0 引 言

石油开采过程中，油井井下套管因为腐蚀、作业或生产磨损以及地层应力变化等会造成损坏，其中腐蚀穿孔是大量发生的情况^[1]。经常采用的修复套管破损的方法是套管内补贴修复技术，就是在套管破损穿孔的部位内部再安装一层管子，如波纹管修复技术和膨胀管修复技术等。文献[2]中公开了一种套损井套管内修复的专利技术，该技术中的水平井套管补贴加固工具主要包括位于上部的增力装置和位于下部的补贴总成。补贴总成的外筒是补贴管，补贴管两端有2个胀头，补贴管内部由增力装置的延长中心杆和下端分瓣锁爪连接，油管正加压时增力装置产生强大的拉力，由中心杆带动分瓣锁爪迫使补贴总成两端的锥形胀头向中间挤压，使补贴管两端连接的密封管受挤压产生塑性变形，紧贴在套管内壁上，并把镶嵌的软金属挤压变形起密封作用，完成对受损套管的补贴加固。由于工具结构及组装方式的限制，工具总长度不能太长，只适合于补贴修复套管破损段较短的情况，当套管破损段较长时，如超过10 m，就不适用了^[3]。由调查分析可知，目前尚无有效技术措施对较长井段的破损套管进行补贴修复。

为此，笔者通过重新设计优化结构，将增力装置和锚定装置放置于补贴管内部，通过油管来进行拉力和液压传递，进而设计较长的补贴装置，形成适用于长井段套管破损修复的补贴修复管柱。

长井段补贴修复管柱包括外层补贴管柱和内层加力管柱，其中外层补贴管柱包括衬管和连接在衬管两端的上胀管和下胀管，以及上胀管以上安装的上胀头^[4]和下胀管以下安装的下胀头；内层加力管柱的各部件之间用油管连接，内层加力管柱安装在外层补贴管柱内，内层加力管柱包括上加力环和顺次连接的上收缩缸、水力锚、下收缩缸、固定机构、下加力释放机构和单向球阀；上加力环的外径与上胀头的内径相配合，且上加力环的最大外径大于上胀头的最小内径；下加力释放机构的外径与下胀头的内径相配合，且下加力释放机构的最大外径大于下胀头的最小内径；固定机构和下胀管之间通过锁球固定在一起。

长井段补贴修复管柱结构如见图 1所示。根据图 1优化而来的长井段套管补贴修复装置结构如图 2所示。长井段补贴修复管柱安装在套管内。图 1中的上加力环包括带外螺纹的调节管和大螺母，大螺母安装在调节管外，大螺母有外台阶和上胀头相配合并压紧上胀头。

图 1 长井段补贴修复管柱结构示意图 Fig. 1 Structure of patching string in long well interval 1—油管；2—上加力环；3—上胀头；4—上胀管；5—衬管；6—上收缩缸；7—水力锚；8—下收缩缸；9—固定机构；10—下胀管；11—下胀头；12—下加力释放机构；13—单向球座。

图选项

图 2 长井段套管补贴修复装置结构图 Fig. 2 Structure of device used for patching of casing in long well interval 1—油管；2—套管；3—调节管；4—大螺母；5—上胀头；6—上密封环；7—上胀管；8—衬管；9—上收缩缸；10—水力锚；11—下收缩缸；12—插头；13—锁定弹簧；14—锁帽；15—密封圈；16—上锁爪；17—连接套；18—防退弹簧；19—锁环；20—释球套；21—锁球；22—外凹槽；23—下胀管；24—锁套；25—下锁爪；26—剪钉；27—活塞；28—下密封环；29—下胀头；30—球座；31—钢球。

图选项

为了增强密封效果，上胀管外周设有上密封环，下胀管外周设有下密封环，上密封环和下密封环一般由紫铜制成。上胀管、下胀管和衬管之间用螺纹连接。为了在内层加力管柱内形成液压密封，在图 2中的连接或其他需要处设有密封圈。上胀头和下胀头的外表面是圆锥形，其小端分别插入上胀管和下胀管中，当受到挤压力时，上、下胀头就会扩胀上、下胀管，使上、下胀管紧紧地挤压在套管的内壁上，并由上、下胀管的紫铜密封环密封。

图 1中的固定机构是一种锁球固定机构，主要包括插头、上锁爪、连接套、释球套、锁球和锁套；插头和上锁爪配合是一种快速安装机构，上锁爪上部轴向上开有多条竖槽使其呈瓣状结构并具有弹性，瓣状结构的上端向内有梯形缩径台阶，该梯形缩径台阶与插头外侧的梯形突起台阶相配合扣在一起，锁帽套在上锁爪的上端，锁定弹簧套在插头外面并压住锁帽；插头和上锁爪之间用密封圈密封，形成了一种快速安装机构，以方便运输和现场安装。

