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套损并修复配套技术研究 杨斌( 石油与天然气工程) 指导教师：李兆敏( 教授) 王世虎( 教授级高级工程师) 摘要 随着油田开发时间的不断延长和开发工作的不断深化，地层的流体 场、压力场发生很大变化，加之频繁的油水井措施和修井施工以及井身 结构、完井固并质量、管材及腐蚀等诸多因素，使得油水井套管的技术 状况越来越差，导致破裂、变形、穿孔、错断等套管损坏现象不断发生。 针对上述问题，本文从套损井修复机理研究、套损井的整型技术研 究、套损井套管修复技术等方面对套损井进行了系统的研究探索，从理 论上解决了小通径套变井整型及扩眼工艺技术和长井段井下连续套管加 固修复技术。项目根据现场检测套管损坏情况，通过室内试验和理论分 析，得出了套变井整形力数学模型，获得整形力与变形量之间的关系规 律，并进行了试验验证，完成套损井修复力学分析研究工作，并依据上 述理论完成液压整形工具的研制，该工具避免了传统机械整形工具单次 整形量小，工具系列多等问题，解决了由于整形套管回缩而造成整形工 具起不出来的难题。课题还完成了两种方案的长井段加固工艺，一种是 采用井下对接技术实现长井段套管加固，同时改进了井下连续长井段加 固技术，该技术采用两套加固工具对加固管的上下密封部位分别进行加 固，一次可以实现5 0 m 以上井段密封加固。 关键词：套损井，修复，整形，加固 r e s e a r c ho nc 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 gd a m a g ew e l l s y a n gb i n ( o i l & g a s e n g i n e e r i n g ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：l iz h a o - m i n ( p r o f e s s o r ) w a n gs h i h u ( p r o f e s s o rs e n i o re n # n e e r ) a b s t r a c t w i t ht h ep r o d u c t i o no fo i l f i e l d s ，b a s e do nt h ef o l l o w l i n g f a c t o r ss u c ha sh y d r a u l i cs y s t e m ，p r e s s u r ef i e l d ，a n df r e q u e n t s t i m u l a t i o nt r e a t m e n t so rw o r k o v e r sm a k et h ec a s i n gs t a t u sb e c o m e w o r s ea n dw o r s e ，s ot h em o r ea n dm o r ec a s i n gd a m a g e p h e n o m e n a o c c u r t h i s p a p e rd e t a i l sp r o j e c to b j e c t i v e s ，j o bd e s i g n ，a n d i m p l e m e n t a t i o n i tp r e s e n t st h ec a s i n gr e p a i rm e c h a n i s mo ft h e c a s i n gd a m a g ew e l l s ，w h i c hs o l v et h ei n t e g e ra n dr e a m i n go ft h e s m a l lb o r es i z ew e l la n dt h ec a s i n gr e p a i ro fl o n gw e l l b o r ec a s i n g s e c t i o n m o r e o v e r ，t h ep r o j e c tf i n i s h e dt h em e c h a n i c sa n a l y s e sa n d g a i n e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n das e to fh y d r a u l i ci n t e g e rt o o l s h a v ed e v e l o p e d t h en e wt o o l sc a ns e t t l em a n yp r o b l e m sc a u s e db y t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a