辽河油田高效液压套管整形工具的研制与应用
张洪宝1, 2     
1. 中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院, 辽宁盘锦 124010;
2. 东北石油大学石油工程学院, 黑龙江大庆 163318
摘要: 针对辽河油田变形套管整形修复率低、施工周期长及成本高的问题,根据液力增压和滚珠挤压整形原理,研制了高效液压套管整形工具。该整形工具由整形头、增压液缸、泄压装置和液压锚定装置构成。室内试验表明:液压套管整形工具的整形效率高,与常规整形工具相比,整形效率提高约40%,且对套管损伤小,能尽可能恢复套管内径。该整形工具在辽河油田13口套损井进行了现场应用,顺利完成了12口井的套管修复,成功率92.3%。研究与应用表明,液压套管整形工具适用于套管缩径井的修复作业,能基本满足辽河油田套损井套管整形的需要。
关键词: 套管损坏    套管整形    杜80-30-58井    辽河油田    
The Development and Application of a High Efficiency Hydraulic Casing Restoration Tool
ZHANG Hongbao1, 2     
1. Drilling & Production Technology Research Institute, PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin, Liaoning, 124010, China;
2. School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing, Heilongjiang, 163318, China
Abstract: At present, operations related to the restoration of deformed casing in the Liaohe Oilfield can be characterized by low success rates, long operation duration and high costs. Based on the principles of hydraulic boosting and rolling ball squeezing, a high efficiency hydraulic casing restoration tool has been developed, which is composed of a shaping head, pressure cylinder, pressure relief device and hydraulic anchoring device. Experimental results showed that the hydraulic casing shaping tool possessed high shaping efficiency, the average single well restoration duration was reduced by 40% from the original state. With less damage to the casing, the newly developed tool could be used to achieve maximum restoration of inner size of the casing. This tool has been used in the casing restoration of 13 wells in the Liaohe Oilfield and experienced success in 12 wells, resulting in a success rate of 92.3%. Both research results and application performances showed that the hydraulic casing restoration tool could be used for casing restoration of wells with deformed casing to meet the demands for casing re-shaping in the Liaohe Oilfield.
Key words: casing damage    hydraulic casing restoration    Well Du-80-30-58    Liaohe Oilfield    

目前,辽河油田共有停产井近2 800 口,并且以平均每年10%的比例上升。其中因套管损坏而停产的井约占35%,现有套损井1 000 多口,每年还会增加200多口新套损井。截至2015年底,仅修复套损井306口,大部分套损井亟待修复。辽河油田套损类型以套管变形为主,占总套损井的80%[1]。辽河油田现有的套损井套管整形技术主要有机械整形和爆炸整形两类,且均存在缺陷:机械整形中梨形器扩胀技术、套管磨铣技术和偏心辊子整形技术等普遍存在着损伤套管、牺牲套管厚度、难以恢复原通径等问题;爆炸整形技术的用药量很难把握,变形处的套管壁厚不均,由于爆炸没有方向性不可避免会对套管造成破坏。原来的套管整形技术修复成功率低、施工周期长、成本高,远不能满足辽河油田套损井套管整形修复的需要。为此,针对辽河油田套损井的实际情况,根据液力增压和滚珠挤压整形原理[2-5],研制了整形效率高、对套管损伤小、结构紧凑、性能可靠的液压套管整形工具,并对13 口套损井进行了套管修复,成功率92.3%,提高了辽河油田套损井的修复效率及效果。

1 液压套管整形工具的结构与工作原理

液压套管整形工具的研制思路是将压井液的液压能转化成机械能,推动滚珠克服套管和岩石的变形应力和挤压力,使套管向外扩展产生膨胀,迫使地应力在局部范围内重新分布,达到整形的目的。

