井下油套管管柱修復技術研究*

王建軍，趙 楠，張赟新，徐長峰，王靖雯，朱玉嬌，楊尚諭，韓禮紅

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077； 2.中國石油新疆油田儲氣庫有限公司 新疆 呼圖壁 831200；3.西安建筑科技大學資源工程學院 陜西 西安 710055)

0 引 言

隨著深層油氣資源的逐步勘探開發(fā)，由于受到長期地層壓力、注水、注汽、頻繁井下作業(yè)以及管柱材質和腐蝕等原因，油氣井油套管柱易發(fā)生變形、泄漏和破裂等不同形式的損壞[1]。1997～2019年，大慶油田發(fā)生套損的油氣井為29 286個，總套損率為22.7%；遼河油田的套損井累計達到5 370 個，占總井數(shù)的22.3%。美國加州Belridge油田在過去的二十年中出現(xiàn)了超過1 000個套損井。美國墨西哥灣、塞達克科油田、北海、蘇伊士灣和中東等地區(qū)出現(xiàn)大量套管損壞。一般針對套損井修復通常采用補貼、整形、取換套和注膠等修復技術對套管或管柱外地層的裂縫進行修復，以恢復油氣井的生產(chǎn)功能。但由于現(xiàn)有修復技術受使用效果和適用范圍限制，導致許多管柱出現(xiàn)失效，尤其是油管柱失效，難以得到針對性的有效解決，從而影響油氣井正常工作，制約了油氣井的采收率。

為了能夠針對油氣井油套管柱失效特點以及類型采用合理的修復手段，以更好地解決油氣井套管和油管失效問題，本文分析了補貼、整形、取換套以及注膠等修復技術的基本原理、特點和適用范圍，并在此基礎上進行技術對比和分析，探討幾種修復技術的適用性，從而便于生產(chǎn)中采用有效合理的修復技術解決套管和油管失效問題。

1 技術概況

針對油氣井的套管修復技術有補貼修復技術、整形修復技術、取套換套修復技術以及堵漏劑(注膠)修復技術。根據(jù)修復方式不同，各類修復技術可進一步進行分類，分類情況如圖1所示。以上修復技術已經(jīng)廣泛地應用于套管損傷的修復或套管外地層的修復，但是較少用于井內(nèi)油管損傷修復。因此對各類修復技術進行調(diào)研，分析研究油氣井套管和油管柱損傷修復技術及其適用性。

圖1 修復技術類型

1.1 補貼修復技術

補貼修復技術作為金屬密封補貼加固技術，是針對套管漏失和變形等情況，通過下襯管并密封襯管兩端，從而形成完整通道的技術。目前，套管補貼修復技術主要有燃氣動力補貼、波紋管膠筒補貼以及膨脹管補貼。

燃氣動力補貼技術采用含能材料作為動力源來替代地面大型設備的補貼加固器，工作時，對投入到套損部位的加固器點火，引燃動力藥，使其產(chǎn)生的高溫高壓氣體充氣，推動金屬錨擴徑以及釋放環(huán)彈性變形，當膨脹力足夠大時，塑變釋放套解卡，起出工具完成補貼。波紋管膠筒補貼技術是將耐高壓封隔器套住兩端卡環(huán)固定的波紋管送到井下預定位置，通過憋壓脹起波紋管，同時上端擠出的粘合劑緊貼套管修補處完成補貼。膨脹管補貼技術是在鋼制套管下井后，通過冷擠擴張的方式使套管達到預定尺寸，以達到修補損壞套管的目的。

近年來，隨著套管損壞的原因和形式的復雜性和多樣性，對于套管修復的要求越來越高，常規(guī)的補貼修復技術不能很好地解決該問題，因此國內(nèi)外學者針對此問題改進了補貼修復的方式。針對大于10 m的長井段套管破損問題，提出了包括外層貼補管柱和內(nèi)層施力管柱的長井段補貼修復管柱技術，為稠油熱采井套損治理提供技術依據(jù)[2]。在深入研究套損機理以及發(fā)展現(xiàn)狀基礎上，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進一步改進補貼工具結構，研制出自掛式的補貼套管工具[3]。

