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套损井密封加固技术研究 摘要 油田进入开采中后期，由于地下的复杂结构、地下的腐蚀环境以及材料的抗腐蚀能力等不定因 素的影响，常会使一些油水井发生套管损坏的现象。 套损的修复成为油田开发生产中重要的研究课题之一，虽然套损修复技术近几十年来己经有了 很大的进步，但是随着油田的逐年开采，套损速度日益加快，套损程度日盏严重，套损类型日趋复 杂，这些现有丁艺还是不能完全满足油田的不断变化的需要。研究经济有效的套损井密封加固修复 技术就成为目前修井领域亟待解决的课题。 套损井密封加固技术是综合分析原有的五种套损并修复工艺的特点，结合目前油田现有的工艺 技术和设备能力，开发设计出的一种既能全井任意深度范围内对复杂套损情况进行修复，而且充分 利用普通的油田作业设备、1 = 艺简单、操作方便、修复费用较低的套损修复新t ：艺。 本论文所傲的主要研究工作是着重于对整个工艺过程的研究与设计，特别是对于该工艺的核心 部件密封加固器的研究设计和理论计算。论文对相应的设计进行了实验设计并运用有限元软件进 行了结构优化设计通过室内实验和现场施工，证明该修复方案是技术上可行、经济受益显著。 主题词：套损修复套损损坏密封加固器金属锚 h es t u d yf o rp a t c h i n gt e c h n o l o g yu s e di ne a s i n gd a m a g ew e l l s a i 鸲t r a c t w h e nt h em i n i n gi nt h eo i lf i e l de n t e r sl a t es t a g e , t h ee a s i n gd a m a g e so f t h eo i lp r o d u c t i o nw e l l so rt h e w a t e ri 啊e c t i o n sb e c o m em o t ea n dm o r eg e n e r a ld u et os o m e u n e e r t a i nf a e t o ，s u c ha st h ec o m p l e x i t yo f u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e ，c o r r o s i v eu n d e r g r o u n de n v i r o n m e n ta n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f m a t e r i a l sa b i l i t i e s ， t h ec a s i n gr e p a i rt e c h n o l o g yh a sb e e na l li m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci no i l f i e l d d e v e l o p m e n t t h e r eh a s b e e nc o n s i d e r a b l ep r o g r e s si nr e c e n td e c a d e s ，b u tt h ee x i s t i n gt e c h n o l o g ys t i l lc a nn o tc o m p l e t e l ys a t i s f y t h ec h a n g e so fo i l f i e l d i nt h ee x p l o i t a t i o no ft h eo i lf i e l d s ，c a s i n gd a m a g eh a sb e e ns p e e d i n gu py e a rb y y e a ra n dt h ed a m a g ed e g r e ei sg e t t i n gw o r s cw h i l et y p e so f c a s i n gd a m a g ea l eg e t t i n gm o r ec o m p l e x ，s o d e v e l o p i n gac o s t e f f e c t i v er e i n f o r c e m e n ta n dr e p a i rt e c h n o l o g yf o rc a s i n gd a m a g e sb e c o m eap r o b l e mt o b es o l v e du g e m l yi nw e l lr e p a i rf i e l d 砒p r e s e n t ， b ya n a l y z i n gt h ef b a n l mo ff i v ee x i s t i n gc a s i n gr e p a i rt e c h n o l o g i e sa n di n t e g r a t i n gc u r r e n to i l f i e l d t