膨脹管套管補貼技術(shù)在煤層氣水平井中的應(yīng)用

李廣生，王朝鳳

（1.河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司，鄭州 450000；2.河南省瓦斯治理研究院有限公司，鄭州 450000）

近年來，隨著越來越多煤層氣區(qū)塊的規(guī)模化、商業(yè)化開發(fā)，煤層氣水平井利用其自身的優(yōu)勢也得到了廣泛的應(yīng)用。同時，因井下套管腐蝕、井下工具損壞及套管質(zhì)量等因素，煤層氣水平井在應(yīng)用過程中也會伴隨著套管破損、內(nèi)漏、穿孔等一系列的套損問題，急需進行修復(fù)補貼，投入生產(chǎn)。由于水平井井身結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)的常規(guī)套管修復(fù)技術(shù)已經(jīng)不再適應(yīng)水平井的套管補貼修復(fù)。目前，現(xiàn)場常用的基于不同修復(fù)目的的水平井套管補貼加固工藝多見于油田開發(fā)過程中，而在煤層氣勘探開發(fā)過程中鮮有報道。本文以貴州新田煤礦煤層氣水平井XT01-H1為對象，通過水平段套管破損的原因分析，開展膨脹管補貼工藝技術(shù)在煤層氣水平井中的可行性分析，以期為同類型煤層氣水平井套損處理提供實踐指導(dǎo)。

1 膨脹管套管補貼技術(shù)工作原理

膨脹管（補貼管）是由具有特殊性質(zhì)的材料制成的金屬鋼管，具有較低屈服、快速硬化、較高強度及良好塑性等特點，通過油管串送入井內(nèi)后，借助機械或者液壓的方式在徑向上膨脹率可以達到10%~30%左右，可以適應(yīng)各種工藝的需求。針對不同井的狀況，快速膨脹變形硬化后的機械性能相當于API J55 鋼級套管的機械性能，一定條件下甚至能超過API N80 鋼級套管。依據(jù)優(yōu)選的膨脹管（補貼管）管材及膨脹率的控制，通過對膨脹管（補貼管）加壓膨脹，提高其強度指標，降低其塑性指標，從而滿足不同類型套管套損修復(fù)加固的機械性能指標要求。

膨脹管（補貼管）補貼系統(tǒng)主要由膨脹管（補貼管）、膨脹器、底部單流閥、定位套和送入鉆具串等組成。通過將其連接在井下管柱上，精準下入到井內(nèi)需要修補的套管深度位置，在地面通過泵車注入高壓液體加壓，使膨脹器將膨脹管（補貼管）膨脹，與需填補的套管緊密貼合，達到徑向膨脹的目的。在膨脹管（補貼管）兩端各有一組特殊材質(zhì)的密封系統(tǒng)，在膨脹管徑向膨脹的同時，將其擠壓在套管和膨脹管之間，實現(xiàn)貼合面密封，從而達到對破損套管的補貼修復(fù)目的。

2 XT01-H1 煤層氣水平井基本概況

2.1 XT01-H1 水平井基本技術(shù)參數(shù)

井名：XT01-H1 井。

地理位置：貴州省黔西縣甘棠鎮(zhèn)梨子沖村。

構(gòu)造位置：黔西向斜北西翼近軸部地帶。

井位坐標：X 為3 000 572.84 Y 為35 607 136.23。

井型：L 型水平井。

人工井底：1 205.50 m。

井身結(jié)構(gòu)說明：XT01-H1 地面L 型水平井一開采用Φ444.5 mm 三牙輪鉆頭鉆至井深54 m，下入Φ339.7 mm、壁厚9.65 mm、鋼級J55 表層套管，固井水泥返至地面；二開采用Φ311.15 mmPDC 鉆頭鉆至井深530 m，下入Φ244.5 mm、壁厚8.94 mm、鋼級J55 技術(shù)套管，固井水泥返至地面；三開采用Φ215.9 mmPDC 鉆頭鉆至井深1 230 m，下入Φ139.7 mm、壁厚7.72 mm、鋼級P110 生產(chǎn)套管，固井水泥返至地面（圖1）。