現(xiàn)在膨脹管技術發(fā)展較快，目前國內(nèi)外很多公司致力于膨脹管技術的研發(fā)，例如Enventure、Halliburton、Baker Hughes和Weatherford等國外公司以及中國石油集團的工程材料研究院、工程技術研究院、勘探開發(fā)研究院和部分高校機構等。此外，國外學者也對膨脹管補貼技術進行補充和創(chuàng)新，如提出一種在高壓情況下使用的新型膨脹套管貼片，以滿足操作者所預期的極端循環(huán)熱條件，并且開發(fā)和實施采用可擴展內(nèi)部金屬套管修補程序的技術[4-5]。Blane等提出了一種適合小直徑油管和其他部件的高完整性可擴展金屬貼片修復油管的方案[5]，通過進行液壓膨脹油管系統(tǒng)內(nèi)插補以及設計和開發(fā)了鋼絲運行工具解決許多完井問題。Wilson和Adam提出了一種提高膨脹率、增強密封性和懸掛力的新型膨脹管[6]，克服了傳統(tǒng)實體膨脹管修復過程中導致井眼尺寸受損情況。國內(nèi)學者認為實體膨脹管與波紋管可進行組合對管柱進行修補，可代替套管以及堵漏裸眼井段[7-8]，同時進一步開發(fā)了既可滿足強度、耐溫性和密封能力要求又可達到API N80鋼級的膨脹管，并且用ANSYS建立了SET有限元模型并進行數(shù)值模擬，分析了實體膨脹管在套損井修復過程中應力、應變和殘余應力[9]。

1.2 取換套修復技術

取換套修復技術采用套銑、割管和打撈等工具將套管的破損段及以上的套管取出[10]，再將下入的新套管對接井內(nèi)套管，以達到恢復原井套管的通徑從而實現(xiàn)有效徹底地修復破損套管。常見的取換套管作業(yè)分為兩種類型：大修作業(yè)和小修作業(yè)[11]。小修取換套通過確定漏點和計算中和點，施加扭矩對已損套管進行倒扣作業(yè)，回接套管之后進行試壓驗證，提出封隔器以解除封堵，以此完成換套。大修作業(yè)取換套在準確定位漏失點后，在井筒內(nèi)注入定量水泥塞對油層實施封堵隔離，利用轉盤設備對已損套管進行倒扣取出，將新套管下放至井中進行對接，經(jīng)過試壓驗證后使用鉆頭鉆灰塞通井至井底，以此完成取換套。

取換套修復技術的難點在于下套時，對被取套損部位位置的精確定位以及取套深度不確定性。因此，采用定點取換套技術能夠一次性準確倒出套管，解決常規(guī)取換套技術產(chǎn)生的多次倒扣和丟失井眼的問題，有效降低套管失效造成施工風險[12]。為了保證在油層部位進行取換套的高效，形成了一種配套油層部位的取換套技術[13]。通過研制配套的套管定深倒扣裝置以優(yōu)化工藝施工參數(shù)，以達到一次倒扣取出已損套管的目的[14]。

1.3 整形修復技術

整形修復技術主要采用機械式和爆炸式兩種方式。機械式整形即對變形套管進行反復碾壓或震擊，使變形套管恢復到預期內(nèi)通徑修復尺寸。爆炸式整形即將爆炸裝置放置在套管的變形部位，通過導電控制或撞擊形式來引爆炸藥，爆炸所產(chǎn)生的強大壓力將變形套管膨脹到一定尺寸，以此達到修復已損套管的目的。

采用整形修復技術，通常針對整形過程中整形力和扭矩的合理性問題進行分析和研究，控制根據(jù)以往由經(jīng)驗確定的修復力，以達到有效修復套管的目的。利用旋壓套管進行整形試驗對修復前后變形套管的力學性能進行分析和評價，從而優(yōu)化套管和整形器結構并為施工參數(shù)提供相關依據(jù)[15-17]。在此基礎上，提出采用套管滾壓整形修復技術并設計整形量，以此修復氣田套管變形井[18]。