e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tc a p a c i t y , ap r e s s u r i z e da n de n h a n c e dc a s i n gr e p a i rt e c h n o l o g yf o rc a s i n g d a m a g ei sw e l ld e v e l o p e d t h i sf l e wt e c h n o l o g yn o to n l yc a nr e p a i rc o m p l e xe a s i n gd a m a g e si na n yd e p t h o ft h ee n t i r ew e l l ，b u ta l s oh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：t a k i n gf u l la d v a n t a g eo ft h eg e n e r a lo i l f i e l d e q u i p m e n t ，s i m p l ep r o c e s s ，c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dl o w e rr e p a i rc o s t s t h i sr e s e a r c hp a p e rf o c u s e so nt h es t u d ya n dd e s i g no ft h ew h o l et e c h n o l o g yp r o c e s s ，e s p e c i a l l yo nt h e d e s i g na n dt h e o r e t i cc o m p u t i n gl o tt h ep r e s s u r i z e da n c h o ro f t h ek e yc o m p o n e n t w eh a v ed e s i g n e ds o r f m e x p e r i m e n t sa n dc a r r i e d o u tt h es l ：t u c t a r eo p t i m i z a t i o nd e s i g nu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e o u r e x p e r i m e n t si nt h el a b o r a t o r ya n dt h ei m p l e m e n t a t i o ni nw o r k s i t es h o wt h a tt h i sc a s i n gr e p a i rt e c h n o l o g yi s t e c h n i c a l l yf e a s i b l ea n dh a sr e m a r k a b l ee c o n o m i cp r o f i t k e yw o r d s ：c a s i n gr e p a i r , c a s i n gd a m a g e ，p r e s s u r i z e da n c h o r m e t a la n c h o r 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 学位论文作者签名# 拳锋 日期：夕嘲。6 - 矽 导臌：如硐 日期：乒岬- 27 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第一章绪论 当油田开采进入中后期，常常会使一些油水井发生套管损坏的现象。使油井不能正 常生产，严重影响了油田的稳产和高产。引起套管损坏的因素可以大致分为地质因素、 工程因素和腐蚀因素三大类，套管损坏是这些因素综合作用的结果。套管损坏基本类型 有套管变形、套管破裂、套管错断、腐蚀穿孔和密封性破坏等几种。许多井的套管都大 段损坏，这类问题将会越来越突出，研究经济有效的套损井密封加固修复技术就成为目 前修井领域亟待解决的课题。 1 1 概述 石油是一种极为重要的战略物资，对国民经济起着决定性的作用，它已经成为工业 发达国家的命脉。石油像“血液”一样维系着生命的运转，经济的发展甚至政治的稳定和 国家的安全。石油还是武器装备的动力源泉，因此一直以来掠夺石油资源的战争和冲突 从未停息过，并且在2 l 世纪变得越来越激烈。从一定意义上说，没有石油就没有现代 化的经济和现代化的战争。为此，世界各国都投入巨资研究解决在石油开采过程中遇到 的各种问题【i j 。 我国油田由于开发时间较长，地层注水后岩层吸水发生变化而引起套管变形甚至破 损失效的油井数量近年来速度呈直线上升趋势，有的井投产不足一年甚至有的还不到一 个月就发生套损【2 】，除此之外还有一些因为套管设计不合理、射孔损伤、腐蚀穿孔等原 因造成的套管损坏也屡有发生，给油田带来了重大损失。 世界人口的增长促使物质消费的增加，从而推动全球经济发展，为此需要能源工业， 特别是石油工业的极大支持。