li n t e g e rt o o l s ，s u c ha s ，s h o r tc a s i n g s e c t i o n ，m o r et o o l s ，d i f f i c u l tp u l l i n go u t i na d d i t i o n ，t w op r o j e c t sa r ef i n i s h e d ，i nw h i c ha p p l yd o w n h o l e b u t tj o i n tt e c h n o l o g yt or e a l i z et h er e i n f o r c e m e n to ft h el o n g w e l l b o r ec a s i n gs e c t i o n 。t o t a l i n gm o r et h a n5 0mi nl e n g t h t h i s c o n t r i b u t e d t oi m p r o v e dw o r k o v e re c o n o m i c s a n d q u i c k i m p l e m e n t a t i o no fl e s s o n s k e yw o r d s ；e a s i n gd a m a g ew e l l ，c a s i n gr e p a i r , e a s i n gi n t e g e r ，c a s i n g r e i n f o r c e 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文主要符号表 主要符号表 e 一杨氏模量； 盯一单向应力状态下的横截面上应力； 占一仃方向上的应变； 一单向应力状态下材料发生屈服时的应力； 五一正标量，或简单的称作屈服变形率。 o r ：一围压； 口。一套管的屈服应力，m p a e 一杨氏模量 d 0 一补贴管内径，姗 j 补贴管壁厚，m ； a p 一补贴管内外压差，_ 6 , t p a 。 盯。一补贴管密封段预压应力，m p a ； 口一补贴管线膨胀系数，1 o c ； e 一补贴管正常工作温度下的弹性模量，g p a ； 丁一密封管正常工作和补贴时的温度变化，o c ； 五。一材料发生弹性稳定失效的临界柔度。 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 拉迅 力刁年j - 月巧日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 舞请典 3 - 目毽e t g - 窍国e t 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 项目概述 随着油田开发时问的不断延长和开发工作的不断深化，地层的流体 场、压力场发生很大变化，加之频繁的油水井措施和修井施工以及井身 结构、完井固井质量、管材及腐蚀等诸多因素，使得油水井套管的技术 状况越来越差，导致破裂、变形、穿孔、错断等套管损坏现象不断发生。 2 0 0 3 年4 月，有限公司开发管理部组织对所属的1 0 个采油厂的套损井 情况进行了调研，目前胜利油田有套损井5 4 2 7 口( 其中油井3 3 1 8 口， 水井2 1 0 9 口) ，占总井数的1 9 8 。报废井4 8 3 8 口，其中因套损原因报 泼的1 5 0 2 口，占3 1 1 ：停产井7 2 1 2 口，因套损原因停产井2 0 8 9 口， 占2 9 ；生产井1 5 3 2 5 口，其中套损井1 8 3 6 口，占1 2 。由于套管损 坏，使得油井对应的控制储量不能动用。由于套管的损坏，使得注水井 无法正常注水，相对应的油井能量无法得到补充，开发方案无法实旌， 影响到区块的最终的采收率。 对套管损坏的类型进行进一步分析，出现套管变形的占5 9 ，其中 弯曲变形的占3 4 ，缩径变形的占2 5 ；出现套管漏失的占4 1 ，其 中套管破裂的占1 6 ，套管错断的占1 3 ，穿孔漏失的占1 l ，套管 外窜的占l 。 在以上套损类型中，变形和错断所占的比例相当大，而对弯曲和错 断目前采用的修复方式主要为爆炸整形和磨铣打通道，修复花费时间长， 成功率低，特别是缩径、错断后通道很小的时候，打通道的成功率更低， 是亟待解决的重要问题。同时，各种套管修复技术中，以套管加固技术 和小套管二次固井技术修复效果好，但套管加固技术目前受修井设备起 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 吊高度的影响，加固长度受到限制，对长井段破损套管的修复无能为力， 以上这些问题都是套损井修复工作中亟待解决的问题。 