用于撓性油管上的可膨脹套管補(bǔ)貼技術(shù)

王崇德

【摘 要】文中詳細(xì)介紹了配置在撓性管（CT）上可膨脹金屬套管內(nèi)部補(bǔ)貼技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。在7-in的套管中，應(yīng)用套管內(nèi)部補(bǔ)貼技術(shù)延長(zhǎng)了油井的壽命，減少了修井次數(shù)?？膳蛎浗饘偬坠苎a(bǔ)貼技術(shù)可應(yīng)用于各種情況下的套管的局部修補(bǔ)（如堵水、補(bǔ)漏及腐蝕管線的補(bǔ)貼），這種補(bǔ)貼縮徑最小，可保證未來(lái)修井通道暢通，對(duì)油田生產(chǎn)或注水的影響也最小。

【關(guān)鍵詞】液壓系統(tǒng)；可膨脹金屬；套管；補(bǔ)貼；測(cè)試

2005年年初，由Read Well修井公司研制成功了一種液壓式可膨脹鋼補(bǔ)片。為了進(jìn)行膨脹補(bǔ)貼，還研制了送入工具及相關(guān)的井下和地面液壓設(shè)備，以及CT接頭。送入工具可安裝在CT或鉆桿上，補(bǔ)片是金屬對(duì)金屬的密封（對(duì)于腐蝕嚴(yán)重的管線可選擇彈性密封），可降低套管破裂及擠毀率。

1.系統(tǒng)組成

1.1補(bǔ)貼管配置及膨脹工具

膨脹工具是一個(gè)高壓液壓式雙密封膨脹設(shè)備。通過(guò)對(duì)2個(gè)橡膠密封（被10～46ft的加長(zhǎng)心軸隔離）加壓，以便在2個(gè)密封之間泵送高壓流體。壓力加大，用約5，0001b/in2液壓膨脹補(bǔ)貼，開(kāi)始是彈性膨脹然后是塑性膨脹?？刂泼芊鈮毫Υ_保在與外部油/套管完全接觸之前保持密封。當(dāng)壓力繼續(xù)增加時(shí)，外部的套管彈性運(yùn)動(dòng)直至壓力達(dá)到整形器預(yù)定的壓力。隨后，壓力開(kāi)始大幅度地下降，密封撤銷(xiāo)，回位循環(huán)的壓力是1，5001b/in2。密封設(shè)計(jì)包括：聚合體密封元件及反推鋼鐵指針，額定操作壓力是 25，000-1b/in2。

1.2井下液壓系統(tǒng)

該技術(shù)的首要條件是撓性管承壓不大于4，0001b/in2。為了達(dá)到10，000～17，000-1b/in2的整形壓力， 研制出了井下增壓器，安裝在井下液壓系統(tǒng)中。增壓器安裝在CT底部鉆具組合（BHA）的適配器下，與安裝在液壓部件的底部的應(yīng)變剪切丟手裝置相連接。設(shè)計(jì)了內(nèi)外打撈靠模，使該工具在井中應(yīng)該成為桿狀，易于打撈。

1.3增壓器

增壓器是一個(gè)7：1的活塞型液壓增壓器。對(duì)于任意入口壓力，增壓器工作后都能提供一個(gè)低的出口壓力，該出口壓力最終在井下安全條件下，產(chǎn)生高的管子整形壓力。增壓器入口安裝2個(gè)流體過(guò)濾器以凈化進(jìn)入增壓器的液體。

1.4控制閥系統(tǒng)

控制閥是用來(lái)控制井下操作的先后順序，包括一個(gè)可調(diào)整的差異壓力閥和減壓閥，差異壓力閥在2個(gè)密封之間、主要補(bǔ)貼套管段內(nèi)， 減壓閥是確保整形壓力不超標(biāo)。閥塞耐壓也大于回位壓力，回位壓力促進(jìn)工具關(guān)閉，該壓力低于1，5001b/in2。

1.5井下壓力記錄系統(tǒng)

井下壓力記錄系統(tǒng)安裝在工具的液壓部件內(nèi)，該系統(tǒng)有2種存儲(chǔ)模式——記憶模式或地面讀出模式，用于記錄工具內(nèi)幾個(gè)關(guān)鍵壓力數(shù)據(jù)，為地面監(jiān)測(cè)服務(wù)。

1.6膨脹補(bǔ)貼

結(jié)合有限元分析（FEA）計(jì)算數(shù)據(jù)與補(bǔ)貼研制試驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出最終的補(bǔ)貼設(shè)計(jì)，模型和計(jì)算表明，為了獲得牢固的相互連接，所使用的內(nèi)部材料必須是柔軟的塑膠材料，而且在膨脹過(guò)程中機(jī)械硬度應(yīng)最小；外部材料應(yīng)使用彈性范圍內(nèi)的堅(jiān)固材料。內(nèi)部材料的選擇范圍窄，選擇較柔軟的316#不銹鋼，這種鋼具有一定的延展性，在達(dá)到極限抗拉應(yīng)力前膨脹幅度為40%，當(dāng)達(dá)到其極限膨脹幅度70%～80%時(shí)出現(xiàn)故障。這一膨脹屬性完全能夠?qū)崿F(xiàn)15%的管徑膨脹， 而且對(duì)破裂/擠毀及磨損有較好的抵抗力。這種材料可在要求范圍內(nèi)提供一個(gè)安全的柔軟膨脹補(bǔ)貼。雖然在此過(guò)程中其拉緊變硬。柔軟性有益于在超重時(shí)，不銹鋼拉緊變硬導(dǎo)致界面壓力下降。316#不銹鋼材料在長(zhǎng)度、直徑及厚度要求上是可以利用的。