在未来的2 0 3 0 年中，也许还没有能大量替代油气的新 能源出现。至少在本世纪前半期油气在能源结构中仍将占主导地位p i 。特别是最近几年 来，随着经济的迅猛发展和入口的增加，石油的需求量也在急速上升，因此世界各国都 在为能拥有更多的石油而努力，具体表现在：关于争夺石油资源而爆发的战争屡见不鲜， 特别是石油资源丰富的中东地区直是超级大国间的争夺要地，由此可见石油是一种具 有战略性的能源物资；另外，世界各国都在调动各方面的技术力量来提高开采石油的效 率和质量，达到用最低的经济投入获得最高的石油产量的目的。 油田随着开采时间的增长会出现各种各样的问题。在油田进入中后期后，由于地下 的复杂结构、地下的腐蚀环境以及材料的抗腐蚀能力等等不定因素的影响，常常会使一 些油水并发生套管损坏的现象。使油并不能正常生产，严重影响了油田的稳产_ 手高产。 例如：美国威明顿油田，从1 9 2 6 年到1 9 8 6 年开发6 0 年间，由于大量采出地下的液体， 引起该地区较大的地层构造运动，油田中心地区地面下沉9 米，水平位移达3 米，造成 第一章绪论 油水井成片错断，损失严重1 4 j 。又如罗马尼亚的坦勒斯油田开发2 2 年后，已有2 0 的 油水井套管损坏。俄罗斯的班长达勒威油田有3 0 的油水井因套管损坏而停产i 卯。国内 部分油田油水井套管损坏现象也很严重，例如吉林扶余油田注水井开发i o 年出现套损 井1 5 1 l 口，其中油井1 2 2 9 口，注水井2 8 2 口，分别占油水井总数的5 2 和5 4 5 。胜 利油田套管损坏己占总井数1 0 以上，有的采油厂高达2 5 ，自1 9 9 3 年胜利油田的l o 个采油厂因套管损坏而上报报废井1 0 6 8 口，其中油井6 5 8 口，水井4 1 0 口，共计报废 资产4 4 6 亿元c 6 。截止2 0 0 5 年4 月底，大庆油田累计发现套损井1 0 7 2 4 口，占投产总 井数的1 9 9 6 ：其中油井5 1 6 8 口，水井5 5 5 6 口；拔不动井2 1 6 口，其中油井9 7 口， 水井1 1 9 口。目前，变形套管的修复己成为井下作业的一项重要的任务，在1 9 9 3 年第 五届世界石油大会上被列为石油开采中的六大难题之一。 1 2 套管损坏的机理和类型 i 2 1 套管损坏的机理 导致油水井套管状况变差、损坏的原因是多方面的“】【8 1 咖“。根据国内外油田开发 几十年的经验分析可知，引起套管损坏的因素可以大致分为地质因素、工程因素和腐蚀 因素三大类，对于一个具体的油田或一口油、水井，其中某一类因素很可能是主导因素， 其它的为次要因素，而更多的是这些因素综合作用的结果。 1 2 1 1 地质因素 地层的非均质性、油层倾角、岩石性质、断层活动、地震活动、地壳活动等等地质 因素是导致油水井套管状况变差的客观条件。这些因素的存在可能引发巨大的地应力， 使油水井受到损害，导致局部小区块套管损坏甚至成片区块套管损坏，对油田的稳产形 成严重威胁。 陆相沉积的砂岩、泥质粉砂岩油田，由于沉积环境的不同，油藏渗透性在层与层之 问、层内平面之间都有较大的区别。许多油田一e l 井有多个油层组，渗透率差异很大。 即使划分了层系，但同一层系内小层的渗透率差值也很大，有的相差1 0 倍，甚至相差 几十倍。在注水开发过程中，油层的非均质性将直接导致注水开发的不均衡性，这是引 发地层孔隙压力场不均匀分布的基本地质因素。 陆相沉积的油田，储油构造一般为背斜构造和向斜构造，由于背斜构造是受地层侧 向挤压为主的褶皱作用，一般在相同条件下，受岩体重力的水平分力的影响，地层倾角 较大的构造轴部和陡翼部比倾角较小的部位更容易出现套损。在沉积构造的油、气藏中， 储存油气的多为砂岩、泥质粉砂岩。注水开发的泥砂岩油田，当油层中的泥岩及油层以 上的页岩被注入水侵蚀后，不仅是其抗剪强度和摩擦系数降低，而且还会对套管产生挤 压力。同时当具有一定倾角的泥岩遇水呈塑性膨胀时，可将上覆岩层压力作用于套管， 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 使得套管受到损坏。 1 2 1 ，2 工程因素 地质因素是客观存在的因素，往往由其它次要因素的引发成为套损的主导因素，采 油工程的注水，地层改造中压裂、酸化，钻井过程中的套管本身材质、固井质量，固井 工程中套管拉伸、压缩等等因素，是引发地质因素产生破坏性地应力的主要原因。因此 对于每口具体的井来说，这些因素作用，使得油水井出现了套损。 1 2 1 _ 3 腐蚀因素 腐蚀因素也是客观存在的因素，有时可能是主要的因素。由于客观的原因，地下的 环境很复杂，另外，管材的质量也存在缺陷，这都会导致管材受到破坏，轻的会出现腐 蚀小坑，严重的会出现腐蚀穿孔。小坑或穿孔都会导致应力集中的产生，形成更大的破 坏。 1 2 2 套管损坏的类型 根据国内外套管损坏的资料分析，套管损坏基本类型“”“1 有套管变形、套管破 裂、套管错断、腐蚀穿孔和密封性破坏等几种。其中套管变形和套管错断是较为严重的 套管损坏形态，机械整形主要是针对套管变形和套管错断发展起来的套管修复技术，下 面对这两种套损形式进行介绍。 1 2 2 1 套管变形 套管变形是指套管局部段产生较大的塑性变形但并未断裂的一种损坏形式，主要有 四种变形形态。