免鉆式膨脹管補貼技術研究與現(xiàn)場試驗

楊海波， 侯 婷， 馮德杰， 滕照正， 吳柳根

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

免鉆式膨脹管補貼技術研究與現(xiàn)場試驗

楊海波， 侯 婷， 馮德杰， 滕照正， 吳柳根

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

采用常規(guī)膨脹管補貼技術進行套管修復后需進行鉆塞作業(yè)，會延長修井周期、增加作業(yè)費用。為此，進行了免鉆裝置結構設計、工具參數(shù)優(yōu)化和室內試驗驗證，確定工具性能指標和使用工況，形成了免鉆式膨脹管補貼技術。根據(jù)室內試驗結果確定免鉆裝置的性能指標符合現(xiàn)場實施要求，除此之外，還確定了施工參數(shù)及施工工況，給出了免鉆膨脹管補貼技術的現(xiàn)場施工工藝。渤海灣CDX-56P井的現(xiàn)場試驗結果表明，該免鉆裝置能夠滿足抗扭、抗壓等現(xiàn)場施工要求，具有較好的實用性。免鉆式膨脹管補貼技術的試驗成功，為套損井的治理開發(fā)提供了一種完井周期更短、費用更加低廉的技術手段。

膨脹管；套管補貼；免鉆；現(xiàn)場試驗；CDX-56P井

目前，膨脹管技術已經(jīng)廣泛應用于鉆井、完井及修井等作業(yè)中,成為石油工程領域的一項重要技術[1-3]。膨脹管技術是在井下復雜條件下使用機械或液壓方式使特殊材質管體及螺紋發(fā)生塑性變形、增大內外徑、以達到工程應用目的的一種技術[4-5]。目前，我國膨脹管技術的現(xiàn)場應用范圍在不斷擴大，尤其是膨脹管補貼技術已發(fā)展成為修復套管損壞井的一種常用手段[6-7]，并以其獨特的大通徑、高密封性等優(yōu)點得到廣泛應用。

然而，目前國內在采用常規(guī)膨脹管技術對老井進行套管修復后，均需采用鉆塞方式來處理下部承壓裝置[8]，要求現(xiàn)場配備旋轉動力設備，如轉盤、螺桿鉆具等設備；此外，需要配備磨鞋、壓力泵等輔助設備，導致作業(yè)周期延長、完井預算增加。為此，筆者針對φ194.0 mm膨脹管進行了免鉆式裝置的結構設計、工作原理分析和施工工藝研究，形成了免鉆式膨脹管補貼技術，并在CDX-56井進行了現(xiàn)場試驗。試驗結果表明，免鉆式膨脹管補貼技術能夠滿足現(xiàn)場應用要求。

1 免鉆式膨脹管補貼裝置及原理

針對國內膨脹管補貼技術的現(xiàn)場應用情況，研究了φ194.0 mm免鉆式膨脹管補貼技術，其技術原理是在傳統(tǒng)膨脹管補貼技術上增加了免鉆式裝置，該裝置不僅能夠替代傳統(tǒng)膨脹管補貼技術中的承壓裝置，同時具備可打撈功能，可在補貼施工完成后利用現(xiàn)有規(guī)格的撈矛將免鉆裝置打撈出井口，達到縮短作業(yè)周期及節(jié)約完井預算的目的。

1.1免鉆式膨脹管補貼裝置

免鉆式膨脹管補貼裝置主要由啟動器、多功能花鍵軸、剪切銷釘、滑套、鍵塊和引鞋等部分組成，如圖1所示。其中，最外層為啟動器，啟動器上部安裝有配合使用的膨脹錐以及錐托組合結構，中間位置加工有3個周向均布的矩形槽，用以裝配鍵塊組合；多功能花鍵軸外表面上端為圓柱形結構，下方加工有花鍵軸，中間為通孔，最上端為花鍵槽；多功能花鍵軸與啟動器本體之間通過一組剪切銷釘連接，銷釘剪切力設置為80kN；多功能花鍵軸外表面有一滑套，滑套上下兩端為斜面構造，滑套本體有3個圓周均布的矩形槽；滑套的3個矩形槽與啟動器的3個矩形槽配合，分別裝配的3個鍵塊組合；多功能花鍵軸下部連接引鞋，引鞋下部為半球體結構，半球形結構起導向作用，有利于施工管柱的下入。