由于地層壓力的變化等原因，針對套管服役時的彎曲、縮頸變形和錯斷等套損問題，許多學者和研究人員研發(fā)了不同的修井工藝以及修復工具。目前所研發(fā)的整形裝置主要為：1)梨形膨脹整形器：其價格便宜、施工簡單，但是一次整形量小，需不停更換不同尺寸的整形器導致工作量大。2)旋轉震擊式整形器：其鉆井速度和效率較高，但由于頻繁撞擊，產(chǎn)生溫度較高，導致增大套管修復成本。3)偏心輥子整形器：其有效避免卡鉆等問題且可恢復套管內(nèi)徑，但由于其結構受力復雜，容易斷落從而引起故障。4)滾珠整形器：其對外層水泥環(huán)破壞小，但受力不均時會被壓扁，只適用于修復縮頸變形套管，且造價成本高。

1.4 堵漏劑修復技術

堵漏劑修復技術也稱為注膠修復技術，采用的堵漏劑主要包括物理堵漏劑和化學堵漏劑兩種。物理堵漏劑利用堵漏劑性能的優(yōu)勢，通過不同的擠注方法和工具，將堵漏劑注入到漏失井段種，待固化后達到封堵套管和疏松地層的目的。化學堵漏劑在進入漏失通道后，可以在地層壓力、溫度和組分等因素之間發(fā)生化學反應，首先在漏失管段中發(fā)生滯留反應，隨后與套管和地層發(fā)生稠化和膠結等反應，最終達到封漏堵漏的作用。

一般情況下，按照堵漏材料分類，可分為橋堵材料、高失水堵漏材料、軟硬塞堵漏材料、無機凝膠堵劑、暫堵材料、廣譜型屏蔽暫堵保護油氣層材料、化學堵漏材料、高溫堵漏材料、復合堵漏材料以及堵漏、防水兩用堵漏劑十類[19]。目前，對堵漏劑材料的研究發(fā)展趨勢主要包括三個方面：針對單一堵漏劑，需要研究其物理或化學性質并對其進行改性以適應不同的油氣井體系；對于漏失的具體情況，需要研究和發(fā)展多粒度級別堵漏材料和由多種堵漏材料復合而成的復合型材料；同時，對于堵漏之后后續(xù)引起的環(huán)境問題，需要研究集堵漏防漏、堵水、保護儲層及環(huán)境為一體的綜合性堵漏材料[20]。

采用堵漏劑進行修復時所采用的工具包括擠注堵漏劑的專用工具、注水泥裝置、水泥塞、封閉工具、隔管和直接裝送堵漏材料至漏失層的容器等。國外早在20世紀40年代開始研究井漏防治技術，20世紀50年代對防漏堵漏機理以及堵漏工藝研究迅速發(fā)展，20世紀60～70年代逐步掌握漏失特點、規(guī)律，堵漏工藝及方法逐漸成熟，20世紀80～90年代堵漏實驗設備和工具更加先進，開發(fā)了一系列兼具保護儲層功能的復合型堵漏劑。前蘇聯(lián)最先采用井下混合堵漿工藝、平衡堵漏工藝、快速膠質水泥漿以及充氣水泥漿等堵漏工藝。美國采用起鉆候堵、通過添加配料的水基或油基制成的橋塞劑、擠注高失水混合稠漿、水泥漿、井下混合軟硬塞、地面混合軟塞法、井下混合軟塞法、利用水和凝膠水油攜帶砂子制成的特殊堵劑以及采用強鉆或充氣泥漿后下套管這九種堵漏工藝技術。而國內(nèi)對于堵漏技術的研究開始于20世紀70年代，20世紀80年代開始發(fā)展，20世紀90年代開始迅速發(fā)展。近幾年，在研究堵漏工藝技術的同時又注重堵漏材料的研究，且更加注重油氣層保護，開發(fā)了酸溶性高失水暫堵劑、酸溶性水泥、吸水樹脂堵漏劑、片狀合成樹脂堵漏劑、微膨脹型樹脂堵漏劑、聚合物樹脂堵漏劑、新型復合凝膠和耐高溫高壓凝膠堵漏劑等[21-29]。