即椭圆变形、径向凹陷变形、缩径变形和弯曲变形。套管出现椭圆变形 往往是由于套管受不均匀外挤压力使得局部段套管呈椭圆形状。套管的凹陷变形主要是 受到某一方向的侧向力作用或由于套管本身某局部位置质量差，强度不足等因素引起， 在长期的注采压差下造成套管某局部处缩径，使套管横截面上呈现内凹椭圆形，这种径 向曲陷性套管变形是套损并中的基本变形形式。套管弯曲变形状态是指套管变形出现轴 线偏移，并伴随有椭圆变形，通常由于泥岩、页岩在长期水浸作用下，岩体发生膨胀， 地应力变化巨大，岩层相对滑移剪切套管，使套管在水平方向上弯曲( 见图l 1 ) 。 1 2 2 2 套管错断 套管错断包括非塌陷型和塌陷型两种。非塌陷型套管错断是由于泥岩、页岩在注水 区域经长期浸泡膨胀而发生岩体滑移，当这种地壳升降、滑移速度超过3 0 m m 年时，将 导致套管剪断，发生横向错位，由于套管在固井时受拉伸载荷及钢材自身收缩力的作用， 在套管产生横向错断后，便向上、向下各自方向收缩，情况如图l - 2 所示。套管错断是 最多见的套管损坏类型，错断型式可分为三种： 第一章绪论 1 4 , 6 5 m m 以上大通径错断，即两断口间的上下轴线尚有巾6 5 m m 以上通道，这种井 况尚可实施修复措施： , i , 6 5 m m 以下小通径错断，即两断1 ：2 间的通径小于1 4 , 6 5 m m 或者无通道这种小通 径错断井是目前修复措施难以实施的复杂井况，尤其是断口以下还遗留原井部分管柱和 井下工具，这给修井作业又带来很大困难； 断口通径基本无变化的上、下位移型，及上下断口问水平通径大于1 1 8 m m ，上 下断口间距离一般小于3 0 m m ，这种井况相对容易采取修井措施。 图1 - 1 套管弯曲交形示意图图1 2 套管错断示意图 塌陷型套管错断是由于地层滑移、地壳升降等因素，导致套管错断，地应力首先作 用在水泥环上，使水泥环脱落、岩壁塌陷，泥、沙和脱落的水泥及岩壁碎屑、小的碎块 等在地层压力作用下从错断口处涌入井筒，堆入井底并不断向上涌积。卡埋井内管柱及 工具。这种套管错断的套损井一般很难修复，多采用报废手段将其报废。 在油田实际生产作业过程中很难见到某一种套损形式单独存在的情况，大多数套 损井都是以上两种或多种套损类型的综合。因此，解决套损井修复问题应综合考虑以上 各种套损类型的复杂性，应提供能够同时解决两种或多种套损类型的方案。 1 3 本课题的意义 国内外的科技工作者对套损井修复问题作了大量的工作，研究主要集中在套损机理 的研究、套损检测技术、套损修复技术及防护措施等。对于套损的修复，近几十年来己 经有了很大的进步，但是这些工艺还是不能完全满足油田的不断变化的需要。 随着油田的逐年开采，套损速度日益加快，套损程度日益严重，套损类型日趋复杂。 对于大庆油田来说，己经进入开发中后期，套管损坏逐年加重，而且近年来增加速度明 显加快，套损井损坏的严重性不仅能从各种井下检测数据中反映出来，也可从取套取出 的套管上更进一步得到证实：许多井的套管都出现损坏，随着套管使用时间的延长，这 类问题将会越来越突出，它将对油田的持续开采造成严重影响。 油田目前针对此类井的修复手段，主要采用施工费用较高，周期较长的取套、侧钻 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 及村管加固技术进行修复，但这些工艺修复此类井还不够理想：取套受深度限制、侧钻 不能分层开采、衬管加固后内径为o l o o m m ，并且不能密封。因此研究经济有效的套损 井密封加固修复技术就成为目前修井领域亟待解决的课题。 1 4 小结 1 通过对国内外油田套管损坏情况的分析，我们得知套管损坏是油田开采中后期 严重影响油田生产的重要问题。 2 介绍了引起套管损坏的三大类因素，套管损坏是这些因素综合作用的结果和套管 损坏的儿种基本类型。 3 分析油田套损情况的严重影响，确定我们的研究方向为：设计研究经济有效的套损 井密封加固修复工艺技术。 第二章套损井检测技术简介 第二章套管损坏井的检测技术简介 套管技术状况检测是油水井套管损坏防治的重要措旌，进行套管检测不仅有助于确 定套管损坏的类型、损坏部位及程度，为修井措旌的制定和实施提供切实的依据和必要 可靠的技术数据。套管技术状况检测还可对井下套管损坏及产生和加速损坏的环境及原 因进行研究分析，为采取预防措施提供科学依据。 2 1 机械法检测技术 2 1 1 印模法检测 印模法检测是利用专用管柱或钢丝绳下接印模类打印工具，对套管损坏程度、几何 形状等进行打印，然后对打印出的印痕进行描绘、分析、判断，最后提出套损部位的几 何形状、尺寸、深度位置，为修井措施、修井施工设计提供必不可少的有效依据，印模 法可适用于套管变形、错断、破裂等套损程度、深度位置的验证，井下落物鱼顶几何形 状、尺寸及深度位置的核定，以及在作业、修井施工过程中临时需要查明套管技术状况 等其它情况。印模法检狈9 不受环境条件和井况的限制，随时可在修井施工过程中进行， 对作业、修井队来说相对方便、快速，而且印证结论可及时在现场得到。因此印模法是 目前得到广泛应用的套管损坏检测技术之一。 印模法的种类较多，按制造材料可分为铅模、胶模、蜡模和泥模，按印模结构可分 为平底印模、锥形印模、环形印模、凹型印模和筒型印模。目前使用较为广泛的是铅模 和胶模。 