圖1 免鉆式膨脹管補貼裝置基本結構Fig.1 Structure schematic diagram of expandable tube patching tool without drilling plug

1.2工作原理

免鉆式膨脹管補貼裝置的工作原理為：管柱下到井內后連接井口高壓泵設備，首先通過伴送管柱和免鉆裝置內孔進行循環(huán)洗井，清除井筒內雜物，然后泵送入金屬球，金屬球到達多功能花鍵軸內壁球座處與其形成密封，多功能花鍵軸外表面的密封圈密封其與啟動器之間的壓力，此時膨脹錐與密封槽之間形成密封空間，進一步升高壓力，達到膨脹管膨脹所需壓力后，井口提升設備保持伴送管柱原懸重勻速上提，膨脹錐在液壓力作用下上行逐步脹開膨脹管本體，直至膨脹完成整個管體,膨脹結束后，膨脹管外層橡膠元件被擠壓在套管與膨脹管之間，起到密封和懸掛的作用[9]，完成對油水井套損段的修復(見圖2)。

圖2 免鉆式膨脹管補貼裝置的工作原理Fig.2 Construction process of expandable tube patching technology without drilling plug

完成膨脹作業(yè)后，上提出膨脹錐，下入滑塊撈矛，當撈矛下至免鉆裝置處時井口顯示遇阻，下壓20kN,撈矛滑塊鎖死免鉆裝置，上提鉆具，過載力超過剪切銷釘?shù)念~定剪切力后剪斷銷釘，多功能花鍵軸相對于滑套和鍵塊向上運動，花鍵軸下部的圓柱形結構與滑套和鍵塊的底部圓弧結構發(fā)生相對滑動，此時引鞋同步向上運動；當圓柱形結構完全經(jīng)過滑套和鍵塊時，鍵塊橫向對應于多功能花鍵軸底部圓柱體；繼續(xù)上提鉆具，矩形槽上端面分別會對相應鍵塊的斜面產(chǎn)生垂直于斜面的壓力，在該力作用下，3個鍵塊落入滑套的空腔內，由于尺寸的限制，鍵塊嵌入滑套內的矩形槽內不會發(fā)生脫落。上提鉆具過程中，滑套斜面結構能夠降低上提過程的阻力，將免鉆裝置提出井口，完成打撈。

1.3施工工藝

在常規(guī)膨脹管補貼技術施工工藝的基礎上，完善了免鉆式膨脹管補貼施工工藝：

1) 使用符合標準的套管刮管器對待補貼位置進行刮管作業(yè)；

2) 下封隔器進行管柱驗漏，分別對漏點以外井段進行清水試壓(壓力小于補貼完成后的試壓值)，30min壓降不大于0.5MPa為合格；

3) 用標準通井規(guī)通井至套管漏失位置10.00m以深，通井順利，無任何遇阻現(xiàn)象為合格；

4) 準確測量送入鉆具和補貼套管工具組合的長度，送入鉆具用標準通管規(guī)通管并用液壓鉗上緊，并以該鉆具將補貼套管組合下入并送到位；

5) 補貼管柱下到待補貼位置后，進行地面管線試壓，壓力為30MPa[10]；

6) 井口投球，泵壓至24MPa時，管體開始膨脹，提升管柱，保持懸重約為工作管柱所受重力，泵壓保持在20～25MPa[11]；

7) 井口管柱上提1.80m后停泵，上提管柱；如上提遇阻，阻力大于100kN，表明膨脹管底部已坐掛；如無遇阻顯示，下放管柱至初始位置，重復上一步驟[12]；

8) 重新開泵，直至膨脹錐完成膨脹過程；

9) 關封井器，按要求對井內套管進行試壓；

10) 下可退式撈矛打撈免鉆裝置，撈矛觸底后，核實撈矛深度符合設計深度，下壓20kN，撈矛滑塊鎖死底堵，過提70～90kN剪切底堵銷釘，緩慢起鉆，直至撈矛起出井口[13]。