上锁爪、连接套和锁套依次相连，且三者之间形成一个环形空间，释球套、锁环和防退弹簧安装在环形空间内；防退弹簧和释球套依次套在上锁爪外，释球套下部内圆与外圆上均设有凹槽安装密封圈，分别和上锁爪和锁套之间形成密封；锁套在侧壁开孔安装锁球，释球套与锁套在侧壁的开孔处其直径相配合把锁球支撑固定在开孔内；在下胀管的内壁设有内凹槽，锁球高出锁套外壁且嵌入下胀管的内凹槽中，使锁套和下胀管相对固定；在锁球以下位置于释球套外壁设外凹槽，释球套的上端有1个外台阶，在连接套的下端有1个内台阶，2个台阶之间的距离保证使释球套上行到位时正好使外凹槽对齐锁球所在的孔，外凹槽的深度使锁球有足够的空间活动利于解除锁定。通常，锁球也可以用锁块来代替，锁块的径向截面是梯形加矩形形状。

图 1中下加力释放机构包括锁套、下锁爪、剪钉和活塞。锁套、下锁爪和活塞之间形成液压腔，于锁套侧壁设进液孔与液压腔相通；活塞和下锁爪之间用剪钉相固定，下锁爪的下半部分在轴向上开有多条竖槽使其呈瓣状结构并具有弹性，该瓣状结构的下部外周有梯形状突起，该梯形状突起撑在下胀头的开口端，同时该梯形状突起的内壁被活塞下部的外圆突起支撑固定。

在调节管和插头之间连接施力机构，施力机构包括顺次连接的上收缩缸、水力锚和下收缩缸，水力锚可以是1个或多个；为了在油管内产生液压力，在管柱的下端设置包括钢球和球座的单向球阀，当油管内产生液压时，水力锚锚定在衬管内壁上，收缩缸给上、下胀头同时施加拉力。

当油井的套破井段较长时，用油管将长井段套管补贴修复管柱下入井内的套破位置，衬管的长度要大于套管破裂的长度^[5]，当钢球坐于球座上形成上部密封空间时，油管内加液压，液压作用推动释球套上行，当释球套的外台阶顶在连接套的内台阶时，释球套下部的外凹槽对准锁球，与此同时，在液压力作用下，上、下收缩缸在轴向上产生拉力，锁球径向运动退入释球套的外凹槽中，固定机构与下胀管脱开可以相对运动，上、下收缩缸拉动上胀头和下胀头相向运动，来挤压扩胀上、下胀管，使其膨胀贴紧井下套管内壁，上、下胀管上设置的紫铜密封环受挤压变形产生密封作用^[6]，将套管破损段实现液压系统的隔离^[7]。继续升高至设定压力值时，油管内液压力通过进液孔作用在活塞受力面上，推动活塞剪断剪钉下行^[8]，活塞下端外周突起的大径部分脱离下锁爪，下锁爪的下部内圆失去支撑，上提内层加力管柱，下锁爪下部的瓣状结构由于具有弹性可向内收缩^[9]，与下胀头脱开，上提油管起出内层加力管柱。上胀管、衬管和下胀管则留在井筒中，上、下胀头及密封环紧贴在破损段套管内壁上，起到液压密封作用^[10]。

把上、下收缩缸和水力锚所构成的施力机构设置在衬管内，施力机构两端连接上加力环和下加力释放机构，2组水力锚之间用油管连接，油管加液压时，水力锚锚定在衬管上，施力机构产生拉力只对两端的上加力环和下加力释放机构起作用，而水力锚之间的油管不受拉力作用，这样油管可以由1根或多根连接成任意长度，衬管也可以连接成任意长度，从而使该补贴修复技术适用于修复长井段套管破损的情况。

最大外径154 mm，补贴修复后内通径124 mm，补贴长度≥10 m，密封压力25 MPa，耐温360 ℃，丢手压力20 MPa。

长井段套管补贴修复管柱设计完成后，首先进行了室内模拟试验，之后成功实施了现场试验。截至目前，应用该技术在胜利油田滨南和现河等稠油区块成功实施了5口井的补贴修复施工，施工成功率100%，补贴后套损段耐压不小于15.0 MPa，完全满足注蒸汽开采稠油的工艺要求，在最短的时间内恢复了油井的生产，节约了作业成本。

滨南稠油区块的单10斜38井后期生产时存在套管破损问题，经验套找漏作业后，确定油层套管在132.56~154.80 m之间存在破损处，决定采用长井段套管补贴修复工艺，尽快恢复油井产能。下入管柱到位后，按5.0、8.0、12.0、14.0、16.0和18.0 MPa压力台阶正加压，每个压力台阶稳压5 min，稳压过程结束后，升高压力至20.5 MPa压力突降，完成工具的丢手动作，起出内层加力管柱，施工顺利完成。全井筒试压15.0 MPa，稳压15 min，压降小于0.5 MPa，验封合格。该井套管修复后连续进行了3轮次的注蒸汽吞吐生产，未发现套漏问题。

(1)长井段套管补贴修复工艺施工简单可靠，作业时间短，可在最短的时间内恢复油井产能，能大幅减少作业成本，具有显著的经济效益和较高的推广应用价值。

(2)破损段两端的套管与补贴衬管采用金属密封方式，密封有效期长，耐温高，特别适合注蒸汽开采的稠油井套管修复。

(3)利用该技术进行套管补贴修复后，内通径大，便于后期进行各种措施作业。

(4)该技术可针对大于10 m的长井段套管破损进行修复，完善了目前的套损修复技术系列，为稠油热采井的套损治理提供了技术支撑，对油田的长期稳定开发具有重要意义。