1 2 国内外套损井修复配套技术概况及发展趋势 为了全面掌握目前国内、外套损井检测修复工艺技术现状，了解国 内、外套损井修复的技术水平，我们检索了与套损井相关的文献资料， 检索范围包括；中国石油文摘、国外石油文摘、中国专利、中国学术期 刊等。 从文件检索和现场调研情况来看，目前国内外已经形成的套损井检 测工艺技术有井温仪测井温验漏技术、多臂井径仪井径测量技术、超声 波成像技术和井下电视检测技术。尤其以井下电视检测技术发展最快， 应用效果最好。 近年来，各油田先后开展了套损井的修复工作。套损井的修复主要 有机械方式和化学封堵两种方式。机械修复方式主要有倒换套、套管补 贴、套管加固、小套管二次固井等，其中倒换套工艺技术对套管内径没 有影响，但只适合于浅井段施工；套管补贴耐压强度和悬挂能力较低， 对套管内径影响较小；套管加固工艺技术耐压强度和悬挂能力较好，但 对套管内径影响较大，同时在注气井上采用该技术有效期短，目前的技 术还不能解决长井段加固的问题；小套管二次固井耐压强度和悬挂能力 都较好，适合各类井施工，但采用二次固井技术对套管内径影响较大， 施工成本相对较高。 从以上对各种套管修复技术的分析中可以看出，虽然套管加固技术 和小套管二次固井技术对套管内径的影响比较大，但其耐压强度高，悬 挂力大等特点非常适合于套损井修复后的实施各种生产和增产措施，因 此，也是套损井高强度修复的主要方向。关于套管修复后的二次完井技 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 术，经过检索，没有发现套损并修复后注采配套技术相关材料。国内其 他油田在套管缩径井完并管柱方面开展了一些工作。 1 3 项目研究的目的意义 通过对套损井进一步调研分析，在现有经济技术条件下有修复潜力 的套损井9 8 7 口，占套损井的2 5 2 。有潜力的套损井全部修复后预计 日增油3 4 0 0 吨，日增注2 2 1 8 4 方，恢复地质储量6 9 3 0 万吨，恢复水驱 控制储量5 8 1 3 万吨，恢复可采储量1 8 5 3 万吨。因此，开展套损井的修 复及配套注采技术研究在胜利油田具有重大意义。 1 4 课题主要研究内容及技术关键 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 套损井修复机理研究 应用井下电视系统等技术检测套管损坏情况，进行套变井修复力学 分析，建立数学模型，优选整形工艺。 ( 2 ) 套损井的整型技术研究 研究通径4 0 m m 以上的小通径套变井整型及扩眼工艺技术 研究小通径错断井的打通道技术 ( 3 ) 套损井套管修复技术 长井段井下连续加固套管修复工艺技术 适用于热采井的预应力套管加固修复工艺技术 1 4 2 技术关键 ( 1 ) 小通径套变井整型及扩眼工艺技术 ( 2 ) 长井段井下连续套管加固修复技术研究 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 1 5 课题完成情况 1 5 1 室内理论研究 ( 1 ) 完成套损井修复力学分析研究工作 项目根据现场检测套管损坏情况，通过室内试验和理论分析，得出 了套变井整形力数学模型，获得整形力与变形量之间的关系规律，并进 行了试验验证。利用上述数学模型，优选出合理的单次整形膨胀量，为 选配整形工具提供理论基础。 ( 2 ) 完成长井段加固技术研究 项目完成了两种方案的长井段加固工艺，一种是采用井下对接技术 实现长井段套管加固，该技术一次加固的最大长度为8 m ，井下套损长度 大于8 m 是可以采用再次下入对接加固管的方法实现长井段的加固。另 一种是井下连续长井段加固技术，该技术采用两套加固工具对加固管的 上下密封部位分别进行加固，一次可以实现5 0 m 以上井段密封加固。 ( 3 ) 完成液压整形工具的研制 液压整形工具采用地面液压作为动力，分瓣式涨头为涨管工具，避 免了传统机械整形工具单次整形量小，工具系列多等问题，解决了由于 整形套管回缩而造成整形工具起不出来的难题。 1 5 2 现场试验应用 套损井修复及配套注采技术在现场取得了较好的应用，分别完成了 5 口井套管打通道施工，完成8 井次的现场套管加固试验工作。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套损井修复力学分析研究 第2 章套损井修复力学分析研究 2 1 套管变形分析及分类 油水井套管变形是一个不争的事实，套管变形的程度可以通过一些 工程测井的方法确定出来，但是要利用数学的方法真正描述出每一个套 管变形的形状是很困难的，其原因在于套管在地下岩层和孔隙压力所受 的作用力的不确定性和任意性，决定了套管变形的不确定性和任意性。 但是我们通过分析和归纳以及参考有关资料还是能对其变形的基 本类型进行分类的。 