油水井套管修理工艺与研究.doc

中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目：油水井套管修理工艺与研究 学习中心： 东营校区学习中心 年级专业： 网络0*秋 石油工程（采油） 学生姓名： * 学 号： * 指导教师： * 职 称： 副教授 导师单位： 中国石油大学（华东） 中国石油大远程与继续教育学院论文完成时间： 2010 年 08 月 28 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 * 1设计(论文)题目： 油水井套管修理工艺与研究 2学生完成设计(论文)期限： 2010 年 3 月 1 日至 2010 年 9 月 3 日 3设计(论文)课题要求： 4实验（上机、调研）部分要求内容： 5文献查阅要求： 6发 出 日 期： 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 学 生 签 名： 摘 要油田油水井套管损坏问题是石油工程中的棘手难题,给油田开采带来了巨大的经济损失。目前造成套管损坏原因的研究较丰富，试验与实际充分结合，已提出了一些套管损坏预测方法。在竭力预防套管损坏的基础上，对已出现损坏的套管进行修理是必不可少的。本研究重点对油水井套管维修工艺进行综述，提出一些较为成熟可能性较大的维修方式，并对新手段进行了一系列试验，为套管维修工艺的研究做出了必要的贡献。通过本研究，对套管维修工艺有系统描述，主推效果显著的方法，形成了较完善的套管维修工艺序列，能满足不同条件油水井的套管维修需要，在油田可以大力推广，能取得显著的经济效益，为油田大发展提供技术保障。关键词：油水井，套管，修理，工艺，研究目 录第1章 前言11.1井身因素11.2地层因素11.2.1异常高压地层作用11.2.2地层沉降压实11.2.3地应力变化21.3生产因素21.3.1油层出砂21.3.2超高压压裂21.3.3热采21.3.4高压注水21.4腐蚀因素3第2章 套管损坏类型分析42.1套管弯曲42.2套管缩径42.3套管破裂42.4套管错断42.5套管穿孔52.6套管渗漏5第3章 套管损坏井的检测方法63.1超声彩色成像测试技术63.2井下摄像地面监测测试系统63.3多臂井径测试技术6第4章 预防套管损坏的主要措施74.1增加套管设计强度，提高其抗挤毁能力74.2选择优质套管74.3注汽井井身结构74.4适当降低注水压力74.5合理选择压裂设计方案7第5章 套管损坏井的修复85.1机械整形85.2化学修复工艺85.3套管补贴技术85.4深部取套技术8第6章 结论9参考文献10致 谢11前言胜利油田套损井数逐年增加，使作业及大修工作量大量增加，造成大批治理资金的被迫投入，日趋严重的油水井套破关井，严重破坏了油田的注采平衡关系，制约着油田注采结构的进一步调整。油井套破造成原生产层无法生产，潜力层无法动用，水井套破关井，造成平面上二次注采不完善。因此，有必要对油水井套管损坏的机理进行分析，并提出合理有效的治理对策。油水井套管的损坏一直是困扰油田油气生产的主要因素。对于套管损坏的机理我们进行了有针对性的研究，提出了高压注汽、地层岩性、应力及化学腐蚀、高压注水等诱发套管损坏的理论。这些研究对套管损坏的原因进行了分析，对今后如何预防套管损坏有一定的指导作用。第1章 套管损坏的原因分析造成套管损坏的原因很多，也很复杂，归纳起来主要有井身、地质、生产、腐蚀等因素，但绝大多数套管损坏是多种因素共同作用的结果。