膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)在大港油田套損注水井的應(yīng)用

膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)在大港油田套損注水井的應(yīng)用

0大港油田公司的膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)大港油田已經(jīng)開發(fā)50多年了。近年來(lái)，由于水井壓力大、井深、水質(zhì)等諸多因素的影響，水井條件日益復(fù)雜，管道中的腐敗現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，井壁和井壁的損傷和遺漏日益增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前該油田共有套損注水井622口，占套損油水井總數(shù)的48.6%,占在冊(cè)油水井總數(shù)的9.2%,其中套管縮徑注水井184口，淺層套管彎曲注水井140口，套管錯(cuò)段井28口，套漏井160口，影響注水井開井率8.63%,且套損帶病注水井存在隨時(shí)停注的潛在風(fēng)險(xiǎn)。為了提升套損注水井注水增產(chǎn)能力，針對(duì)注水井套損套變嚴(yán)重、注水量不足以及油井穩(wěn)產(chǎn)基礎(chǔ)脆弱的問(wèn)題，大港油田公司確立了采用膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)對(duì)套損井進(jìn)行修復(fù)的工藝方案。鑒于目前金屬塑性成形領(lǐng)域?qū)τ谒苄猿尚喂に嚭凸ぞ咴O(shè)計(jì)還缺乏系統(tǒng)的、精確的理論分析手段，大港油田工程院選用4種塑性好的管材進(jìn)行了室內(nèi)力學(xué)性能測(cè)試，優(yōu)選兩種管材開展了膨脹試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了膨脹管大通徑補(bǔ)貼技術(shù)。該技術(shù)與國(guó)內(nèi)外常規(guī)的膨脹管技術(shù)相比，管材壁厚大幅度降低，即由6.0～8.0mm降至3.5～4.5mm,同時(shí)膨脹錐由置于膨脹管下部的擴(kuò)孔端內(nèi)的內(nèi)置式，改為置于膨脹管下部端外的外置式，膨脹壓力由膨脹管下端壓力腔向上傳遞改為膨脹錐下的多級(jí)液壓缸向上傳遞?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明，采用該技術(shù)能有效封堵套損井段，完善注采井網(wǎng)，改善注水效果。1膠密封環(huán)壓縮后厚度膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)膨脹管補(bǔ)貼后內(nèi)徑主要取決于補(bǔ)貼段套管內(nèi)徑、膨脹管膨脹后壁厚以及橡膠密封環(huán)壓縮后厚度，即膨脹管脹后內(nèi)徑是補(bǔ)貼段套管內(nèi)徑減去兩邊膨脹管膨脹后壁厚以及橡膠密封環(huán)壓縮后厚度。由于壁厚不均勻度和管子不圓度等因素影響，膨脹管補(bǔ)貼后其內(nèi)徑難以用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，所以，本文采用實(shí)物試驗(yàn)方法對(duì)膨脹管的膨脹性能進(jìn)行評(píng)估。1.1液壓缸中心桿、壓閥、管錨定器及管口短節(jié)膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)工具管串結(jié)構(gòu)如圖1所示。管串由下而上分別是：泄壓閥、多級(jí)液壓缸、脹頭、連接桿、膨脹管、油管錨定器、?73mm加厚油管及井口短節(jié)。連接桿一般為油管，與液壓缸中心桿相連接。膨脹管中間通過(guò)連接桿，且膨脹管坐于多級(jí)液壓缸上面的脹頭錐面上1.2液壓缸組合控制原理地面開泵加壓，整個(gè)脹管過(guò)程開始，利用多級(jí)液壓缸的中心桿加壓時(shí)產(chǎn)生的拉力，帶動(dòng)脹頭和多級(jí)液壓缸向上運(yùn)動(dòng)，對(duì)膨脹管產(chǎn)生向上推力。