从同截面上变形的数量分：单点变形和多点变形( 如图2 - i ) ； 厂、 图 l单点变形和多点变形 从同截面上变形的分布状态分：对称变形和非对称变形( 如图2 - 2 ) ： 图2 一z对称变形和非对称变形 从同截面上变形的形状分：凹陷变形和颈缩变形( 如图2 3 ) ； 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套损井修复力学分析研究 图2 - 4弯曲变形和凹陷变形 ( 如图2 4 ) 下面的讨论只讨论缩径变形的情况。 2 2 缩径变形套管材料的模型以及确定修复力的理论基础 根据有关理论，材料在外力作用下，是否发生永久变形，仅仅与材 料的机械性质和力的大小有关，而与材料的结构和形状没有关系，也就 是说，只要材料的机械性质没有变化，决定材料是否发生永久变形的因 素只有作用于材料上的力的大小，与材料的原始形状无关。 2 2 1 常见材料的机械性能类型 根据资料显示，现在工程上常用的材料中，其材料的机械性能类型 ( 或弹塑性模型) 基本可以分为四种： 6 主垦互塑查堂! 兰奎! 三塑堡主堂笪丝茎 笙! 皇奎塑茎堡里查堂坌堑堡窒一 ( 1 ) 理想弹塑性模型； ( 2 ) 弹性一线性强化模型； ( 3 ) 弹性一幂次强化模型； ( 4 ) r a m i f y o s g o o d 模型。 以上四种弹塑性材料模型所对应的单向应力状态下的应力一应变 曲线如图2 5 。 图2 - 5 不同弹塑性材料模型应力一应变曲线 0 一理想的刚塑性材料；1 理想弹塑性模型； 2 - 弹性一线性强化模型；3 一弹性一幂次强化模型； 4 - r a m b c r y o s g o o d 模型 ( 1 ) 理想弹塑性模型 对于第一种材料模型，材料单向应力状态下的应力一应变关系可以 用下式表示为： f = 要，盯 o 0 - ( 2 - 2 b ) 式中：e 一理想的材料强化阶段的线弹性模量。 3 弹性一幂次强化模型 对于第三种材料，材料单向应力状态下的应力应变关系可以用下 式表示为： 仃= e 8 ，盯a 0 ( 2 3 a ) 盯= 拓“，盯 o o ( 2 3 b ) 式中；意、”一材料的两含互相不独立的常数，由实验获得。 ( 4 ) r a m b e r y 一0 s g o o d 模型 对于第四种材料，材料单向应力状态下的应力一应变关系可以用下 式表示为： 占= 暑+ 订( 詈) ” c z 一4 ， 式中：口、b 、刀材料常数，由实验获得。 ( 5 ) 理想的刚塑性材料模型 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章套损井修复力学分析研究 还有一种特殊的材料模型，我们称其为理想的刚塑性材料( 图中0 号曲线 ，材料单向应力状态下的应力一应变关系可以用下式表示为： 占= 0 ，o r 9 0 丢手压力，g p a 1 0 2i o 2 倒扣丢手圈数 1 0 - 1 51 0 1 5 3 2 5 小结 小通径错断井打通道技术提出了与以往不同的修复措施，并设计了 配套工具，制定了相应的施工工艺，与以前使用的错断井修复措施相比， 该技术具有施工可靠，节省施工时间，减少工人劳动强度等优点。但该 技术也存在不足之处：对待修复套管内径有一定范围限制，针对套变严 重( 闭合死) 、错位大等状况还难以解决。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章套损井套管加固工艺技术研究 第4 章套损井套管加固工艺技术研究 套损井套管加固主要是指在套管内对损坏部分的套管进行修补加固 的工艺技术，通常包括套管补贴工艺技术、套管加固工艺技术、小套管 二次完井技术等。 套损井打通道完成后就可以进行套管补贴。常见的套管补贴方式之 一是采用波纹管进行补贴。所谓波纹管补贴就是用高塑性的钢材作为补 贴管，为了使补贴管容易下入井眼内，将波纹管沿纵向做成一定数量的 褶子( 补贴管有了棱角，波纹管因此而得名) ，到了补贴位鹭，再将波纹 管的“波纹”胀开，胀开后的补贴管外径大致等于要补套管的内径，这 时波纹管恢复成圆钢管，紧紧的内衬在套管壁上，与套管形成一体。另 一种套管补贴技术是套管加固技术。套管加固技术该技术采用厚壁的加 固管，两端采用软金属进行密封，通过液压或爆炸的动力，将软金属固 定在套管壁上，同时起到密封和挂接的作用。和波纹管补贴相比，套管 加固具有悬挂能力强、耐压高等特点，目前在胜利使用比例较大。小套 管二次固井技术是将小套管( 相对原井套管) 下至需修补的井段以下， 小套管悬挂器座挂丢手后( 或井口悬挂) ，再环空固井，试压后射孔。 上述套管加固方法各有优缺点：波纹管补贴完成后内通径大，但补 贴强度低，厚壁管加固强度高、耐温高等优点但内通径损失大，小套管 二次固井只能进行井底附近套管的加固施工，同时固井水泥存在污染油 层的可能，另一方面，上述工艺对于热采井而言，存在有效期短等问题。 4 1 加固套管合理壁厚的确定 4 1 1 力学模型建立 补贴套管工艺是在损坏套管附近再补贴段密封管的工艺过程，补 贴后该密封位置不仅能承受内外压力，而且要保证密封管两端的密封位 置长期有效，和原套管成为一体，同时还要保证保证密封管有足够的强 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章套损井套管加固工艺技术研究 度。 