1.1 结构

液压套管整形工具由整形头、增压液缸(三级)、锚定装置和泄压装置构成,如图 1所示。

图1 液压套管整形工具的整体结构 Fig.1 The overall structure of the hydraulic casing restoration tool
整形头是圆锥形结构,其上设有球槽,球槽是带有坡度的燕尾槽,大小2种数十个整形球卡在球槽内,并用稳钉限位,整形球在整形槽内可以上下自由移动,如图 2所示。工作时整形器在液压作用下向下运动,整形球上移至球槽最上端,此时整形头最大外径158.0 mm;一个整形周期结束后,泄压上提管柱,整形球下移至球槽最下端,此时整形头最大外径150.0 mm;整形完毕后整形头外径回缩8.0 mm,能够有效防止卡管柱事故的发生,同时将管柱之间的面摩擦转变成滚动摩擦,大大减小了上提管柱时的摩擦阻力[6-7]

图2 整形头的基本结构 Fig.2 The basic structure of the shaping head

增压液缸为直线式结构,工作时从工具上部加压,使下部的球阀坐到阀座上密封本体腔,同时流体从中心管液流孔流出,推动中心管接头带动整个工具向下运动,实现快速有效地为下部工具增加液压动力的目的。在25 MPa压差作用下,单级液缸可产生200 kN的上推力,根据现场需要,可以任意组装3~6级,上推力可达到600~1 200 kN。

泄压装置主要由内、外2个中心管组成,其上设有液流孔。正常工作时,下压管柱将内、外中心管上的液流孔错开,泄压装置本体腔成密闭环境;一个整形周期完成后需要泄压时,上提管柱,将内、外中心管上的液流孔对齐,泄压装置本体腔内的流体经泄压孔流到管柱外,实现安全泄压。

1.2 工作原理

工作时,首先用管柱将整形工具下至井下套管变形部位,加压推出锚定装置的锚爪,将整形工具锚定在套管内壁上,阻止上部钻具下移,实现对锚定装置上部管柱和修井设备的有效保护。继续加压,推动整形工具向下移动,整形头上的整形球滚动挤压套损部位,使套管直径逐渐恢复。套管变形的恢复是逐级进行的,首先整形头下部的小直径整形球先接触套管变形部位,对其滚压,随着整形工具的下移,整形球沿楔形球槽上移,整形工具的直径随之变大,逐步修复变形套管;小直径整形球通过套管变形部位后,整形头上部的大直径整形球开始滚压套管变形部位,随着整形工具的继续下移,大直径整形球沿楔形球槽上移,工具直径随之变大,

进一步修复变形套管,直至大直径整形球通过套管变形部位,套管直径恢复到预先设计的尺寸,完成套管修复。整形过程中,通过增压液缸增大整形头向下的挤压力,提高了工作效率。整形结束后通过泄压装置卸掉管柱内的压力,解除锚定,即可上提管柱,起出整形工具[8-10]

该整形工具一次整形的最大长度为390 mm,当套管变形部位长度大于390 mm时,需进行多次整形,即一次整形结束后泄压解除锚定,下放管柱,重复上述整形过程。

1.3 主要技术参数

液压套管整形工具长6 200 mm,最大外径158.0 mm,一次行程400 mm,耐温260 ℃,承压40 MPa。整形头材质35CrMo,公称外径142.2 mm,整形球材质9Cr18Mo,大球直径20.0 mm,小球直径15.0 mm;增压液缸材质35CrMo,外径146.1 mm;泄压装置材质35CrMo,外径146.1 mm;锚定装置材质35CrMo,外径146.1 mm。

1.4 技术特点

1) 对套管损坏小。利用整形钢球的滚动使套管变形部位逐渐恢复原状,套管直径的恢复是逐级实现的,对套管损坏较小。

2) 整形效率高。在25 MPa压差作用下,整形动力最高可达到1 200 kN,且采用钢球滚动挤压整形,摩擦阻力小,整形速度快、效率高。

3) 泄压方便。泄压装置由内、外2个中心管组成,整形时内、外中心管上的泄压孔错开,泄压装置本体腔为密闭环境;整形结束后上提管柱,内、外中心管上的泄压孔对齐,实现安全泄压。

4) 有效防卡。整形时整形工具的外径达到158.0 mm,而整形结束后整形工具外径回缩8.0 mm,能有效防止卡管柱事故的发生。

2 室内试验

为了检验液压套管整形工具的技术指标和整形效果是否达到设计要求,在室内进行了整形模拟试验。

2.1 试验器材

液压套管整形工具;试验平台;加压设备;高压管线、数显压力表、游标卡尺、吊车、管钳、扳手等工具;ø177.8 mmP110钢级套管,套管有2处缩径,缩径方向与套管中心轴线基本垂直[11-12]