由于油管錨定器固定于膨脹管上端口，并與中心桿產(chǎn)生向下鎖緊作用，限制膨脹管向上移動(dòng)，進(jìn)而在脹頭和油管錨定器之間對(duì)膨脹管形成對(duì)擠效應(yīng)。隨著壓力不斷升高，脹頭上行力加大，由于脹頭錐面對(duì)膨脹管的擴(kuò)張作用，脹頭將膨脹管脹開，并緊貼于套管內(nèi)壁之上。當(dāng)液壓缸帶動(dòng)脹頭上行脹管一定距離后，觸動(dòng)液壓缸底部泄壓閥泄壓，完成第一個(gè)行程。隨后停泵，上提管柱，油管錨定器器解鎖，多級(jí)液壓缸中心桿再次拉出一個(gè)行程距離。繼續(xù)加壓脹管，完成多級(jí)液壓缸的第二次行程。這樣反復(fù)多次，直至完成全部膨脹管的脹管過(guò)程。具體施工步驟如圖2所示。1.3技術(shù)特點(diǎn)1.3.1膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)利用外置液壓缸作為動(dòng)力推動(dòng)脹頭脹管，整個(gè)脹管過(guò)程中，膨脹管本身不承受高壓液體，改變了將膨脹管本體作為膨脹液壓缸體的脹管原理。由于脹頭外置，脹頭外徑尺寸得到放大。加上膨脹管本身不承壓，則在保證強(qiáng)度和補(bǔ)貼密封壓力的條件下，膨脹管管壁進(jìn)一步減薄，從而達(dá)到膨脹管補(bǔ)貼后通徑最大化的目的膨脹管補(bǔ)貼主要技術(shù)參數(shù)：?124.3mm套管補(bǔ)貼后內(nèi)徑范圍為113.0～116.0mm;?121.4mm內(nèi)徑套管補(bǔ)貼后內(nèi)徑范圍為109.0～112.0mm;脹后抗內(nèi)壓大于30MPa,抗外擠大于15MPa,膨脹錨定力大于500kN,最高工作溫度120℃。1.3.2施工壓力低膨脹管膨脹時(shí)，多級(jí)液壓缸的作用力首先作用于脹頭，由脹頭錐面擠壓膨脹管實(shí)現(xiàn)金屬塑性變形1.3.3工藝簡(jiǎn)單膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)可一趟管柱完成整個(gè)工藝過(guò)程2試驗(yàn)研究及試驗(yàn)分析通過(guò)對(duì)膨脹管管材進(jìn)行調(diào)研選用表1中的4種膨脹管補(bǔ)貼管材進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，獲得了基礎(chǔ)力學(xué)性能參數(shù)，見(jiàn)表2。根據(jù)材料伸長(zhǎng)率和屈強(qiáng)比，4種材料均可滿足膨脹管膨脹要求?？紤]成本與工藝成熟度，選擇20G、316L兩種管材開展大通徑膨脹管試驗(yàn)評(píng)價(jià)表3為20G管材不同膨脹率脹后基礎(chǔ)力學(xué)性能參數(shù)。其中原始管規(guī)格為?114.0mm×4.0mm。由表3可以看出，20G脹后力學(xué)性能超過(guò)J55水平，且可以達(dá)到膨脹率≥15%要求。因此，選擇20G管材開展了不同膨脹率下管材脹形試驗(yàn)，以及脹后管材力學(xué)性能試驗(yàn)分析。試驗(yàn)樣管及試驗(yàn)裝置如圖3～圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：整根膨脹管脹形后懸掛力超過(guò)600kN,單個(gè)橡膠圈懸掛力可達(dá)到40kN以上，?114.0mm×4.0mm規(guī)格20G膨脹管抗外擠強(qiáng)度為25MPa,抗內(nèi)壓能力超過(guò)60MPa,可以滿足套管補(bǔ)貼現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。3膨脹管試驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證膨脹管膨脹后的密封性能，選取?114.2mm×5.0mm膨脹管與?113.0mm脹頭進(jìn)行套管補(bǔ)貼室內(nèi)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)先進(jìn)行膨脹試驗(yàn)，再進(jìn)行懸掛力測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置示意圖及實(shí)物圖分別如圖7和圖8所示。