1.1井身因素井身因素主要包括套管设计强度不够、套管缺陷、井眼“狗腿度”超标，钻井过程中套管磨损、套管丝扣密封不严、水泥返高不够、固井质量差等。套管缺陷是指在套管加工制造时，出现壁厚不均匀、加工微裂痕或内部组织缺陷、连接螺纹间隙大等。这种套管下入井后，可能发生连接不好、密封不严、渗漏等问题，严重者会发生脱扣和断裂。在下套管时，套管外表面难免与坚硬岩层产生剧烈摩擦，特别是遇到“狗腿度”严重的井段时，若强行下入，套管一方面遭受严重磨损，另一方面套管柱易折断弯曲而变形损坏。1.2地层因素地层因素包括异常高压地层作用、地层沉降压实、地应力变化等。1.2.1异常高压地层作用异常高压地层是指上覆地层压力所造成的某一层段压力异常，在异常高压地层的作用下，围岩对套管产生非均匀外挤。如果套管强度设计不当，套管就有可能变形，甚至错断，从而导致套管塑性变形破坏。1.2.2地层沉降压实地层沉降压实会导致地层滑移，由于盖层的连续性及油层具有透镜状交错断面形状，压实表现为向下和向内的运动，使构造肩部以上的岩石剪应力增大，此处套管易发生错断。1.2.3地应力变化地壳运动及各种开采活动造成油藏体积发生变化，使得地应力发生变化，从而在地层中形变性质有明显差异的层面产生应力集中，使地层不同构造分层产生剪切滑移，导致邻井套管遭受非均匀外挤力而发生挠屈变形，甚至错断。1.3生产因素1.3.1油层出砂油层出砂会引起上覆岩体下沉和下覆岩体上冲联合作用，使油藏层段缩短，影响套管的横向支撑，使其形成挠曲。1.3.2超高压压裂压裂过程中，压力可能沿套管上移，导致上覆盖层压力增加而发生错断。另外，压裂支撑剂的固体充填引起的永久性体积变化也会导致地层沿层面滑动。注入区域上部任何弱强度界面都可能发生错断，尤其是在沿着套管存在高压泄漏时。超高压压裂产生的垂直裂缝容易沟通盖层中的泥页岩层，使泥岩层吸水膨胀并产生滑移，如果此处套管强度设计不够，则可能被破坏。1.3.3热采热采会导致油藏受热膨胀，由于地层物质是非弹性的，即使很小的膨胀量也能产生较大的应力变化和错断位移。在热采过程中，因热应力和腐蚀的共同作用而造成的套管损坏在油田很普遍。1.3.4高压注水高压注水会降低地层有效应力，造成地层体积膨胀。当压力从注水井扩散和从可渗透岩石向外扩张时，会对油层和边界层之间的界面产生很大的剪应力。如果该剪应力超过了界面强度，就会发生滑移，使邻井遭到破坏。高注入压力容易通过对周边压裂生成和移动的方式，沿着水泥岩石套管界面向上移动，尤其是在固井水泥浆凝固时水泥收缩的情况下。在浅层的任何弱强度区域增压都会大大增加错断的可能性，特别是存在巨大天然剪应力的地方。1.4腐蚀因素井下套管腐蚀机理很复杂，常见的有电化学腐蚀、化学腐蚀、细菌腐蚀和氢脆，而最普遍的就是电化学腐蚀。主要由溶解氧、CO2、H2S、Cl-、HSO4-、HCO3-等造成，现场常见的是溶解氧、CO2和H2S引起的套管损坏。第2章 套管损坏类型分析油田油水井套损形式主要包括以下几种类型：弯曲、缩径、错断、破裂、穿孔、渗漏。图1油田油水井套损形式示意图2.1套管弯曲油层套管的某一段发生了弯曲，这段套管的轴线不再是直线。用薄壁管验套时，薄壁管发生明显弯曲。在统计的68口套损井中有5口井属于弯曲变形类，占统计数的7.4。2.2套管缩径油层套管的某一横截面半径缩小。这类套管变形的特征是铅模印迹呈圆台状，且侧面和端面光滑。在统计的68口套损井中，套管缩径的有4口，占被统计数的5.9。2.3套管破裂油层套管在某一部位发生破裂。套管破裂的铅模印迹的特征是一段曲弧状凹槽，通常曲弧的一端切割铅模的边缘，有时印迹也呈现为一段环状斜面。