落匪 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 的铅层厚度应不小于2 0 m m ，最厚不超过4 0 m m 。平底铅模多用于套管损坏程度、深度 检测，以及井下落鱼情况的核定。锥形、环形、凹型铅模一般不常用。 胶模中使用较广泛的是封隔器式筒形侧向打印胶模，般多用于套管孔筒、破裂等 漏失情况的检测。其基本结构与扩张式封隔器的胶筒类似，但其内部帘线较少，工作长 度较长，胶筒面半硫化处理，表面光滑、平整无缺陷，可承受0 5 l ，o m p a 压力，胶筒 的最大工作面外径一般比刚体最大外径小0 5 l h i m ，避免入井时划伤，工作面长度视 打印井段长度而定，刚体中心管长度应与胶筒总长度相匹配。 印模打印检测井下套管技术情况一般分端部打印和侧面打印两种。 端部打印检测套管变形、错断的最小径向变化、套管损坏程度。端部打印分管柱硬 打印法和绳缆软打印法。目前较常用的是硬打印，硬打印有不压井和压井两种作业方式。 软打印法虽然施工时问短，速度快，但其危险性大，易造成绳缆堆积卡阻，因而其使用 受到严格限制，通常只有在井下井况不十分复杂、井况比较清楚的情况下使用，并且在 使用时要采取预防事故的措施。 侧面打印是利用管柱将侧面打印胶模下至设计深度，然后开泵憋压至0 5 l m p a ， 使胶模在液压的作用下扩张，紧紧贴在套管内壁上，将孔筒、破裂等套管破损状况印在 胶模上。管柱泄压后，起出打印管柱，卸下胶模并清洗干净后，将胶膜连接到地面泵上， 憋压使其扩张到在井下时的工作尺寸，即可将套管损坏的几何形状、尺寸清晰地反映出 来。这种方法简单易行，获取的数据资料真实可信。 采用印模法虽然迅速、方便和直观，但印模直径大小的选择比较难。直径过大，印 模打印出来不在变形最明显处，印痕不清晰，不可靠，直径过小，打印不出印痕或印痕 不明显，因而无法确定某一个变形位置的形态。 2 1 ，2 双封隔器加节流器机械法 双封隔器加节流器机械法“”找验漏施工简单，结构 准确可靠，常用管柱结构为( 自上而下) ：油管柱、工 作简、扩张式封隔器、油管、节流器、扩张式封隔器、 丝堵。 双封隔器之间卡距视井漏失情况适当选择确定，一 般初次找漏，先用1 0 0 m 左右的大卡距，由井口开始找 验至油层顶界，然后根据大卡距找验漏初步确定的深度 位置，缩小卡距到l o m 以内，详细找验。找验漏管柱 本身的漏失量应在1 5 m p a 下，低于1 5 l h ，一般泵压应 由低向高逐渐增高，三个压力值下的漏失量为验漏最终 结论，其压力值差不少于2 m p a ，每个压力值下的注入 量应减掉管柱漏失量，所得差值即为某泵压下的注入 上部扶正嚣 量大耳度电位计 铡犀规 图2 - 2 井径仪结构示意图 7 第二章套损井检测技术简介 量，即漏失量。验漏时应注意录取漏点深度、漏失井段、漏点注入量及泵压、管柱漏失 量等重要数据。 2 2t 程测井法 2 2 1 井径仪测井 并径测井“”“州是修井施工中常用的套管技术状况检测方法之一，主要用于通过检 测套管内径变化，反映套管纵向和横向的变形，利用曲线变化的形态确定变形截面的平 均内径或最大直径、最小直径、任意方向直径值，根据多条井径曲线判断变形类型。如 果同其他测井径资料综合解释，还能判断套管损坏类型。井径仪测量法的检测速度快， 尤其在深井检测，可比机械法减少1 6 2 4 h ，检测结论也较准确。 井径仪是电阻式转换测量仪器。其主要原理是当套管内径改变使微井径电桥阻值改 变，通过放大并由地面仪表记录，并转化成相应的井径值，即可得到随井深不同的井径 变化曲线。根据曲线可分析套管井径变化情况和变化的位置。井径仪由电缆接头、上扶 正器、磁定位器、电桥探针、电桥、下扶正器和尾接头等7 部分组成( 见图2 - 2 ) ，井径 测量方式有接触式和非接触式，接触式分测量臂式和弓形片式，测量臂式采用电位器传 感器，弓形片式采用羞动变压器传感器，非接触式利用套管在高频磁场中的涡流效应测 量平均内径，不受管壁附着物的影响。 测井仪器串组装完后与电缆连接下入井内各对称方向井径腿在弹簧作用下紧贴套 管内壁向下滑移。当套管内径有变化或遇有接箍时，井径腿收拢或扩张，这一收拢或扩 张，将在仪器内产生电脉冲信号，通过电缆传至地面接收仪器并自动记录下来。绘制成 套管径向变化曲线。由于仪器内的磁性定位作用，某一点深度的变化也同时被记录下来 测井后，将记录的曲线加以测量、分析、计算，即可得到套管某一深度位置截面上多点 坐标，对这一图形测量，即可得到套管的径向尺寸变化。 井径测井，一般在压井状态下进行。可供选择的测井仪有双道井径仪、八臂井径仪、 三十六臂井径仪、四十臂井径仪、x y 井径仪、十臂过油管井径仪、四弓形片井径仪等。 目前较常用的，配合印模检测的效果较理想的测井仪仍是八臂、四十臂过油管井径仪， 这些仪器的结构虽然不同，但基本原理、仪器串结构形式大致相似，使用操作方法基本 相同。 八臂井径测井仪得到4 条互成4 5 0 角的8 个坐标点，四十臂井径仪则可测到2 0 条互 成1 8 。角的2 0 个坐标点，更容易在某一截面上得到更加准确的图形，如果不用作图法， 可以用直尺直接在记录纸上测得相对应的直径尺寸，同样也可以分析判断出套管径向变 化。