脹頭與液壓缸實(shí)物如圖9所示。膨脹試驗(yàn)過(guò)程中，將長(zhǎng)度為465.0mm的?140.0mm×7.5mm套管短節(jié)固定于試驗(yàn)槽中，膨脹管穿過(guò)試驗(yàn)套管短節(jié)。將中心桿穿過(guò)膨脹管與脹頭，并與液壓缸中心桿相連，使膨脹管坐于脹頭上。中心桿通過(guò)高壓膠管與試壓泵連接。膨脹試驗(yàn)過(guò)程中，脹頭啟動(dòng)壓力14MPa,膨脹管膨脹壓力穩(wěn)定在14～18MPa,脹頭行走平穩(wěn)，膨脹壓力不高，膨脹過(guò)程順利。膨脹后膨脹管與套管端面如圖10所示。膨脹管不同部位在脹后形成了不同的內(nèi)徑。在膨脹管初始膨脹端發(fā)生了明顯的縮頸現(xiàn)象，出現(xiàn)了縮口。經(jīng)測(cè)量，膨脹管初始膨脹端內(nèi)徑113.5mm,膨脹擴(kuò)大率9.04%。在膠筒段內(nèi)徑為113.4mm,膨脹擴(kuò)大率8.94%,說(shuō)明因?yàn)樘坠芘c膨脹管之間膠筒的存在，一定程度上阻礙了膨脹管的膨脹。在無(wú)膠筒段內(nèi)徑為114.2mm,膨脹擴(kuò)大率9.63%。膨脹管脹后懸掛能力是一個(gè)重要參數(shù)，大通徑膨脹管技術(shù)采用丁腈橡膠實(shí)現(xiàn)膨脹管與套管之間的錨定密封。膨脹完成后，進(jìn)行膨脹管懸掛力測(cè)試試驗(yàn)。利用拉拔試驗(yàn)機(jī)固定套管，對(duì)膨脹管進(jìn)行單向拉拔以便測(cè)試膨脹管與套管之間的錨定力。試驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹管與套管之間能夠承受500kN拉力而不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。4多級(jí)增力工具配套采用?139.7mm套管多級(jí)增力冷拔膨脹成形工藝，優(yōu)選高強(qiáng)度、低成本薄壁碳素鋼，形成大通徑膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)。與國(guó)內(nèi)厚壁膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)相比，該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①膨脹管在膨脹施工前不用在端部擴(kuò)孔預(yù)制壓力腔；②由于采用的管材壁厚變薄，同時(shí)采用多級(jí)液壓缸增力脹管工藝，施工壓力可下降10MPa以上，所以提高了施工的地面安全性；③多級(jí)液壓增力工具配套了多級(jí)膨脹頭(見(jiàn)圖2),第一級(jí)脹頭對(duì)管材實(shí)施膨脹后，隨著施工管柱上行其余膨脹頭對(duì)已脹開的部分有多次定徑和保徑的作用，確保了膨脹完成后的膨脹段內(nèi)通徑。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，與國(guó)內(nèi)厚壁膨脹管補(bǔ)貼相比，采用新技術(shù)后管材壁厚由6.0mm以上降到了4.0mm,脹后通徑由108.0mm以下提高到115.0mm以上，脹后密封性能由20MPa提高到60MPa,脹后最大抗外擠強(qiáng)度由15MPa提高到23MPa。脹后最大抗內(nèi)壓雖有所下降，即由45MPa下降到33MPa,但完全滿足大港油田大多數(shù)注水井耐壓要求。與國(guó)內(nèi)?140.0mm裸眼膨脹管應(yīng)急封堵管材相比，使用的管材壁厚均為8.0mm以上，脹后內(nèi)徑由133.0mm以下提高到135.0mm以上，脹后最大抗內(nèi)壓強(qiáng)度由45MPa提高到49MPa,脹后最大抗外擠強(qiáng)度由28MPa提高到41MPa。此外，與國(guó)內(nèi)同類技術(shù)相比，研發(fā)的膨脹管螺紋脹后最大密封壓力由45MPa提高到52MPa,脹后最大抗拉能力由534kN提高到600kN。5現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況在完成室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，膨脹管大通徑補(bǔ)貼技術(shù)在大港油田板904-11、港259、聯(lián)淺3-6以及家47-7等多口井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。