2.2 试验步骤

1) 测量ø177.8 mm套管缩径处的外径分别为139.7 mm和145.3 mm,变形长度分别为260 mm和512 mm。

2) 连接好液压套管整形工具及液压管线,加压验证整形工具和液压管线的密封是否可靠。

3) 将连接好的整形工具送入ø177.8 mm套管内,当整形头到达套管缩径处时,加压锚定整形工具后,继续加压对缩径处实施整形。完成套管第1缩径处整形后,泄压,顺利起出管柱。

4) 对第2缩径处进行整形,整形长度达到一次整形长度极限(390 mm)后泄压,继续对第2缩径处进行整形,直至通过第2缩径处。

5) 泄压后起出管柱,测量并记录套管整形后的内外径,观察套管变形反弹情况。

2.3 试验结果

1) 第1缩径处整形用时14.5 min,第2缩径处整形用时34.5 min,整形速度约0.94 m/h,而套管变形一般在20 m以内,采用常规整形技术需要36.0 h(整形速度约0.56 m/h),与之相比,液压套管整形工具的整形效率提高约40%。

2) ø177.8 mm套管的2个缩径处完成整形后,外径达到170.7 mm,内径恢复到158.0 mm。

3) 整形结束后,套管变形处内径有所回缩,60 min内的回缩最大值为2.5 mm,但没有超过整形工具整形头球槽上下4.0 mm的高度差,试验中取出工具时没有明显阻力,说明该工具能够有效防止卡管柱现象的发生。

3 现场应用

截至目前,液压套管整形工具在13 口井进行了应用,成功完成12口套损井的修复,成功率达92.3%,基本解决了辽河油田套管变形修复成功率低的难题。下面以杜80-30-58井为例介绍该工具的现场应用情况。

杜80-30-58井井深为1 050.00 m,最大井斜角为11.87°(井深885.00 m处)。该井套管程序为ø273.0 mm套管×103.94 m+ø177.8 mm套管×1 056.81 m,水泥返高812.17 m。该井在修井作业时,通井至井深851.88 m遇阻,下ø154.0 mm铅模打印,铅模穿过,根据铅模显示的信息确定井深851.88 m处ø177.8 mm套管缩径至150.0 mm,于是采用液压套管整形工具进行整形,以便顺利完成修井作业。套管整形步骤为:

1) 利用油管将液压套管整形工具送到井下,当整形工具下到套管缩径处,遇阻,说明整形工具的整形头已经接触到了套变部位;

2) 调整油管柱长度,将油管上端与泵车水管接头连接起来;

3) 检验并准确调整油管柱,并在井口油管柱做标记;

4) 将悬重归零,用作业机将管柱吊住并适当放松;

5) 将油管柱注满水,缓慢加压至20~25 MPa,稳压2~3 min;

6) 上拉油管柱,打开泄压开关,泄掉油管柱内的水;泄压后油管柱下行约250~300 mm,即套管整形修复长度为250~300 mm;