双道微井径仪在测量时两对腿分别能处于椭圆形长短轴端点位置上，因而能准确地 确定椭圆形的大小，斯伦贝谢公司拥有1 6 个独立臂的井径仪，可以用来测量油管，并 且具有偏心校正及1 6 道波井径测量功能。 b 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 用微井径仪虽能够较准确地测得全井套变部位及井径的变化，但该仪器对于套管严 重错断的井不适用，对于套管错断的井，虽然有时该仪器仍能下去，但其所测得结果不 易分析。对套管有裂缝及管壁的腐蚀仅能作定性分析。 2 2 2 方位井径仪测井 2 2 2 1 仪器组成 方位仪主要由4 部分组成： 第一部分是三相电容和电感组成的滤波器，及由变压器、整流滤波电路、稳压单元 组成的井下二次电源。二次电源供方位测量用。 第二部分是水平修正系统和方位测量。修正系统包括修正摆，积分电路，极化继电 器，伺服电机等部件。陀螺外框架连接着方位电刷，方位电位计与外壳固定。 第三部分是陀螺仪系统，主要由陀螺外框架，陀螺房与陀螺电机组成的三自由度方 位陀螺仪。 第四部分是锁紧系统电机，减速箱，升降拨杆，继电器等组成。 井径仪主要由两部分组成：上部为两块印刷线路板、两个电位器及马达总成，下部 包括井径臂、电位器传动装置、杠杆和使每对井径臂与其相应的电位器配合的弹簧。 2 2 2 2 测量原理 1 方位测量原理 利用三自由度陀螺的定轴性测量方位。陀螺电机启动后，转子轴方向不变，连接在 陀螺仪外框架轴线上的方位电刷相对转子轴方向也保持不动，而方位电位计固定在外壳 上。当仪器在井下发生方向变化，其外壳产生转动，电位计跟随仪器外壳产生转动，但 陀螺仪外框架轴线上的方位电刷还保持原来的方向，这样方位电刷相对方位电位计滑过 定的角度，在电刷上所取得的电信号大小就表示了某一条井径测量臂的方位角的读 数。当井径呈椭圆变形时，通过该方位角可确定套管变形部位长、短轴的走向，短轴走 向即为套管变形走向。 2 井径测量原理 x y 井径仪有4 条测量臂，测量两个相互垂直的套管内径。井径仪的井径臂通过连 杆连接着电位器，即井径电位器，其滑动头的运动，改变了电位器滑动端与另一端的电 压值，不同的电压值经简易电压频率转换电路输出不同频率的脉冲。所以井下仪器将井 径值转换成了脉冲信号，x 井径壁是正向脉冲，y 井径臂是负向脉冲，脉冲信号经电缆 传输到地面。用地面的两个计数率计处理井下来的井径信号，即将脉冲信号转变成电压 值u 。在规定的测量范围内，井径d 与u 是线性关系，即： d + 尬u( 2 1 ) 式中卜仪器常数； 9 第二章套损井检测技术简介 舀测量电压u 等于零时的井径值。， 2 2 2 3 仪器主要技术指标 测量精度：井径士2 r a m ，方位士1 0 0 ； 方位漂移： 1 2 。h ； 耐温：+ 4 5 ： 耐压：2 0 m p a ； 外径：5 4 m m 。 2 2 ，2 4 应用范围 该仪器可以通过6 3 ，5 m m ( 2 1 2 i n ) 油管测量套管的多点变形，一次下井可以同时取得 方位和井径资料。适用于最小通径大于6 0 m m 的变形井的测量，并且一次下井可测多点 变形。 2 2 2 5 仪器特点 1 仪器直径小，可以通过6 3 5 r a m ( 2 1 h i n ) 油管t k 套管内测量。 2 井径腿由直流电动机控制其收缩或张开，仪器可以很方便地在套损部位起下。 3 实现方位连续测量。 2 2 2 6 方位井径仪测井工艺的应用 利用方位井径测井工艺不仅可测量套管变形井的受力方向，还可用作时间推移测 井，观察套管变形的过程，这对于了解套损区块的地应力是否趋于稳定，预防套损的措 施是否有效，能否打更新井是有帮助的。 2 2 3 其它检测方法 l 连续测斜仪测井：该仪器适用于套管的大段弯曲变形，弯曲变形井段大于3 m ， 仪器能测出方位。 2 电磁测井仪：主要用途是检查井下套管的质量状况，确定套管内壁或外壁腐蚀、 缺损和套管并径的变化。 3 超声成像测井：可用于套管腐蚀、套管破损、套管变形、爆炸整形等的检测。 可精确的检查出套管腐蚀是点蚀还是片蚀，直观反映腐蚀的形状、腐蚀程度、套管剩余 壁厚等。 4 井温与连续流量测井：主要用于外漏井的检测，可非常准确地验证出套损井段 深度位置和漏失量。 套损点几何形状、程度、深度等是十分重要的技术数据，是下一步制定套管整形、 胀管器胀管、侧钻、取套与换套、波纹管补贴、磨铣打通道、密封加固等技术实施方案 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 的重要依据。 一般用工程测井法能很快地确定套管损坏井的套损点形状、深度等，其结论一般也 只能定性，不能定量，特别是破裂孔洞等的漏失井，工程测井检测结论往往欠佳，因此， 现场施工中，常常用机械法与工程测井法相结合的方法检测套损程度、几何形状和深度。 2 ，3 小结 1 本章对国内外主要套管损坏检测技术进行了简介，详细地介绍了油田上常用的、 有效的套管损坏检测技术的原理、技术指标和适用范围。 2 套管损坏检测技术为我们提供了套损井套损情况的可靠资料，为下一步制定套 损井套管整形及密封加固措施提供切实可行得依据和必要可靠的技术数据。 第三章套损井修复工艺技术研究 第三章套损井修复工艺技术研究 套管修复技术是解决套损的必要措施，通过对套损井目前采用的5 种修复办法的分 析比较，目前采用的修复工艺逐渐变的难以达到油田发展的要求。