圖1 XT01-H1 水平井井身結(jié)構(gòu)及套損位置示意圖

2.2 XT01-H1 水平井套損位置及原因分析

2021 年7 月16 日—7 月30 日，XT01-H1 水平井采用泵送橋塞定向射孔分段壓裂工藝進行施工，水平井分9 段進行壓裂，下入可鉆式橋塞8 個（橋塞深度位置分別為：第1 個橋塞593 m；第2 個橋塞658 m；第3個橋塞746 m；第4 個橋塞833 m；第5 個橋塞919 m；第6 個橋塞1 000 m；第7 個橋塞1 070 m；第8 個橋塞1 150 m）。2021 年9 月5 日，放噴管理結(jié)束后，采用Φ116 mm 平底磨鞋配套螺桿進行橋塞鉆銑處理，前3個橋塞鉆銑作業(yè)施工正常。在下入鉆銑工具串進行第4 個橋塞鉆銑過程中，于井深809 m 處遇阻，平底磨鞋及配套工具串無法通過遇阻位置。后續(xù)經(jīng)過Φ116 mm平底磨鞋反復(fù)磨銑遇阻位置，以及采用Φ120 mm 銑錐反復(fù)處理遇阻位置，均未有明顯效果。后經(jīng)過鉛印印模及井下影像處理觀察（圖2、圖3），在井深808~809 m 之間，出現(xiàn)套管開窗損傷，開窗損傷長度約90 cm。出現(xiàn)套管開窗損傷的原因主要是地層起伏變化幅度較大，水平段鉆井過程中該位置狗腿度較大，下放的水平段生產(chǎn)套管空間上具有一定的弧度，導(dǎo)致平底磨鞋遇阻，遇阻位置又經(jīng)過平底磨鞋及銑錐的反復(fù)處理，造成套管開窗創(chuàng)傷，進一步造成平底磨鞋無法通過遇阻位置進行剩余橋塞的鉆銑。

圖2 鉛印印模照片

圖3 井下影像照片

3 XT01-H1 水平井套管補貼方案及效果

3.1 套管補貼方案

經(jīng)過對XT01-H1 水平井基本參數(shù)、套損深度位置及井下水平段復(fù)雜工況分析，采用傳統(tǒng)的套管補貼加固方式已不能滿足該井后續(xù)工程的施工?？紤]到后續(xù)需要順利完成剩余橋塞的鉆銑作業(yè)，建立氣液產(chǎn)出的連續(xù)井筒通道，優(yōu)選定制硬度強、延展性優(yōu)良、耐腐蝕的鎳質(zhì)膨脹管（補貼管），運用膨脹器分段膨脹技術(shù)，達到套管創(chuàng)傷部位補貼的目的。

套管補貼工具串主要由油管、油管短節(jié)、補貼管上固定接頭、膨脹器、補貼管下固定接頭、單流閥、篩管和導(dǎo)向體等組成。工藝施工具有操作方便、施工安全、密封可靠和修復(fù)后套管通徑較大等特點（圖4）。

圖4 套管補貼施工工具結(jié)構(gòu)圖

基于套損長度（約90 cm），定制1 根長度3.5 m，Φ114 mm、壁厚5 mm 的鎳質(zhì)膨脹管（補貼管）進行套管補貼修復(fù)，鎳質(zhì)膨脹管施工壓力不大于40 MPa，膨脹補貼修復(fù)后，補貼段通徑可達到118 mm，補貼段密封壓力不低于15 MPa，補貼段膨脹管機械性能可達到J55 鋼級水平。鑒于套損段遇阻不通暢，工具串底部采用Φ100 mm 導(dǎo)向體進行引領(lǐng)鎳質(zhì)膨脹管（補貼管）精準達到套管創(chuàng)傷深度位置。

3.2 套管補貼現(xiàn)場施工步驟

3.2.1 施工準備

修井機、膨脹管補貼工具及時運至現(xiàn)場。起出井內(nèi)全部的鉆塞管柱及工具。地面精確測量單根油管、鎳質(zhì)膨脹管、膨脹器、篩管、導(dǎo)向體及各類安全接頭長度，確保鎳質(zhì)膨脹管工具串精準下到套管創(chuàng)傷位置。

3.2.2 通井

施工前首先對井筒進行通井作業(yè)，下入Φ118 mm通井規(guī)+Φ73 mm 油管串，通井至套管補貼位置下20 m處（井深約829 m），檢查套管有無變形，確認套管損傷部位，確保后續(xù)補貼工具串精確下入到套管補貼位置。

3.2.3 刮削

下入Φ118 mm 刮管器+Φ73 mm 油管串進行套管刮管，刮管至套管補貼位置下20 m 處（井深約829 m），反復(fù)刮管3~5 次，刮管結(jié)束后反復(fù)進行大排量洗井2周，一方面使套管壁上的水泥殘留物、壓裂砂、毛刺等異物清除，另一方面使鎳質(zhì)膨脹管與套管壁之間進行有效密封貼合。

3.2.4 再次確認套管修復(fù)補貼位置

根據(jù)通井工具串、測井數(shù)據(jù)再次確認準確套管補貼修復(fù)深度位置，補貼作業(yè)隊和測井隊對套管補貼修復(fù)的準確深度位置和缺陷形狀進行再次確認，作為工具下入深度的依據(jù)，確保鎳質(zhì)膨脹管完全覆蓋套管創(chuàng)傷位置（井深808~809 m）。

3.2.5 模擬管驗證套損位置能否通過

下入Φ73 mm引管+Φ114 mm鋼制模擬管（長度4 m）+油管串進行模擬穿過套管損傷遇阻部位，以確保Φ114 mm 鎳質(zhì)膨脹管工具串順利穿過套管損傷遇阻部位。

