膨胀管补贴修复注水井错断技术研究与应用

张 毅，任勇强，邢海军，卫 国，米 瑞，刘爱国

(中国石油集团渤海钻探井下作业分公司，河北任丘 062552)

美国的壳牌公司首先于1991年提出了膨胀管技术的概念，当时该技术仅作为对套损处理的特殊应急手段而出现。但随着近年来措施井、大斜度井以及深井、超深井的日益普遍，膨胀管技术已从原来的应急手段转变为油气井修井的常规解决方案。在膨胀管技术应用方面，Enventure、Hawkenergy 等几家公司最具代表性、处于领先地位。其中，Enventure 公司最新的高温膨胀管套管补贴系统用于修复损坏套管，特别是针对高温井的套损段或射孔段，系统适应最高温度可达270℃，目前可用单根进行补贴作业。Hawkenergy公司研制的膨胀管金属对套管膨胀尾管悬挂系统，已成功应用于美国页岩气压裂作业中去。国内对膨胀管技术的研究起步较晚，在国外的理论和设想已基本成型之后，才开始逐渐进行研究和探索。直到2004年，我国才开始对膨胀管技术进行具有规模性的研究和工程实验探索。2006 年底，膨胀管技术更是被国家科委确定为863 项目，之后由中国石化带头，联合十多个高校以及科研单位，包括胜利油田钻井院、中国石油大学等机构，对该课题进行深入探究，步步攻关。

经济不断发展，我国石油开采程度逐渐加深，油田注水的启动压力也不断提高，再加之地质、工程等因素，使得注水套管出现了套漏、变形严重甚至断错等问题，并且这些问题也在呈现逐渐增多的趋势。而在套管损坏严重甚至错断的情况下，会使原有的通道消失，严重影响油水井的正常生产，甚至报废停井，此时油田的注采井网完善会受到极大程度影响，导致开发效果大打折扣，同时极大程度上提高作业成本。采用膨胀管技术进行错断井修复是近年来提出的新思路，目前已在各油田有所应用。

1 注水井错断原因分析

1.1 地层因素

地层因素主要包含构造应力因素、注水后引起的地应力变化因素、层间滑动因素、蠕变因素、腐蚀因素等等。

1.1.1 盐膏层的蠕变流动和溶解后的坍塌

盐膏层在一定条件下会发生溶解、蠕变、滑移或塑性流动，对套管产生相当大的外挤载荷，致使套管扁、弯曲、变形甚至错断。统计结果表明，盐层段发生套损的比例随盐层倾角和厚度增大而增大。

1.1.2 泥页岩的膨胀与蠕变

泥页岩是一种不稳定岩类，在遇水情况下易引起膨胀，在高温高压条件下产生蠕变，对套管产生横向和纵向载荷作用及非均匀的围岩蠕变外压，使套管在弯曲、拉伸和非均匀挤压等多种复杂载荷作用下而损坏。

1.1.3 断层运移

由于注入水和压裂液侵入断层，起到润滑作用，破坏了断层相对静止状态，使断层上下盘产生滑移，从而对穿越断层的套管造成剪切破坏。

1.1.4 套管腐蚀

在注水之后，还可能造成套管部位的腐蚀。因为，套管受到注水的不断冲刷和腐蚀，这样套管则会变得越来越薄，达到降低了强度。还会受到地应力的作用，进而出现的变形或者漏失，严重情况可能造成套管错断。

1.2 工程原因

工程因素主要包括井眼的质量、管体质量、套管层次、壁厚组合、管材选取以及起关键性影响作用的固井质量高低，此外，还有注水井后续注水、压裂等作业也会损坏套管。

1.2.1 套管设计不合理

常规套管设计中，只注意了满足套管串上部的抗拉应力和下部的抗挤强度的需要，将高强度套管用于两头，把低强度套管用于中间段。而油气井的盐膏层、断层大多数都集中在这一井段(2100～2800m)，因此套损也多发生在该井段。

1.2.2 固井质量差

由于套管水泥环胶结质量差，不连续，使套管承受非均匀载荷而损坏。

1.2.3 套管质量差因套管本体厚度不均、接箍有裂纹、螺纹加工精度低等质量问题，引起井下套管断裂、脱扣等。

1.2.4 射孔作业不当

射孔时瞬间爆炸产生的冲击波必然会使套管受到一定程度的伤害。随着射孔弹药量的增加、射孔密度加大、射孔弹不合理的排列和误射等，加剧了对套管的伤害程度。

1.2.5 注水、压裂作业的影响

在注水、压裂作业过程中，注入地层的水或压裂液有时会侵入到盐膏层、断层、泥页岩层段，引起地层的蠕变、流动、滑移和膨胀，导致套管的损坏。另外在注水、压裂施工过程中措施不当(如排量过大、压力过高、封隔器坐封压力不对或不使用封隔器)也增加了套管损坏的几率。

2 膨胀管修复错断井技术

通常而言，取套换套工艺技术是修复错断井的一种常用工艺，但该类工艺通常需要配备专用的套铣工作液、专用的套磨铣工具、套管切割工具及套管补接工具，套管切割和回接之前往往需要先套铣掉井筒附近用于固井的深达百余米的水泥环，施工工序多、施工周期长、作业费用较高，难以经济有效地实现套损井修复。

相比于常规套损井修复方式，膨胀管技术具有通径损失小、作业成本低等优点，但常规膨胀管补贴技术因缺乏有效的导引手段，导致膨胀管装置难以有效下入错断井段并实施补贴作业，制约了其在错断井修复领域的推广应用。针对错断井难以经济有效修复的技术难题，本文提出了带示踪管柱的底堵可捞式膨胀管补贴装置。