设补贴管长度三，内径0 0 ，壁厚艿，材料的屈服强度，壁厚和内 径之比比较小，所以，从力学角度，这种构件般在设计时按薄壁筒考 虑，同时，补贴套管相对来说都有一定的长度，而且补贴管的直径和长 度之比基本都在l ：6 以下，从力学角度，可以忽略管端的约束。 则，根据强度条件，补贴管最小壁厚氏。按下式确定： 2 蠢d o ( 4 - 1 ) 式中；p 补贴管的内外压差，m p a p 卜一补贴管材料的许用强度，m p a ，查有关手册 5 或按下式计算： 【盯】- 鱼，栉一安全系数，一般盯：1 5 3 。 d o 一补贴管内径，咖。 4 1 2 计算实例 设有- - 3 1 , 贴管内径巾1 4 0 r a m ，补贴管长度为8 米，材料为4 5 号钢， 补贴后能承受的压差为印= 2 5 m p a ，试确定其最小壁厚氏。 查手册可知，4 5 号钢的屈服强度o r o = 3 5 5 m p a ，则，取安全系数1 5 ， 则，p 】= 2 3 6 7 m p a ， 最小壁厚： = 篇d o = 丽2 5 1 4 0 _ 7 4 删 依据计算，补贴管的最大外径为由1 5 4 8 r a m 。 下表列出了不同压力值下补贴管的最小壁厚要求( 假释材料为4 5 号 钢，补贴长度为8 m ) 。 3 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章套损井套管加固工艺技术研究 表4 1 不同压力值下补贴管最小壁厚计算数值 序号补贴管内外压差，i v i p a最小壁厚，m m补贴管外径。m m 1 1 0 2 ，9 61 4 5 9 2 21 23 5 51 4 7 1 31 54 4 41 4 8 8 8 41 85 3 31 5 0 3 3 5 2 05 9 21 5 1 8 4 6 2 2 6 5 l1 5 3 0 2 72 57 41 5 4 8 特别注意，如果补贴管比较短，则应该考虑两端约束( 当补贴管长 度可以和直径相比时) ，此时可以利用a n s y s 计算软件多次试算来确定最 小壁厚j 向，基本方法是：( 1 ) 确定材料的弹性模量e ，材料的泊松比， 材料的许用强度 盯】，补贴管的最大外径d ，工程需要的最小壁厚瓯。和 长度l ；( 2 ) 建立力学模型并确定两端约束性质；( 3 ) 有限元网格划分： ( 4 ) 内圆面施加面力( 劬) ；( 5 ) 求解；( 6 ) 分析比较结果( 计算结果 和材料的许用强度p 】) ，如果计算结果大于p 】，增加最小壁厚氏。，重 新( 1 ) ( 6 ) 步；( 7 ) 确定最小壁厚。 4 ，2 长井段井下连续加固套管修复工艺技术 前面已经介绍，目前国内外正在展开套损井修复技术的研究和应用， 常用的套管修复技术有取换套管技术，二次固井技术、套管内贴补技术 等，其中套管内贴补技术是一种投资少、成本低、时间短、效益好的新 技术。从贴补方式上看，有胀管式、爆炸式、波纹管式等套管贴补方式。 但是目前所应用的这些套管贴补技术存在以下些问题： 1 波纹管补贴承压能力差； 2 受作业设备的限制，贴补井段小，一般在l o r e 以下。 4 2 1 总体方案设计及设计指标 ( 1 ) 长井段加固方案 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章套损井套管加固丁艺技术研究 对于套管加固工艺技术来讲，其加固管的长度受设备的起吊高度、 加固管的刚性强度等各方面因素影响，单根加固长度一般不超过1 0 米， 对于井下长井段的破损来说无能为力。为此，我们提出了两种类型的长 井段加固方案一一井下对接长井段加固和井口连接长井段加固，并完成 了配套工具的设计和实验。 井下对接长井段加固工艺 井下对接长井段加固工艺技术采用两种密封管加固形式，施工分需 要多次进行，首先下入第一级的加固管，和常规加固工艺不同的是，该 工艺加固完成的补贴管上部为可对接的密封装置，完成这一步的施工后， 下入第二级可对接的加固施工管柱，在井下实现对接加固施工，利用这 种方法可以继续进行第三级、甚至更多级的对接加固。 井口连接长井段加固 井口连接长井段加固采用螺纹将补贴管管在井口连接起来，补贴管 的两端同样采用密封管密封，为了防止补贴管在加固过程中失稳，该项 技术采用两套液压加固工具对补贴管两端的密封管分别实施膨胀密封， 采用该技术可以实现井下较长破损井段的修补，加固时上下两部分一起 动作，可一次完成加固补贴，避免了多次下入管柱。 ( 2 ) 设计技术指标 加固长度： 1 8 m ； 耐压： 1 5 m p a ； 4 2 2 井下对接长井段加固工艺 ( 1 ) 工艺管柱 井下对接长井段加固工艺由两部分工艺组成，第一级是最下一级加 固工艺管柱，