结合目前油田现有的 工艺技术和设备能力，本文提出了一种不仅能全井任意深度范围内对复杂套损情况进行 修复，而且工艺简单、修复费用较低的套损修复新工艺，并确定整体工艺方案和该方案 中需要解决的具体问题。 3 1 国内外现有的套管修复技术分析 套管修复技术是解决套损的必要措施。大部分套损井都能通过修复而恢复生产功 能，从而避免损失。根据套管损坏的5 种类型，结合目前井下作业旃工的技术状况，通 常对套损井采用以下5 种方法进行修复办法 3 1 1 胀管器胀管工艺 1 胀管器胀管工艺原理 胀管器胀管工艺的基本思想“”是根据冲击膨胀原理，利用直径大于套管变形最小通 径的胀管器做冲击胀头，利用全井管柱的动能对套管的变形部位进行冲击使其膨胀，把 套管被挤小的变径重新撑开，达到正常套管内通径尺寸，从而达到扩大内通径的目的。 图3 1 是胀管器胀管修复工艺的示意图。 1 2 图3 - 1 胀管修复工艺的示意图 2 主要特点是： ( 1 ) 施工周期短、修复费用低廉。 ( 2 ) 操作比较简单、对设备能力和工人的操作技能的要求比较低，仅用普通的施工 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 作业设备和简单工具经多次分级起下胀管器便可打开通道、完成整形，对全井的任意井 段均可修复。 ( 3 ) 对套管变形类型及特点有一定的要求，适用于普通大通径( 一般套管变形后的最 小通径大于l o o m m ) 、短变形段的套管变形井的修复。 ( 4 ) 这种修复工艺只能解决最简单的套管变形问题，无法解决变形井段较长及套损比 较复杂的并况，如套管腐蚀穿孔的井段。 ( 5 ) 有时也会产生更严重的套管损伤，例如套管破裂、密封失效等。 3 1 2 取套与换套 该工艺的基本思想是利用套铣的办法将套损井段套管及该井段以上部位的套管取 出，然后再将完好的套管下入井筒并实现与原井剩余套管的对接与密封。从而达到套损 井修复的目的“”。 ， 取换套修井工艺一般包括整形、保鱼头、示踪加固、取换套管四个步骤刚。套管整 形是为打开套管通道及下部施工做准备的，套管整形分为机械整形和燃爆整形两种工艺： 保鱼头是取套修井的关键。示踪加固是在整形施工后下入衬管，保证套管变形点上下套 管形成一体，为下部取套施工创造条件。取换套管是利用套铣钻头、套铣筒、套铣方钻 杆等配套钻具，应用合理的钻压、转速、排量等施工参数，对损坏的套管进行适时切割、 取套，完成对套管外水泥帽、水泥环、岩壁及扶正器的分段套铣，取出套损的套管，下 入新套管串补接或对扣并完井。 这种修复方法的主要特点是： ( 1 ) 能够将破损的套管井段及套损部位以上井段全部取出并代替以新套管，能够保 持全井上下通径一致，没有缩径部位或缩径井段，修复后的井与新井的井况差别很小， 全井可以使用常规的生产作业工具进行生产，不须提供特殊的小直径工具。 2 ) 能够修复套管有漏点的井或多点套损的井，如套管破裂、错断或腐蚀穿孔的井， 并可实现长井段修复或连续套损井段的修复。 ( 3 ) 能够解决大部分的套损井修复问题，在限定范围内对各种类型的套损并均可利 用该工艺修复，并且修复率较高。 ( 4 ) 受设备和工艺水平的限制，取套深度有一定的限制，对与套损井段距地面较深 时无法进行修复。以大庆为例，目前取套深度为7 0 0 8 0 0 米。 ( 5 ) 对设备能力和操作人员技术水平的要求较高，需要提供大扭矩的钻井设备、固 并设备及一系列的配套设施；要求现场技术人员和操作工人有一定的技术水平和丰富的 经验。 ( 6 ) 修复费用昂贵，由于该项工艺施工过程比较复杂，因此必然造成了修复成本的 提高，目前对于一口破损井段在6 0 0 8 0 0 米深度的套损井的修复价格大约在7 0 8 0 万 元人民币左右。 第三章套损井修复工艺技术研究 3 1 3 侧钻工艺 该工艺的基本思想是将破损井段以下部分用水泥报废封堵，然后在封堵部位以上的 套管上打开一个窗口，并且经过必要的增斜及降斜钻进，侧钻出一通井小于原井内通径 的新井眼并且达到预定的油层和深度，并下如相应尺寸的小直径套管，最后进行固井， 射孔等工序完成对该井的修复。“。侧钻工艺如图3 2 所示。 这种修复方法的特点： ( 1 ) 适用于套损井段位置比较深的套损井的修复，能够将破损的套管井段及套损部 位以下井段全部封堵报废，能够充分利用该井段以上部位的套管和井孔。 ( 2 ) 能够修复套管有漏点或多点套损的井，如套管破裂、错断或腐蚀穿孔的井，并 可实现长井段修复或连续套损井段的修复。 ( 3 ) 能够解决大部分的套损井修复问题，在限定范围内对各种类型的套损井均可利 用该工艺修复，并且修复率较高。 ( 4 ) 开窗以下产生缩径井段，修复后该井须使用特殊的小直径的生产作业工具进行 生产。 ( 5 ) 对设备能力和操作人员技术水平的要求较高，需要提供大扭矩的钻井设备、固 井设备及一系列的配套设施，要求现场技术人员和操作工人有一定的技术水平和丰富的 经验。 ( 6 ) 修复费用昂贵，由于该项工艺施工过程比较复杂，因此必然造成了修复成本的 提高，目前利用该工艺修复一口套损井的修复价格大约在5 0 6 0 万元人民币左右。 ? 