膨脹工具的補(bǔ)貼附加裝置不僅要承受在油井中的補(bǔ)貼工具的載荷，而且還要承受補(bǔ)貼膨脹過(guò)程中產(chǎn)生巨大的收縮力。對(duì)補(bǔ)貼工具/膨脹工具以及在補(bǔ)貼管和膨脹工具上的 “剪切丟手”銷(xiāo)以及相匹配的主要剖面設(shè)備來(lái)講，補(bǔ)貼管設(shè)計(jì)是安全的。

1.7地面液壓及記錄系統(tǒng)

地面設(shè)備及壓力傳遞是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的氮驅(qū)液壓泵，用清水罐代替液壓油箱。液壓泵將液壓傳遞到CT或鉆桿上，依次進(jìn)入井下增壓器的入口處。泵需要傳遞的壓力是井口壓力的總和，也就是最終整形壓力的1/7。

地面數(shù)據(jù)記錄通過(guò)II區(qū)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)記錄器記錄并顯示整個(gè)膨脹施工過(guò)程中地面壓力、流量及泵入量隨時(shí)間的變化。

2.操作程序編制

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的有效性，項(xiàng)目研制過(guò)程中，進(jìn)行了8次補(bǔ)貼整形試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，針對(duì)不同補(bǔ)貼長(zhǎng)度（10英尺、26英尺及46英尺），系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是成功的。在早期的幾次試驗(yàn)中，補(bǔ)貼管收縮量超過(guò)了預(yù)期值，補(bǔ)貼管的收縮力較大，上部機(jī)械安全裝置被剪斷。在隨后的研制過(guò)程中，注意解決這些問(wèn)題，對(duì)收縮參數(shù)加深理解，完全重新設(shè)計(jì)了補(bǔ)貼安全裝置。隨后試驗(yàn)補(bǔ)貼都順利完成，經(jīng)整形后可膨脹金屬完成進(jìn)入外部套管，完成了耐壓密封補(bǔ)貼，試驗(yàn)壓力達(dá)5，0001b/in2。

現(xiàn)場(chǎng)引進(jìn)該系統(tǒng)需注意的事項(xiàng)包括：檢驗(yàn)所有的壓力設(shè)備，制定操作程序手冊(cè)，對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，以便安全、有效地操作補(bǔ)貼工藝。首先起草操作手冊(cè)，在經(jīng)過(guò)各種試驗(yàn)驗(yàn)證、操作過(guò)程優(yōu)化之后，再修改完善操作手冊(cè)。同時(shí)隨著操作程序，尤其是與安全相關(guān)的程序變化，操作手冊(cè)就得改進(jìn)，為確?，F(xiàn)場(chǎng)人員學(xué)會(huì)操作過(guò)程，并增加對(duì)所有操作和維護(hù)要求的認(rèn)識(shí)，清楚地認(rèn)識(shí)到高壓液壓系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是任何一項(xiàng)新服務(wù)的首選任務(wù)。

3.測(cè)試

膨脹金屬套管補(bǔ)貼技術(shù)應(yīng)用于海上作業(yè)之前，先在陸上油井進(jìn)行的整個(gè)測(cè)試工作。模擬海上作業(yè)遇到的種種問(wèn)題，改善操作方法， 在一口真實(shí)油井中測(cè)試了整個(gè)補(bǔ)貼系統(tǒng)的性能。

在試驗(yàn)井采用了外徑2-in、長(zhǎng)8，500-ft的CT補(bǔ)貼工具，試驗(yàn)井的套管長(zhǎng)2，426ft、內(nèi)徑7in.重量29lbm/ft，補(bǔ)貼管加載在膨脹工具的上面，膨脹工具已安裝到CT的井底鉆具組合處，放入井中，為了模擬海上作業(yè)，井內(nèi)加壓到1，700 1b/in2，井斜角92.4° 、狗腿度12°/100-ft、長(zhǎng)46-ft的補(bǔ)貼段（工具長(zhǎng)64-ft，全部井底鉆具組合長(zhǎng)73-ft）成功地下到預(yù)測(cè)井深，然后起鉆到規(guī)定井深。

通過(guò)CT泵送一個(gè)球閥以改變液流方向：從循環(huán)流倒流向膨脹工具。地面泵連接到CT，在地面加壓以使井下工具密封，一旦密封壓力達(dá)2，0001b/in2，在2個(gè)密封間的補(bǔ)貼管自動(dòng)膨脹，在膨脹的過(guò)程中，差異壓力閥保持該壓力。最終套管整形壓力被選定到15，0001b/in2（密封處壓力達(dá)17，0001b/in2），據(jù)鉆后存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)顯示，最終壓力是在2h30min后才達(dá)到的。因?yàn)楸玫男阅懿?，為確保達(dá)到最終整形壓力，決定將泵的工作時(shí)間延長(zhǎng)50min，此時(shí)，地面顯示泵壓提高600-1b/in2，這一現(xiàn)象在鉆后最終整形壓力和減壓閥的數(shù)據(jù)中也得到證實(shí)，整形完畢，CT壓力降低，反循環(huán)啟動(dòng)。一旦密封取消，工具從補(bǔ)貼管取出，與CT一同起出到地面，工具從BHA中分離出并從井中取出，從井下存儲(chǔ)器中下載數(shù)據(jù)，得到最終密封壓力及整形壓力。膨脹后要求用MFC測(cè)量套管整形結(jié)果及補(bǔ)貼后套管內(nèi)剖面狀況。 [科]