2 技術優(yōu)點

2.1獨特的鍵塊組結構

免鉆式裝置中的鍵塊組結構(見圖3)與啟動器外筒上的矩形槽的配合結構能夠承受極強的壓力，也能承受一定的扭矩[14]。

圖3 鍵塊組結構Fig.3 Key combination structure

膨脹施工時，作用在免鉆式裝置的液壓力約為600kN,并通過3個鍵塊的傳遞作用在啟動器與鍵塊配合的矩形槽面上。當補貼管柱下入遇阻時，可采取旋轉管柱的方式來處理[15]，此時作用在內管柱上的扭矩通過鍵塊組與外筒矩形槽的側面配合傳遞到膨脹管柱上。

利用3000kN級臥式壓力機對樣機進行800kN的靜壓力測試，持續(xù)30min，壓力卸載后，整體結構性能穩(wěn)定，模擬打撈時各部件工作正常，可順利完成打撈，打撈力82kN[16]；利用扭矩儀分別進行順時針和逆時針2個方向的免鉆裝置抗扭試驗，扭矩為5kNm，卸載后檢測發(fā)現(xiàn)各機構無變形，能夠正常工作[17]。

2.2剪切銷釘

多功能花鍵軸和啟動器之間設置了一組剪切銷釘，位置如圖4所示，剪切力設置為80kN。剪切銷釘?shù)淖饔弥饕牵?)避免膨脹施工結束時的激動壓力釋放及地層壓力向上推動免鉆裝置[18]；2)撈矛上提打撈免鉆裝置過程中指重表有瞬時的80kN懸重突降，使打撈過程更加清晰，增強了現(xiàn)場施工的可操作性。

圖4 剪切銷釘結構示意Fig.4 Design of shear pin device

2.3可重復利用的免鉆裝置

設計開發(fā)的免鉆裝置結構簡單，加工精度要求低，可下入普通撈矛進行打撈，打撈后的免鉆裝置結構基本無損傷，修復保養(yǎng)后可重復使用2～3次，有效降低了作業(yè)成本[19]。

3 現(xiàn)場試驗

CDX-56P井是埕島西A區(qū)塊的一口生產(chǎn)井，生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)φ244.5mm套管漏失，漏點位于459.30～461.80m井段，為鉆屑污染井筒，采用免鉆式膨脹管補貼技術進行套管修復作業(yè)，使用φ194.0mm膨脹管12.00m。

前期處理井筒，滿足施工要求后，下入膨脹管補貼施工管柱。管柱結構：膨脹管補貼組合(內置免鉆裝置)+φ73.0mm鉆桿，下至井深238.30m處時遇阻(阻力5kN)，管柱旋轉180°，最大扭矩3kNm,下壓(壓力4kN)通過遇阻點。補貼管柱順利下至設計井深468.00m，進行地面管線試壓。

管柱自由狀態(tài)下指重表懸重70kN，投銅球后壓力逐步升高至24MPa，懸重下降至40kN，上提鉆具，壓力控制在21～23MPa，懸重控制在70～90kN，上提鉆具11.20m后，高壓泵壓力表指針迅速下降歸零，膨脹施工結束。

起出補貼施工管柱后，進行套管試壓(壓力10MPa)，穩(wěn)壓30min，無壓降損失。下入滑塊式撈矛打撈底部球座,撈矛下到打撈位置,打撈管柱懸重70kN,遇阻后下壓懸重20kN，確保撈矛處于工作狀態(tài)，反轉管柱1.5圈，上提鉆具后懸重至250kN，隨即降低為70kN，剪斷剪切銷釘，打撈成功；順利上提鉆具，起出撈矛和球座，檢查各部件無缺失損傷，打撈成功。經(jīng)檢查免鉆裝置表面無損傷，修復保養(yǎng)后可再次使用。

