè)中心管組成，整形時(shí)內(nèi)、外中心管上的泄壓孔錯(cuò)開，泄壓裝置本體腔為密閉環(huán)境；整形結(jié)束后上提管柱，內(nèi)、外中心管上的泄壓孔對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)安全泄壓。

4) 有效防卡。整形時(shí)整形工具的外徑達(dá)到158.0 mm，而整形結(jié)束后整形工具外徑回縮8.0 mm，能有效防止卡管柱事故的發(fā)生。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)液壓套管整形工具的技術(shù)指標(biāo)和整形效果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在室內(nèi)進(jìn)行了整形模擬試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)器材

液壓套管整形工具；試驗(yàn)平臺(tái)；加壓設(shè)備；高壓管線、數(shù)顯壓力表、游標(biāo)卡尺、吊車、管鉗、扳手等工具；φ177.8 mmP110鋼級(jí)套管，套管有2處縮徑，縮徑方向與套管中心軸線基本垂直[11-12]。

2.2 試驗(yàn)步驟

1) 測(cè)量φ177.8 mm套管縮徑處的外徑分別為139.7 mm和145.3 mm，變形長(zhǎng)度分別為260 mm和512 mm。

2) 連接好液壓套管整形工具及液壓管線，加壓驗(yàn)證整形工具和液壓管線的密封是否可靠。

3) 將連接好的整形工具送入φ177.8 mm套管內(nèi)，當(dāng)整形頭到達(dá)套管縮徑處時(shí)，加壓錨定整形工具后，繼續(xù)加壓對(duì)縮徑處實(shí)施整形。完成套管第1縮徑處整形后，泄壓，順利起出管柱。

4) 對(duì)第2縮徑處進(jìn)行整形，整形長(zhǎng)度達(dá)到一次整形長(zhǎng)度極限(390 mm)后泄壓，繼續(xù)對(duì)第2縮徑處進(jìn)行整形，直至通過(guò)第2縮徑處。

5) 泄壓后起出管柱，測(cè)量并記錄套管整形后的內(nèi)外徑，觀察套管變形反彈情況。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

1) 第1縮徑處整形用時(shí)14.5 min，第2縮徑處整形用時(shí)34.5 min，整形速度約0.94 m/h，而套管變形一般在20 m以內(nèi)，采用常規(guī)整形技術(shù)需要36.0 h(整形速度約0.56 m/h)，與之相比，液壓套管整形工具的整形效率提高約40%。

2)φ177.8 mm套管的2個(gè)縮徑處完成整形后，外徑達(dá)到170.7 mm，內(nèi)徑恢復(fù)到158.0 mm。

3) 整形結(jié)束后，套管變形處內(nèi)徑有所回縮，60 min內(nèi)的回縮最大值為2.5 mm，但沒有超過(guò)整形工具整形頭球槽上下4.0 mm的高度差，試驗(yàn)中取出工具時(shí)沒有明顯阻力，說(shuō)明該工具能夠有效防止卡管柱現(xiàn)象的發(fā)生。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至目前，液壓套管整形工具在13 口井進(jìn)行了應(yīng)用，成功完成12口套損井的修復(fù)，成功率達(dá)92.3%，基本解決了遼河油田套管變形修復(fù)成功率低的難題。下面以杜80-30-58井為例介紹該工具的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

杜80-30-58井井深為1 050.00 m，最大井斜角為11.87°(井深885.00 m處)。該井套管程序?yàn)棣?73.0 mm套管×103.94 m+φ177.8 mm套管×1 056.81 m，水泥返高812.17 m。該井在修井作業(yè)時(shí)，通井至井深851.88 m遇阻，下φ154.0 mm鉛模打印，鉛模穿過(guò)，根據(jù)鉛模顯示的信息確定井深851.88 m處φ177.8 mm套管縮徑至150.0 mm，于是采用液壓套管整形工具進(jìn)行整形，以便順利完成修井作業(yè)。套管整形步驟為：

1) 利用油管將液壓套管整形工具送到井下，當(dāng)整形工具下到套管縮徑處，遇阻，說(shuō)明整形工具的整形頭已經(jīng)接觸到了套變部位；

2) 調(diào)整油管柱長(zhǎng)度，將油管上端與泵車水管接頭連接起來(lái)；

3) 檢驗(yàn)并準(zhǔn)確調(diào)整油管柱，并在井口油管柱做標(biāo)記；

4) 將懸重歸零，用作業(yè)機(jī)將管柱吊住并適當(dāng)放松；

5) 將油管柱注滿水，緩慢加壓至20～25 MPa，穩(wěn)壓2～3 min；

6) 上拉油管柱，打開泄壓開關(guān)，泄掉油管柱內(nèi)的水；泄壓后油管柱下行約250～300 mm，即套管整形修復(fù)長(zhǎng)度為250～300 mm；

7) 重復(fù)上述步驟，先后經(jīng)過(guò)6次修復(fù)，將套管縮徑部位全部整形完畢。

該井完成套管整形后，起出油管柱和液壓套管整形工具，下入φ151.6 mm通井規(guī)通井至人工井底，無(wú)遇阻現(xiàn)象，隨后順利完成修井作業(yè)。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)遼河油田實(shí)際情況，研制了高效液壓套管整形工具，該工具具有對(duì)套管損傷小、整形效率高、泄壓方便和有效防卡的優(yōu)點(diǎn)。

2) 室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，高效液壓套管整形工具整形速度快、效率高，其整形速度比常規(guī)整形工具高40%左右。

3) 高效液壓套管整形工具在遼河油田13口套損井的套管修復(fù)過(guò)程中未出現(xiàn)任何事故，整形效果顯著，成功率達(dá)92.3%。

4) 高效液壓套管整形工具對(duì)單點(diǎn)或多點(diǎn)縮徑套管的修復(fù)效果較好，對(duì)其他類型套損的修復(fù)還需要進(jìn)行研究。

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[編輯 劉文臣]

The Development and Application of a High Efficiency Hydraulic Casing Restoration Tool

ZHANG Hongbao1，2

(1.Drilling & Production Technology Research Institute, PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin, Liaoning, 124010, China; 2. School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing, Heilongjiang, 163318， China)

At present, operations related to the restoration of deformed casing in the Liaohe Oilfield can be characterized by low success rates, long operation duration and high costs. Based on the principles of hydraulic boosting and rolling ball squeezing, a high efficiency hydraulic casing restoration tool has been developed, which is composed of a shaping head, pressure cylinder, pressure relief device and hydraulic anchoring device. Experimental results showed that the hydraulic casing shaping tool possessed high shaping efficiency, the average single well restoration duration was reduced by 40% from the original state. With less damage to the casing, the newly developed tool could be used to achieve maximum restoration of inner size of the casing. This tool has been used in the casing restoration of 13 wells in the Liaohe Oilfield and experienced success in 12 wells, resulting in a success rate of 92.3%. Both research results and application performances showed that the hydraulic casing restoration tool could be used for casing restoration of wells with deformed casing to meet the demands for casing re-shaping in the Liaohe Oilfield.

casing damage； hydraulic casing restoration； Well Du-80-30-58； Liaohe Oilfield

2015-11-12；改回日期：2016-03-26。

張洪寶(1980—)，男，黑龍江蘭西人，2005年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)，2010年獲大慶石油學(xué)院石油與天然氣工程專業(yè)工程碩士學(xué)位，在讀博士研究生，工程師，主要從事稠油熱采工具的研究與管理工作。E-mail:xiaoc1432@petrochina.com.cn。

?油氣開發(fā)?

10.11911/syztjs.201603018

TE935

A

1001-0890(2016)03-0101-04