、， 水泥 封堵 、 ： 3 1 4 套管内衬波纹管补贴 图3 - 2 侧钻修复工艺示意图 该工艺的基本思想是用一段修补材料内补到套管缺陷处，密封，加固后使油水井恢 复生产瞄l 。具体方法是将低碳钢波纹管下入套管破损部位。然后用水力贴补器将波纹管 1 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 胀圆，借助粘结剂紧紧地挤贴在破损套管的 内表面，形成不渗漏的密封层，封堵破损套 管幽l 。套管贴补修复技术所需的主要材料是 低碳钢波纹管( 见图3 3 ) 。 该修复方法的主要特点为： ( 1 ) 适用于修复套管有漏点的井，如套管 破裂或腐蚀穿孔的井，尤其对套管局部的破 裂和腐蚀穿孔修补效果较好。 ( 2 ) 施工难度适中，对设备能力和操作人 员技术水平的要求不大，仅需简单的水泥车 配合普通的作业设备即可完成修补工作。 ( 3 ) 修复的费用比较较低。 圈3 - 3 波纹管示意图 ( 4 ) 对套管损坏类型及特点有一定的要求，要求套损井段的内壁圆度和平整度要好。 破损部位不宜太大太长。 ( 5 ) 这种修复工艺只能解决比较简单的套管腐蚀穿孔、密封失效或套管局部破裂问 题，无法解决长井段及套损比较复杂的井况，例如套管变形或错断等。 ( 6 ) 补贴部位产生缩径井段，修复后该井须使用小直径工具进行生产作业。 3 1 5 衬管加固 1 衬管加固方法 衬管加固即采用在7 “，套管内下入5 ”套管下支井底，有的是在5 2 “套管内下入4 “ 套管下支井底，然后用水泥循环固井，把射孔井段封死，重新射孔生产嘲1 。衬管加固工 艺如图3 - 4 所示 图3 - 4 衬管加固工艺示意图 第三章套损井修复工艺技术研究 2 衬管加固方法的主要特点 ( 1 ) 用于套损井段位置比较深的套损井的修复，能够将破损的套管井段及套损部位 以下井段全部封堵，能够充分利用该井段以上部位的套管和井孔。 ( 2 ) 能够修复套管有漏点的井或多点套损的井，如套管破裂、错断或腐蚀穿孔的并， 并可实现长井段修复或连续套损井段的修复。 ( 3 ) 对设备能力和操作人员技术水平的要求适中，需简单的水泥车配合普通的作业 设备即可完成加固工作，之后须利用固井和射孔设备。 ( 4 ) 加固器部位以下产生缩径井段，修复后该井须使用特殊的小直径工具生产作业。 ( 5 ) 对于修复浅井部位时修复费用较高。如果利用此办法修复油、水井上段套损时 则由于小套管材料费和全井固井费用、后期射孔、作业等费用的增加而变得昂贵。 ( 6 ) 对在生产油层以上部位开始衬管加固的套损井，修复后由于缩径影响产量。 ( 7 ) 对于套管损坏部位内通径小于衬管最大外径的井况时，修复工作较为复杂和困 难。 3 1 6 五种套损井修复工艺综合对比 表。 对比以上五种套损修复工艺的特点，我们可以得到这五种修复工艺的特征综合对比 表3 - i 各种套损井修复工艺特征一览表 表3 1 给出了各种套损井修复工艺的基本特点。从这个列表中我们可以看出第一种 胀管器胀管技术和第四种波纹管补贴技术虽然能够全井段修复，修复费用较低、对设备 和人员技术水平的要求不高，但是这两种修井工艺无法修复长井段套损和复杂的套损情 况；取套与换套、侧钻、衬管加固这三种修复工艺虽然可以解决各种复杂套损情况，但 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 是他们存在修复费用昂贵和对设备、人员能力要求高的缺点。 3 2 套损密封加固修复方案的提出与设计要点 3 2 1 修复方案的提出 随着油田开发开采到了中后期，原油开采成本逐渐上升，因此国内外各大油田每年 都在加大成本控制的力度。对每一种与油田生产有关的工艺、设备方面都有价格合理、 应用广泛的要求，所以目前的5 种修复工艺逐渐变的难以达到油田发展的要求，开发设 计出一种既能在全井任意深度范围内对复杂套损情况进行修复，而且又能充分利用普通 的油田作业设备、工艺简单、操作方便、修复费用较低的套损修复新工艺就成了油田套 损井修复的重要课题。 本论文是针对复杂套损井及腐蚀井的修复工艺而开展的研究。这两种套损井常规锥 胀法和波纹管补贴法因受修复长度的限制无法修复，取套与侧钻、村管加固法可以修复 但是施工工艺复杂、修复费用太高。因此本论文的主要研究目的就是开发设计出一种新 的修复工艺，以降低成本、提高修复速度为目标，对其套损井修复问题进行研究，它将 有助于提高大修井的修复率，同时也将为发展和丰富套损井修复技术起到积极作用。 3 2 2 套损井密封加固修复方案的整体工艺的设计要点 1 设计方案综合分析 套损情况综合复杂，往往是几种套损类型多次重复出现的复合类型，特别是修复比 较困难的错断类型、套变井段比较长的套变类型、以及大于5 米的套管破裂和大段套管 腐蚀类型的结合就使得修复工作难度加大、修复成本增高。本论文的初始就是设计一个 新的工艺方案，既能修复复杂套损的套损井，又能降低修复工作的难度、节约原材料， 从而达到降低修复成本的目的。 通过分析原有的五种套损井修复工艺，我们可以看到能够解决这类复杂套损类型的 工艺办法只有三种：换套取套、侧钻和衬管加固，由于前两种工艺需要利用大型钻井设 备、对施工过程的技术水平要求高，因此与本论文在降低修复费用的出发点有背离，在 整体工艺设计上我们不宜采用这两种办法，但是这两种工艺的打通道办法却是值得我们 借鉴和利用的。对于衬管加固修复