在统计的68口套损井中，属于此类型的有6口，占统计数的8.8。2.4套管错断油层套管在某一部位发生断开。套管断开的铅模印迹特征是一段半径与套管半径相当的弧状凹槽。统计的68口套损井中，属于此类型的有6口，占统计数的8.8。图2 油层套管错断井铅模印迹实例照片2.5套管穿孔油层套管在某一部位发生穿孔。用铅模和验套薄壁管难以验出油层套管的穿孔漏失，目前较有效的方法是封隔器找漏、同位素找漏、井壁超声电视成像找漏、微井径仪找漏。统计的68口套损井中，属于此类型的有43口井，占统计数的63.2，是临南油田油水井（尤其是油井，腐蚀穿孔类占套损油井数的78）套管损坏的主要形式。2.6套管渗漏油层套管在某一部位发生渗漏，多为套管连接处密封性受到破坏。主要原因为套管丝扣质量、下入时施工质量、地层水长期腐蚀及纵向拉伸脱扣所致。套管渗漏的油井，找漏施工时较难发现漏点，但油井生产状况及水性分析却极为不正常。在统计的68口套损井中，属于此类型的有3口井，占统计数的4.4。第3章 套管损坏井的检测方法目前油田套管检测的常规方法主要有电磁、超声波、涡流、机械电位、吸水剖面异常等检测法，均是通过检测到的物理信号间接地判断套管的腐蚀及损坏情况，漏检和误检率较高。而以下几种方法的检测效果则比较好。3.1超声彩色成像测试技术利用超声波在井内介质中的传播和反射原理，对井下管壁进行扫描，发射和接收脉冲式超声波，对套管内壁的回波幅度信息进行接收处理，然后利用计算机进行处理，得出套管的损坏情况，进行综合分析，得出正确结论，以便采取有效的修复措施，恢复油井正常生产。3.2井下摄像地面监测测试系统该系统利用探头端部的摄像头，对套管内壁表面进行拍照，得到套管内壁的图像，并通过计算机图像的实时监视，把图像数据输入到计算机，进行图像和数据处理，并对图像中套管表面缺陷进行分类识别，从而可自动地对套管的目前状况做出准确检测，找到套管损坏的原因。3.3多臂井径测试技术多臂井径测试技术是利用探针对套管内径变化情况进行检测的仪器。仪器的每一根探针可显示套管内半径，可发现套管内径的变化，并用计算机进行处理，找到套管变形的准确部位。第4章 预防套管损坏的主要措施4.1增加套管设计强度，提高其抗挤毁能力针对套管设计强度低而引起的损坏，在套管设计时，在容易引起损坏的井段，如射孔段、泥岩层段、断层附近等处，应选用高强度的P110钢级厚壁套管。4.2选择优质套管套管一般采用含碳的碳-锰-铝系列低合金的热轧无缝钢管或高频直缝焊管，或不锈钢管。选用特殊螺纹来实现螺纹部分与腐蚀介质相隔绝，并保证螺纹连接处的强度超过管体强度。也可通过相应工艺处理，在套管表面形成一层具有控制腐蚀作用的涂层，直接将套管与腐蚀介质分离开来。4.3注汽井井身结构对于注汽井井身结构，推荐采用带防热膨胀的伸缩节，连接在套管的中下部位，并对油层部位尽可能不用水泥固井，使套管在高温下有一个自由膨胀量，这样可防止高温使套管产生的内应力所造成的套管破坏。4.4适当降低注水压力为了防止注水引起套管损坏，注水压力不得高于地层最小水平主应力值。应定期对高压注水井实施洗井、防膨胀及解堵等作业，防止地层污染，并开展周期注水降压试验，以有效地控制注水压力的持续上升，扩大注水波及体积、降低注水压力。在油田注水开发时，采用行列注采井网和菱形注采井网，可以防止或延缓处于裂缝方向上的油井由于水淹而导致的套管变形。4.5合理选择压裂设计方案针对压裂引起的套管损坏，设计压裂方案时，要根据压裂层和盖层的岩性、厚度及力学参数，合理选择排量，防止裂缝延伸至盖层，尤其是泥岩隔层，避免为注入水进入泥岩形成良好通道。