膨脹管補貼加固技術(shù)的研究與應(yīng)用

何正彪

遼河油田鉆采工藝研究院 遼寧盤錦 124010

冷擴張技術(shù)的基礎(chǔ)上的石油和天然氣井筒金屬管道、膨脹管進入井筒的徑向擴張由機械擠壓擴張方法，導(dǎo)致永久塑性變形膨脹管的最后永久性機械變形，以減少損失的原始盡可能套管直徑和直徑達(dá)到節(jié)約的目的。

1 補貼技術(shù)的優(yōu)缺點

1.1 傳統(tǒng)套管補貼技術(shù)的缺點。在20 世紀(jì)末，兩種最常見的常規(guī)套管補貼是

①波紋管補貼技術(shù)和厚壁管補貼加固技術(shù)。波紋管補貼技術(shù)主要是前蘇聯(lián)和美國的技術(shù)。在我國已有一定程度的引進和應(yīng)用，但應(yīng)用效果并不十分樂觀，主要是由于波紋管的缺陷：波紋管壁厚小，施工長度非常有限，在我國老油區(qū)，油套管損壞嚴(yán)重，往往需要大截面修復(fù)，波紋管的補貼不能滿足施工要求。而且，補貼后的圓度較差，因此在今后的管柱中，會經(jīng)常與補貼波紋管發(fā)生碰撞摩擦，這進一步降低了波紋管的使用壽命。②波紋管的擠壓強度很低，密封層不是很好，高壓泄漏層非常有限。因此，在國內(nèi)外都非常有限，目前已基本消除。厚壁管加固技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代在我國引進和應(yīng)用的，其基本原理是：采用厚壁管補強技術(shù)，兩端掛封采用金屬材料和殼體。加固后強度高，密封性能好。另外，通過添加特殊材料，可以提高結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和可靠性[1]。然而，這種方法有兩個嚴(yán)重的缺點。一是補貼后原內(nèi)徑損失過大。如果今后繼續(xù)使用鉆柱，將減小鉆桿直徑，增加井筒錐度，增加新儲層的開發(fā)。即使不繼續(xù)鉆井，如果開發(fā)原始生產(chǎn)層，生產(chǎn)管柱也會受到很大的限制。其次，厚壁管的補貼長度仍然有限，高達(dá)30m，這是由于其技術(shù)原理的缺陷，不易改進。

1.2 固體膨脹管補貼技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的補貼技術(shù)不同，固體膨脹管面積有三個優(yōu)勢一是膨脹性好，二是沒有長度限制，三是密封性能好。①可伸縮性。固體膨脹管主要由鉻、錳、鎳和硅組成。耐蝕性好，可塑性高，強度高，加工硬化率高。此外，利用相變誘導(dǎo)塑性機理提高材料的強度和塑性。膨脹管（L80 和K55 套管）膨脹前后的性能試驗項目包括膨脹前后的硬度、屈服強度、拉伸強度和沖擊韌性。所有實驗均在室溫下進行，在稍高的溫度（176℃）下具有相似的膨脹性能。通過對國外試驗數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，得出以下結(jié)論：在膨脹過程中，由于管徑的膨脹，膨脹管的壁厚應(yīng)減小2%-5%。直徑可增加約20%，長度可縮短約8%，塑性變形可接近30%。膨脹管經(jīng)過膨脹變形后，其力學(xué)性能仍滿足API 標(biāo)準(zhǔn)L80、K55 和J55 石油管道的要求。②沒有長度限制。固套管補片技術(shù)由于每個補片管都有特殊的膨脹螺紋連接，是一種非耦合連接，能夠?qū)Σ煌L度的套管破損段進行修復(fù)。上關(guān)節(jié)是公的，下關(guān)節(jié)是母的。關(guān)節(jié)是身體的延續(xù)。斜梯扣的受力邊緣接近水平或微倒鉤式，保證了較高的承載力和密封能量在卡扣的頂部和末端有兩個密封圈，大大提高了接頭的密封性能它能承受膨脹的塑性變形、高膨脹壓力和施工的磨耗，保證施工前、施工中和施工后長期密封的目的。通過解決單管連接問題，可以滿足套損段的實際長度要求。因此，沒有長度限制，因此得到了廣泛的應(yīng)用。另外，兩個環(huán)形螺紋從內(nèi)螺紋扣外側(cè)伸出，可以有效地保護膨脹管外壁的密封帶。膨脹后可以封堵套管壁，從而提高筒體的懸掛性和接頭的抗擠壓能力。③密封性能好。密封帶采用納米復(fù)合橡膠材料，經(jīng)硫化處理，與不銹鋼及合金具有良好的附著力補貼后可保證粘接強度高、不脫落、耐腐蝕、耐高溫、彈性好、密封性能好等特點。目前，該密封技術(shù)已投入使用。隨著進一步的研究和現(xiàn)場評價，該技術(shù)將更加完善，進一步增強固體膨脹管的技術(shù)優(yōu)勢[2]。