分析現(xiàn)場試驗結果可得：1)下入過程中遇阻，旋轉管柱扭矩3kN·m,管柱通過遇阻位，說明鉆具的扭矩能夠通過免鉆裝置的鍵塊機構傳遞到膨脹管柱上，滿足現(xiàn)場使用要求；2)膨脹施工結束后，免鉆裝置能夠順利打撈出井，說明免鉆裝置在承受膨脹過程中下壓后能夠保持整體的機械完整性，整體結構強度滿足使用要求；3)現(xiàn)場試驗預計打撈力為150kN，現(xiàn)場實際打撈力為250kN，分析后認為由于膨脹管與原井套管環(huán)空處于密封狀態(tài)，打撈過程中產(chǎn)生了“拔活塞”現(xiàn)象，所以打撈力比預計高出100kN。

4 結論與建議

1) 研發(fā)的φ194.0mm免鉆式膨脹管補貼技術具有施工工藝簡單、工具性能可靠和操作性強等優(yōu)點，經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，與常規(guī)膨脹管補貼技術相比，膨脹施工后可用撈矛打撈免鉆裝置，對現(xiàn)場設備的需求降低，每口井的平均修井周期縮短1～2d。

2) 確定了φ194.0mm膨脹管補貼免鉆裝置的基本結構參數(shù)和性能指標，經(jīng)室內測試與現(xiàn)場施工對比驗證，銷釘剪切力設置為70～80kN。

3) 打撈過程中會產(chǎn)生“拔活塞” 現(xiàn)象，導致打撈力增大，因此，下一步要研究改進免鉆裝置的內部結構，避免該現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4) 在優(yōu)化改進φ194.0mm膨脹管補貼免鉆技術的基礎上，需要繼續(xù)設計完善其他常用規(guī)格的免鉆塞膨脹管補貼技術，為油田老井的套損治理提供更加全面的技術手段。

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[編輯 滕春鳴]

ResearchandFieldTestofNon-DrillingPlugExpandableCasingPatchingTechnology

YANGHaibo，HOUTing，F(xiàn)ENGDejie，TENGZhaozheng，WULiugen

(DrillingTechnologyResearchInstitute，SinopecShengliOilfieldServiceCorporation,Dongying，Shandong，257000,China)

Drilling plug operations must be carried out after casing repair by means of the traditional expandable casing patching technology,which results in an extended workover period and increased operating expenses.Therefore, non-drilling plug expandable casing patching technology were developed after determination of performance indicators and applying working condition of tools by structural design of non-drilling plug device,parameter optimization of tools,verification of laboratory experiment.Laboratory test results showed that the performance indicators of this device in wells with damaged casing met site implementation requirements.Construction parameters and working conditions were made clear.Moreover,the site implementation flow for non-drilling plug expandable casing patching technology was established.The field test results in Well CDX-56P of Bohai Gulf indicated that this non-drilling plug device could satisfy the site construction requirements for anti-torsion and anti-pressure,etc and it also possessed good field practicability.The successful test of non-drilling plug expandable casing patching technology provided the technical means of shorter operating cycle and lower costs for harnessing the development of wells with damaged casing.

expandable tube；casingpatch；without drilling plug；field test；Well CDX-56P

TE358+.4

A

1001-0890(2017)05-0073-05

10.11911/syztjs.201705013

2017-05-25；改回日期2017-09-14。

楊海波(1971—)，男，山東鄒平人，1992年畢業(yè)于勝利石油學校石油地質專業(yè)，2003年獲石油大學(華東)地質勘查專業(yè)學士學位，2014年獲長江大學石油與天然氣工程專業(yè)工程碩士學位，高級工程師，現(xiàn)主要從事鉆井完井方面的研究工作。E-mail：yanghaibo585.slyt@sinopec.com。

中國石化集團科技攻關項目“裸眼封堵等井徑膨脹套管技術研究”(編號：JP11007)部分研究內容。