7) 重复上述步骤,先后经过6次修复,将套管缩径部位全部整形完毕。

该井完成套管整形后,起出油管柱和液压套管整形工具,下入151.6 mm通井规通井至人工井底,无遇阻现象,随后顺利完成修井作业。

4 结 论

1) 根据辽河油田实际情况,研制了高效液压套管整形工具,该工具具有对套管损伤小、整形效率高、泄压方便和有效防卡的优点。

2) 室内模拟试验表明,高效液压套管整形工具整形速度快、效率高,其整形速度比常规整形工具高40%左右。

3) 高效液压套管整形工具在辽河油田13口套损井的套管修复过程中未出现任何事故,整形效果显著,成功率达92.3%。

4) 高效液压套管整形工具对单点或多点缩径套管的修复效果较好,对其他类型套损的修复还需要进行研究。

参考文献
[1] 李海军.辽河油田套损机理及防治建议[J].内蒙古石油化工,2012,22(3):57-59.
LI Haijun.The mechanism and prevention of casing damage in Liaohe Oilfield[J].Inner Mongulia Petrochemical Industry,2012,22(3):57-59.
[2] 翟晓鹏,楼一珊,周建良,等.套管径向变形可修复界限研究[J].石油钻探技术,2012,40(1):28-31. ZHAI Xiaopeng,LOU Yishan,ZHOU Jianliang,et al.Study of minimum repair limit for reduced casing deformation[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(1):28-31.
[3] 王小增,杨久红,窦益华.套管磨损后剩余壁厚及剩余强度分析[J].石油钻探技术,2008,36(2):14-17. WANG Xiaozeng,YANG Jiuhong,DOU Yihua.Analysis of casing remaining thickness and residual strength after wearing[J].Petroleum Drilling Techniques,2008,36(2):14-17.
[4] 阚庆山,刘汝东,苏娟.套损井修复技术在中原油田的应用[J].断块油气田,2009,16(3):121-122.
KAN Qingshan,LIU Rudong,SU Juan.Application of repairing technology for casing damage well in Zhongyuan Oilfield[J].Fault-Block Oil & Gas Field,2009,16(3):121-122.
[5] 窦益华,张福祥,王维君,等.井下套管磨损深度及剩余强度分析[J].石油钻采工艺,2007,29(4):36-39.
DOU Yihua,ZHANG Fuxiang,WANG Weijun,et al.Analysis on wear depth and residual strength of downhole casing[J].Oil Drilling & Production Technology,2007,29(4):36-39.
[6] 梁尔国,李子丰,赵金海.磨损套管抗挤强度计算模型[J].石油钻探技术,2012,40(2):41-45. LIANG Erguo,LI Zifeng,ZHAO Jinhai.Model for collapsing strength calculation of worn casing[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(2):41-45.
[7] 王维星,武瑞霞,李在训,等.液压变径滚压套管整形技术[J].石油机械,2010,38(7):86-87.
WANG Weixing,WU Ruixia,LI Zaixun,et al.Hydraulic variable diameter rolling sleeve shaping technique[J].China Petroleum Machinery,2010,38(7):86-87.
[8] 房育金,郭伟锋,张云杰,等.低渗透油田套管损坏机理分析及防治措施[J].特种油气藏,2006,13(4):78-80.
FANG Yujin,GUO Weifeng,ZHANG Yunjie,et al.Casing failure mechanism analysis and prevention measures[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2006,13(4):78-80.
[9] 田玉刚,皇甫洁,李华彬.套变井液压整形技术研究[J].胜利油田职工大学学报,2009,23(3):45-46,48.
TIAN Yugang,HUANGFU Jie,LI Huabin.Study on the hydraulic shaping technology of the casing damage well[J].Journal of Shengli Oil Field Staff University,2009,23(3):45-46,48.
[10] 何育荣,朱海波.膨胀筛管的研制及现场试验[J].石油钻探技术,2011,39(3):106-109. HE Yurong,ZHU Haibo.Expansion sand screen development and field test[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(3):106-109.
[11] 关舒伟,李春福,李学艺,等.非均匀外挤压力作用下内径偏磨套管的应力分析[J].石油钻探技术,2009,37(2):38-40. GUAN Shuwei,LI Chunfu,LI Xueyi,et al.Stress analysis of worn casing under heterogeneous external pressure[J].Petroleum Drilling Techniques,2009,37(2):38-40.
[12] 宋根才.复杂井况水平井套管损坏机理及预防技术研究[D].东营:中国石油大学(华东)机电工程学院,2010.
SONG Gencai.Study on casing damage mechanism and prevention[D].Dongying:China University of Petroleum(Huadong),College of Mechanical and Electronic Engineering,2010.

文章信息

张洪宝
ZHANG Hongbao
辽河油田高效液压套管整形工具的研制与应用
The Development and Application of a High Efficiency Hydraulic Casing Restoration Tool
石油钻探技术, 2016, 44(3): 101-104
Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(3): 101-104.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201603018

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收稿日期: 2015-11-12
改回日期: 2016-03-26

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