2 膨脹管補貼加固技術(shù)的研究

2.1 火驅(qū)現(xiàn)狀

在我國火災(zāi)驅(qū)油開發(fā)和規(guī)模擴大方面處于領(lǐng)先地位。因此，在國內(nèi)其他油田套損井修復(fù)加固技術(shù)有自己的成熟的技術(shù)，但火驅(qū)井套損修復(fù)加固技術(shù)的相關(guān)研究較少，火和遼河油田套管損壞井修復(fù)加固技術(shù)研究和開發(fā)才剛剛開始，尚未進入現(xiàn)場的成熟和可靠的技術(shù)推廣和應(yīng)用。我國套管防塌措施的研究方法主要有：①采用高強度套管提高套管抗塌能力。但由于高強度鋼的韌性和抗沖擊性較低，特別是耐腐蝕性較差，不適合滅火井使用。②采用厚壁套管，提高套管的擠壓強度。結(jié)果表明，套管的承載力與鋼強度和鋼厚的平方成正比。③采用雙層組合套管，提高套管的抗擠壓破壞能力。理論和實踐表明，雙層套管具有較強的擠壓破壞能力，其擠壓強度至少等于各層套管強度的總和。在套損嚴(yán)重的區(qū)塊，防止套損效果明顯。另外，改進射孔技術(shù)、減少射孔次數(shù)、預(yù)應(yīng)力完井對防止套管損壞具有積極意義[3]。

2.2 膨脹管加固技術(shù)指標(biāo)

①膨脹管加固后，密封壓力≥15MPa，穩(wěn)定壓力15min 后壓降0.5mpa；②懸架力≥40-60t，內(nèi)阻≥45MPa，外壓阻力≥25MPa；③高溫井的膨脹管最高工作溫度不得低于350℃；④單套金屬密封圈懸掛力大于或等于100kN，最大膨脹壓力小于40MPa；⑤目前大直徑膨脹管允許偏差為1，適用于5-1/2 套管。套管壁厚6.2mm 后，內(nèi)徑≥115-117mm；補貼后套管壁厚6.98mm，內(nèi)徑≥113-115mm；允許內(nèi)徑后的套管壁厚大于或等于112- 壁厚9.17mm 的套管內(nèi)徑≥109-111mm。。該技術(shù)適用于下列工況：①補償各種錯位、損壞、腐蝕造成的套管損失；②熱采井套管損失補償；③射孔井產(chǎn)水段的充堵。

2.3 小套管固井完井加固技術(shù)

針對沒有或有輕微套管變形的火驅(qū)井研發(fā)7″膨脹吊具51/2” 無耦合套管固井完井，進一步改善加固套管結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

合理選擇雙層組合襯套的內(nèi)外管尺寸和水泥品種，具有較強的抗擠壓破壞能力。只要套管之間的水泥是強大到足以確保水泥不會碎和流環(huán)外殼在擠壓過程中，擠壓強度的雙層套管應(yīng)至少等于每一層的擠壓強度的總和的套管。采用雙層組合套管可防止套管損壞。