第5章 套管损坏井的修复5.1机械整形套管整形大多采用机械整形法，有胀管器整形、磨铣整形、顿击器扩径整形等。实践证明，机械整形只适用于变形量较小的情况，无法修复活动型错断井。5.2化学修复工艺化学修复工艺主要有爆炸整形、爆轰补贴、焊接扩径、化学堵漏等。爆炸整形工艺适用范围广，对于椭圆变形、套管错断、错断口伴随的弯曲变形及大井段、多点变形，都能通过爆炸整形工艺加以修复或改善。该方法施工周期短，费用低，效果好，但必须在弄清套管损坏情况的基础上，解决好药量、爆速控制、布药方法和引爆点等关键问题，才能获得理想的修复效果。爆轰补贴使用外径小于套管内径的金属无缝钢管作为补贴管，用炸药或火药在爆炸时释放的能量将衬贴管胀大并牢固地补贴到套管内壁上，形成双层或多层组合套管。补贴后的套管不仅起到密封堵漏作用，且承受内压和地层挤压的能力也显著提高。由于衬贴管与套管结合牢固，可防止使用过程中衬贴管脱落，因此既可适用于老井套管的修复，也可用于预防新钻井的套管变形。化学堵漏是利用化学堵漏剂封堵套管腐蚀穿孔漏失和修复封固段套管变形破裂。5.3套管补贴技术膨胀管套管贴补技术是近几年兴起来的、对破损套管进行有效修复的一项技术，目前普遍采用的有实体膨胀管和波纹膨胀管两种，这两种技术各有所长，在国内各大油田都处于试验应用阶段。波纹管补贴技术用于修复套管局部腐蚀、穿孔、误射孔、丝扣漏失、封堵水层等，原理是将低碳钢波纹管下入套管漏失部位，通过水力补贴工具产生轴向力，使胀头上行，将波纹管胀圆，借助粘结剂紧紧地挤贴在漏失套管内表面，形成不渗漏的密封层，封堵漏失套管。实体膨胀管套管贴补技术是将一段延展性较好的管柱下入到破损的油气井套管中，锚定后，用高压工作液驱动膨胀锥自下而上的将管柱胀开，膨胀永久变形后的管柱紧贴在外层套管上，两端带有密封元件，随着膨胀管一起挤紧在外层套管上，确保膨胀后管柱能彻底封堵住漏失套管（图3），实体膨胀管的材料普遍以13Cr为主，因为13Cr有非常好的延展性和韧性不易在膨胀过程中损坏，膨胀后管柱的壁厚能达到8-10毫米，膨胀扩大率（内径）达到12-14%。图3膨胀管示意图5.4套管防磨技术解决套管的磨损有多种技术和方法，首先是从材料上进行考虑，较大幅度的提高钻杆接头的硬度，拉大与套管硬度的差距，同时提高钻杆接头的表面光洁度，降低摩擦系数，从金属摩擦学来分析，两种材料的硬度越接近越容易产生磨损。其次降低材料中铬的含量，也是一种减少磨损的方法，由于金属铬是一种非常粘性的材料，相互摩擦，就可形成粘接，然后撕裂，加剧磨损。近几年国内外兴起的防磨技术是将套管和钻杆接头之间隔开。采用钻杆防磨套，或是钻杆防磨短节等特殊工具，将钻杆接头和套管之间的相对运动分开，使钻杆接头不再摩擦套管。钻杆防磨套主要有套筒和接箍组成（图4），套筒是由特种高分子材料制成，耐磨性非常好，摩擦系数低，接箍是耐磨的铝合金材料，套筒通过接箍，固定在钻杆接头上，隔开套管和钻杆接头，钻杆接头旋转式只在套筒内转动，这样不摩擦套管，防止套管磨损。另一种防磨钻杆短节原理同钻杆防磨套一样，只不过将钻杆防磨套安装在钻杆短节上，钻杆短节接在两根钻杆之间，起到防磨作用。图4 钻杆防磨套5.5深部取套技术深部取套是治理错断、破裂、补漏井的一种有效的技术手段，它可以彻底修复套管。第6章 结论造成油水井套管损坏的原因很多，主要有井身、地质、生产、腐蚀等因素。绝大多数套管损坏是多种因素共同作用的结果。目前尚未发现更好的有关套管损坏井修复的报道，因此需作好预防工作。经研究，选用优质套管、增加套管的设计强