2.1 结构

如图1所示，带示踪管柱的可捞底堵式膨胀管的结构主要包括可捞底堵式膨胀管系统和投球式示踪管柱两大部分，其中可捞底堵式膨胀管系统部分主要由膨胀管、悬挂密封带、扶正短节、膨胀锥、胀锥腔、引鞋、可捞式底堵等部分组成；投球式示踪管柱部分主要包括尾管、接箍、导锥等，导锥的底端为锥型结构且内部加工有球座。为便于补贴后后续完井工具的起下、有效避免挂卡，膨胀管本体的上部和引鞋部位均专门加工有倒角。

2.2 工作原理

对错断井筒进行开窗或整形处理后，用钻杆或油管等伴送管柱将带示踪管柱的可捞底堵式膨胀管装置送至施工井段，投入钢球并入座，封闭整个膨胀管系统下部；向伴送管柱内打入高压液体，当达到膨胀管变形压力后，在高压液体推动下，膨胀锥上行促使其上部膨胀管管体变形，并将硫化于膨胀管本体上的密封带挤压在膨胀管和套管之间，达到密封和悬挂的作用，之后膨胀锥连续向上膨胀，直至完成整个膨胀流程。完成膨胀后，起出伴送管柱和膨胀锥，采用伴送管柱下入滑块捞矛，将底堵及示踪管柱捞出，完成打捞。最后，利用伴送管柱下入长锥面铣锥至支撑台阶，对其进行磨铣修整，完成如图2的全部工艺流程。

2.3 技术优势

该膨胀管系统是在传统膨胀管补贴系统的基础上进行了优化改进，增加了示踪管柱，并配备了专用的可捞式底堵。为了便于装配，将胀锥腔设计加工为上胀锥腔和引鞋（内部加工有用于安放可捞底堵的支撑台阶）两个组成部分，二者之间可通过特种焊接连为一体。示踪管柱连接在可捞底堵的下部，主要由尾管和导锥组成，二者之间通过接箍相连，导锥上加工有球座，经投球落位后可憋压，为上部膨胀管系统启动提供动力。该可捞式底堵与示踪管柱组合还具备易于打捞的特点，在补贴完毕后可利用滑块捞矛将其捞出，并采用常规钻具将支撑台阶磨铣掉、恢复通径，达到缩短施工周期、节约作业成本的目的。

3 应用案例

文119-21 井是冀中坳陷文119 断块的一口注水井，完钻井深1900.00m，油层套管为钢级N80、壁厚7.72mm 的5-1/2″套管。该井2016 年6 月由进行40 臂井径测试，发现套管在172～185m 处严重变形。修井时取换套管至185.22m 后，新下入的套管与原套管在185.22m处对接不上，难以进行常规回接作业。在切割并取出错断井段的变形套管之后，设计了带示踪管柱的可捞底堵式膨胀管补贴回接技术进行回接和修复。

3.1 膨胀管补贴修复套管错断井段施工工序

（1）井筒灌注：井筒灌注清水压井稳定后，装好井口井控装置。

（2）扩铣：下长锥面铣锥修整断口和清洗井壁，洗井至进出口液性一致。

（3）通井：下通径规判断断口距离。

（4）组下膨胀管：管柱结构：膨胀管一体化发射装置+外加厚钻杆至井口。

（5）液压膨胀管补贴：膨胀管下入深度确定无误后，用清水正洗井，确定井下循环通道正常。从油管内投钢球一枚，打压—注意观察泵压，泵压急剧上升，油管自动上行表示补贴启动。补贴完成后下放原管柱，小心触探膨胀管深度，遇阻深度即为膨胀管的顶部。

（6）处理底堵：滑块捞矛打捞捞出底堵。

（7）扩铣管口：下长锥面铣锥开泵循环磨铣。

（8）通井：下通径规通井。

（9）按照建设方设计要求，恢复井口，下泵完井，恢复生产。

3.2 应用效果

经现场应用验证，带示踪管柱的可捞底堵式膨胀管系统具有工具性能可靠、操作简单等特点。与常规取换套作业相比，该技术的施工费用不及常规取换套作业的1/10，同时可节省施工时间20d。原内径为124mm错断段套管的通径达到了106mm以上，保证了后续施工和采油的工艺需求，实现了错断井的经济高效修复。

4 优势及认识

采用带示踪功能的可捞底堵式膨胀管进行注水井错断修复具有以下优势及认识：

（1）下入性好。相比于常规膨胀管补贴技术，该膨胀管装置增加了专用的示踪管柱、并在示踪管柱上配备了相应的导锥，通过导锥和示踪管柱相结合，克服了常规膨胀管补贴装备在结构上的不足；

（2）施工效率高。与常规取换套作业相比，该技术无需配备专用的套铣工作液、专用的套磨铣工具、套管切割工具及套管补接工具，无需套铣掉井筒附近用于固井的水泥环，也无需对补贴段套管进行切割，其施工费用不及常规取换套作业的1/10，同时可节省大量的施工时间；

（3）修复通径较大。因采用可膨胀管材设计，针对内径为121.36、124.26mm 的待补贴套管，膨胀管可以采用外径为114mm、壁厚为6.3～7mm 的高性能钢管，并针对不同规格的膨胀管配套相应规格的膨胀锥、保证膨胀管的膨胀率在10%～15%，膨胀后膨胀管的壁厚比常规膨胀管更小，与套管结合更紧密，可以有效减少原套管的内径损失，经补贴修复后，套管的通径可达105～109mm；

（4）经现场应用证明，解决了注水井修复过程中的技术难题，开发的工具和工艺，均能够满足现场施工要求，在提高工作效率以及增加作业手段、有效指导现场施工作业等方面有着十分重要的意义，具有良好的推广应用前景。