下面以家47-7井為例對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行介紹和分析。家47-7井最大井斜6.5°×1800m,油層套管為N80鋼級(jí)的?139.7mm管材，壁厚7.7mm,套管原始內(nèi)徑124.3mm。經(jīng)雙封隔器找漏結(jié)合40臂井徑測(cè)井，確定油層套管漏點(diǎn)深度為270.81～272.89m。5.1膨脹管制作補(bǔ)貼270.81～272.89m處漏點(diǎn)，采用?114.0mm×4.0mm大通徑膨脹管，數(shù)量1根，長(zhǎng)度9.1m,膨脹管壁厚4.0mm,采用?114.0mm脹頭。補(bǔ)貼段膨脹管上點(diǎn)深度266.8m,下點(diǎn)深度275.9m。膨脹管結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4。5.2施工步驟(1)m油管柱下入井將?119.0mm通井規(guī)+?73.0mm油管柱下至160m,下入過(guò)程無(wú)卡阻，在116～135m井段反復(fù)上提、下放亦無(wú)卡阻，井筒具備大通徑補(bǔ)貼條件，起出通井管柱。(2)彈簧式刮削器+33.0mm油管柱內(nèi)固定井筒mm彈簧式刮削器刮削。下入?139.7mm彈簧式刮削器+?73.0mm油管柱對(duì)井筒進(jìn)行刮削，并對(duì)260～280m井段反復(fù)刮削并大排量洗井，直至進(jìn)出口液性一致，起出刮削管柱。(3)通井管柱內(nèi)通井管柱布置將?123.0mm變徑通徑規(guī)+?73.0mm油管柱下至280m,開泵加壓8～10MPa,在設(shè)計(jì)補(bǔ)貼段內(nèi)反復(fù)上提、下放無(wú)卡阻顯示，補(bǔ)貼井段具備大通徑補(bǔ)貼條件，起出通井管柱。(4)補(bǔ)貼管柱試壓下絲堵+?73.0mm加厚油管柱280m(含7m短節(jié)),正加壓45MPa,穩(wěn)壓15min壓力不降，試壓合格，滿足膨脹管補(bǔ)貼壓力要求，起出試壓管柱。(5)膨脹錐系統(tǒng)膨脹管柱結(jié)構(gòu)：增壓總成(五級(jí)液壓缸)+膨脹管+?73.0mm加厚油管。入井過(guò)程：①地面連接增壓總成，裝入?114.0mm膨脹錐，用大鉤吊起坐入井口；②在油管上預(yù)裝錨定器后穿入膨脹管，用專用卡子卡好，再用大鉤吊起與膨脹工具對(duì)接，最后調(diào)整膨脹管至設(shè)定位置，將錨定器固定鎖緊。膨脹管柱井口連接完畢，用大鉤吊起膨脹管柱入井。膨脹管下入位置：上點(diǎn)119.5m,下點(diǎn)127.5m,膨脹管長(zhǎng)度8m。(6)單次加壓泄壓①調(diào)試水泥車，油管連接加壓接頭，高壓管線；②啟泵升壓至10MPa有坐封顯示，至30MPa停泵泄壓，打開泄壓閥門，上提管柱670mm(一個(gè)行程),泄壓閥返水正常，啟泵繼續(xù)加壓25～30MPa,反復(fù)加壓上提14次至壓力瞬間回落至0,脹頭出膨脹管，全部膨脹行程結(jié)束；③工具起出地面，增壓總成無(wú)異常，?114.0mm膨脹錐無(wú)異常。(7)補(bǔ)貼后，壓力會(huì)減輕井筒整體試壓15MPa,穩(wěn)壓30min壓降不變，試壓合格，起出試壓管柱。5.3膨脹管補(bǔ)貼達(dá)到壓力和壓力確定家47-7井膨脹管補(bǔ)貼前因套漏關(guān)井，膨脹管補(bǔ)貼后不再套漏，正常注水壓力23.1MPa,膨脹管補(bǔ)貼達(dá)到封堵套管漏點(diǎn)的預(yù)期效果。自2020年9月至2021年4月，該井已實(shí)現(xiàn)有效注水0.54×106膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)(1)通過(guò)評(píng)價(jià)114.0mm×4.0mm規(guī)格20G膨脹管的膨脹性能，獲取驅(qū)動(dòng)力等膨脹過(guò)程參數(shù)，并開展膨脹管抗外擠和抗內(nèi)壓試驗(yàn)，得到了膨脹管膨脹后材料力學(xué)性能的變化規(guī)律。(2