2 技術對比

為了確定各修復技術的適用條件和適用范圍，從特點、操作難度、經(jīng)濟成本、施工周期和適用類型等方面進行了分析對比，結果見表1。

從表1可見:1)在施工條件方面，采用取換套修復技術進行大修作業(yè)時，倒扣前需要地面設備在井筒內(nèi)注入定量的水泥塞以隔離油層，在進行倒扣作業(yè)時，需要地面上的鉆盤設備將損壞套管倒扣取出井。因此，該種作業(yè)方式所需要的設備相對較多，由于施工現(xiàn)場必須有能夠安放設備的足夠場地，受到了場地的限制，從而加大了施工操作的難度，一般不適用于小場地現(xiàn)場作業(yè)。當變形量以及彎曲程度變大時，通過脹管器以及磨銑整形的機械整形技術不適用對套管進行修復，且機械整形工具無法下井，占用設備多，加大了修復的難度。2)在經(jīng)濟成本和施工周期方面，采用取換套修復技術進行大修作業(yè)以及采用機械式整形修復技術對破損套管進行修復所需成本較高，一般大修取換套的單口油井的作業(yè)成本可以達到80 萬元，使用設備多花費相對較大。作業(yè)周期時間長：一般對單口油井進行作業(yè)時，需要的作業(yè)周期約為25 d。機械整形工具在每修復一次套管，應由小尺寸工具到大尺寸工具的順序進行使用，即經(jīng)過多次作業(yè)才能達到修復套管的目的，作業(yè)時間增長及費用增高。不論是使用機械膨脹或銑磨整形，不但成功率低而且容易造成卡鉆和工具斷落等情況發(fā)生，加劇了井下工況的復雜性，因此該技術不適用于嚴重變形套管。3)在綜合施工周期、費用成本以及作業(yè)周期三個方面，補貼修復技術以及堵漏劑修復技術比取換套修復技術以及整形修復技術有明顯的優(yōu)勢。4)在適用類型方面，堵漏劑修復技術不受管徑和長度的限制，而且流動性強，覆蓋面積廣，可以針對不同修復的需求對堵漏劑進行合理的配比以滿足需求。5)在可靠性方面，整形修復技術和取換套修復技術均存在修復成功率低和存在二次事故造成井下工況進一步惡化的風險。套管補貼修復技術可應對復雜原因引起的各種套管破損問題，現(xiàn)在套管補貼技術關鍵點在于研究高強度、ERW高精度和耐腐蝕的膨脹管管材，高溫膨脹管的壽命問題以及多種膨脹方式，也是套管補貼未來的發(fā)展方向。

3 結 論

1)目前研究領域和工程實際中對油氣井油管柱損傷修復技術的研究較少，現(xiàn)有的技術研究主要圍繞油氣井套損問題。目前形成的套損修復技術主要有套管補貼、套管整形、取套換套和堵漏劑修復等修復技術，均應用于修復套管。

2)堵漏劑/套管補貼修復技術較整形/取換套修復技術效率高、施工周期短、費用成本低及操作難度小，可以實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行，其中堵漏劑修復技術不受管徑限制。

3)膨脹管補貼修復技術修復率高、效果明顯、封堵面廣和安全性高，能夠適用于復雜工況以及由于各種原因引起的套管損壞。

4)針對不同套管漏失、破損和腐蝕等問題，根據(jù)技術要求和現(xiàn)場情況選擇相應的修復技術，為有針對性選擇修復技術提供技術上的依據(jù)。

雖然目前國內(nèi)在修復技術研究領域取得了一定的進展，但是在油氣井油管柱上的應用尚屬空白，對比后發(fā)現(xiàn)堵漏劑修復技術在油管損傷修復上具有較大應用可行性，但需要在充分吸收和研究國內(nèi)外現(xiàn)有技術和分析其應用案例的基礎上，加大研究力度，填補目前技術上的缺陷和不足，達到實現(xiàn)油管損傷修復技術成熟應用的目標。