3.2.6 鎳質(zhì)膨脹管工具串連接

在地面將油管、油管短節(jié)、補貼管上固定接頭、膨脹器、補貼管下固定接頭、單流閥、篩管、導(dǎo)向體、補貼合金管（鎳質(zhì)膨脹管）和剪釘?shù)纫来伟凑张帕许樌M行連接，并將各處接頭密封位置上緊，所有入井管柱（所下油管均采用合格、無腐蝕完好油管）清理干凈后，丈量準確，然后按設(shè)計圖紙下放管柱，并在絲扣連接處涂高壓密封脂按標準扭矩上緊，所有連接保證連接可靠。

3.2.7 鎳質(zhì)膨脹管工具串入井

用修井機將Φ114 mm 鎳質(zhì)膨脹管補貼工具串精確下入井下套管破損深度位置（井深808~809 m 處），確保鎳質(zhì)膨脹管中部位于套管損傷部位的中部（井深808.5 m 處），下入過程中控制下入速度，入井管柱速度不超過15 根/h，在下井過程中若遇阻不得強行下入，應(yīng)及時與設(shè)計人員協(xié)商解決；工具串下到設(shè)計位置后，安裝井口裝置，完成準備工作。

3.2.8 套管補貼

連接地面高壓管接頭和軟管，啟動泵車，通過在井口對油管柱內(nèi)部加壓，使膨脹器膠筒脹開，膨脹力使鎳質(zhì)補貼管從內(nèi)部膨脹，產(chǎn)生塑性變形，外表面緊貼套管，加上輔助密封，可實現(xiàn)對損傷套管下部的密封。

施工壓力35±0.5 MPa，到壓后保壓5 min；使鎳質(zhì)補貼管充分膨脹。

保壓5 min 之后，泵車卸壓，卸掉油管和套管內(nèi)部壓力，壓力降到0 后停止15 min，使膨脹器膠筒收縮，將工具串上提0.8 m，再次對油管加壓，加壓到35±1 MPa，到壓后保持3 min，使局部鎳質(zhì)補貼管口部脹開。

依次再膨脹2 次，使上段鎳質(zhì)補貼管全部膨脹，最上段鎳質(zhì)補貼管膨脹時，保壓5 min，使口部充分膨脹。

然后再下放3.5 m，將下段鎳質(zhì)補貼管口部脹開。

經(jīng)過5 次膨脹器施工，補貼管全部膨脹開，膨脹后的補貼管如圖5 所示。

圖5 鎳質(zhì)補貼管膨脹后示意圖

3.2.9 工具串通井

鎳質(zhì)補貼管工具串上部設(shè)計有Φ111 mm 的擋環(huán)，用擋環(huán)作為通井規(guī)通井，膨脹結(jié)束后將工具串下行進行通井，如果遇阻，則將工具串上提進行二次膨脹，之后繼續(xù)進行通井作業(yè)，直至通井規(guī)順利通過。

3.2.10 起出補貼工具串

鎳質(zhì)補貼管補貼工序完成后，用修井機提出工藝管柱，上提過程中注意觀察上提力，上提力不超過30 t，如超過設(shè)定噸位后，應(yīng)停機觀察，分析原因，采取相應(yīng)措施。

3.3 套管補貼施工應(yīng)用效果

2021 年10 月30 日—11 月8 日，依據(jù)上述套管補貼施工步驟，針對XT01-H1 水平井套管損傷部位進行鎳質(zhì)補貼管施工。利用油管串，將長3.5 m，Φ114 mm鎳質(zhì)膨脹管（補貼管）下至套管損傷部位的中部（井深808.5 m 處），啟動泵車，膨脹壓力35 MPa，先上段后下段針對鎳質(zhì)補貼管進行5 次分段膨脹，完成套管補貼修復(fù)。然后利用工具串上部Φ111 mm 的擋環(huán)作為通井規(guī)通井，井筒通暢無遇阻，起出井下管柱。

2021 年11 月9 日，采用Φ110 mm 馬蹄磨鞋+螺桿泵+油管串全部順利完成了剩余5 個可鉆橋塞的鉆銑作業(yè)，達到了預(yù)期的目的。該井后期通過下泵抽采，獲得了5 500 m3/d 的較好產(chǎn)能。

4 結(jié)論

1）膨脹管套管補貼通過液壓膨脹器脹開的方式使膨脹管達到要求尺寸，能夠快速、簡捷、高效地完成套管補貼修復(fù)，達到套損井修復(fù)的目的。

2）通過膨脹管套管補貼技術(shù)，膨脹管與原套管有效貼合密封形成復(fù)合套管，一定程度上使套管強度得到了提高，使用壽命得到延長，能很好地適應(yīng)于套損井的修復(fù)。

3）煤層氣水平井現(xiàn)場成功應(yīng)用表明，膨脹管套管補貼技術(shù)應(yīng)用于水平井套管補貼是可行的，修復(fù)后通徑較大，便于后續(xù)作業(yè)的實施，并為同類型煤層氣水平井套損問題的處理提供了一定的實踐指導(dǎo)。