第8章-套管的损坏与修复.ppt

我国油气井套管损坏最早是在玉门油田发现的，80年代后期，华北、中原、胜利、青海、长庆、辽河、大港、四川等油田也出现了不同程度的套管损坏。90年代以来，上述大部分油田套管损坏呈上升趋势。截止到1994年，套管损坏井已达到13500多口，目前保守估计全国有套损井20000口。我国套损严重地区有大庆油田、吉林油田、中原油田和胜利油田。各油田套损井数还有上升的趋势。,第六章套管的损坏、预防及修复,2003年4月胜利油田10个采油厂的套损井情况统计,2005年辽河油田五大热采区3870口热采井套损调查表,辽河油田五大热采区套损分类,在油田的开发过程中，生产井或注入井（注气井、注水井等）发生套管损坏后会产生以下危害：(1)造成井的停产或报废，延长了油水井的非生产时间，增加了修井作业的成本。(2)破坏了注采井网的正常布置和注采层系方案的实施，降低了油气产量。(3)当某一口井发生套管破漏或错断后，往往会造成水层（注水层或水层)与其它层系间的水窜，软化泥岩层，形成大面积水浸域，引起相邻井套管成片损坏，进而形成恶性循环。(4)下部高压产层的油气水可能上窜至上部某一浅地层，造成上步浅地层的高压或浅层气，对钻井带来较大的安全隐患。,一、套管损坏后的危害,二、套管损坏的主要原因,1地质因素(1)盐膏等蠕变性地层对套管产生很大的挤压应力，当应力超过套管的抗外挤强度时发生破坏。(2)构造应力作用。在长期的生产过程中，由于地层断层活动、地下地震活动、地壳运动等损坏套管。另外，地层的倾角、岩石的非均质性也会因地应力的集中损坏套管。(3)地层含有腐蚀性介质，套管发生严重的化学和电化学腐蚀。如H2S、CO2气体，无机盐类，硫酸盐还原细菌和嗜氧细菌等。,2.工程因素套管强度设计和选型不合理。盐膏层段、酸化压裂井的套管强度偏低，腐蚀性地层流体环境下的套管类型不抗腐蚀，没有采取合理的防腐措施。(2)射孔引起套管损坏。高强度射孔弹射孔后孔眼附近形成微裂纹和应力集中，在长期应力状态下形成应力腐蚀开裂及疲劳裂纹扩展，导致了套管的破裂和错断。(3)套管在钻井或修井过程中发生严重磨损。(4)套管本身质量存在缺陷，下套管过程中上扣扭矩过大或过小引起套管丝扣处应力过大或密封不严，造成套管丝扣处早期破裂或腐蚀性损坏。(5)固井质量不合格。,二、套管损坏的主要原因,3.生产措施(1)注气热采井引起套管发生很高的内应力。在注蒸汽时如不加隔热管和封隔器，整个套管段受到高温（温度可达350），对水泥封固段，套管不能自由伸长变形，在套管内会产生很大的压应力。对未封固段，如果井口固定死，套管受压弯曲致使破坏。间隔高压注蒸汽时，套管受热胀冷缩影响使套管疲劳破坏。同时热采井也会破坏水泥与套管的联结。(2)不合理注水开发引起地应力的变化挤毁套管注入水挤入油层顶部或底部的泥岩中，使水敏性强的蒙脱石水化膨胀，对套管产生较高的挤压力，挤坏套管；两种岩性的界面遇以后，减小了层间摩擦系数，致使倾角较大的地层发生滑移，错断套管上下岩层相对滑动，将套管剪坏；注入水进入断层或破碎带后使胶结物水化，导致断层或破碎带复活，引发地层错动而挤坏套管。,(3)酸化压裂造成的套管损坏。一般压裂的压力较高，并且在裂缝内加入支撑剂，造成地层对套管的挤压力。(4)地层出砂是造成油层套管变形的主要因素。油层出砂形成空洞后，由原来油层承受的重力除了空洞中流体承受一部分外，相当一部分转嫁给了套管,当转嫁力达到或超过套管的极限强度时，套管失稳，产生弯曲变形，严重的甚至造成套管错断。(5)采油强度过高会使套管受到的外载增大，采油过程中的频繁开关井，会使套管发生疲劳破坏。,(1)对盐膏层和高地应力区域段采用双层套管或高强度套管.API标准的钢级通常为P110。国外已开发出比API5CT标准更严格、强度级别更高的油井管。超高强度套管都是特殊螺纹管。日本住友金属工业公司的SM系列及G组、日本钢管(NKK)公司的NK系列等均为超高强特殊螺纹套管。5000m以上的超深井，已使用NK-V150钢级。(2)对腐蚀性环境，在完井液中加入抑菌剂或杀菌剂；对含H2S或CO2的油气井，在油层段选用抗硫、抗CO2的套管类型；对套管采取阴极保护措施。(3)酸化时要配入缓蚀剂，酸化后要及时地排液洗井。在压裂作业时在压裂部位加上、下封隔器，防止压力传入其它部位。增加油层部分的套管强度和抗腐蚀性能。(4)压裂时要控制压裂位置和压力，防止压裂压力过大而压穿地层，将压裂液压入相邻的断层、泥页岩层，造成蠕变、滑移。,三、套管损坏的预防措施,(5)对注气热采井，提高套管钢材的热稳定性能和接头处的密封性，提高热采井的固井质量和两个界面的胶结强度，采用预应力固井技术或热应力补偿装置。(6)对于断层复杂地区，要充分了解地层破裂带分布情况，注水网合理的布局和注水压力避免由于注水引起的断层的滑移；严格控制注水层位和注水压力，防止注入水进入泥页岩地层。(7)固完井后一定要进行压力试验，如发现有漏失现象，要及时找出漏失点，及早采取补救措施。(8)钻井时采用一定的套管防磨措施，下套管过程中使用上扣扭矩监控装置。(9)对已发生套管损坏的井，进行早期修复或封堵措施，防止引起层间窜通。,常见的套管损坏分为五种类型：（1）套管破裂：系指套管穿孔，引起套管串漏；（2）套管错断：系指套管被拦腰折断；（3）套管腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种机理，通常指在套管内外壁上形成麻点，严重到一定程度会发生破裂或错断；（4）套管弯曲变形。由于地层应力变化，致使不能形成一个竖直的通道；（5）套管缩径，套管椭圆变形，使井眼缩小。,四、常见的套管损坏类型,当套管损坏后，一般会有下述现象：(1)起下钻困难，有遇阻现象；(2)洗井中洗井液大量漏失；(3)生产中突然发现大量淡水和泥浆；(4)生产中井口压力下降，产量猛减；(5)井口附近地面冒油。当发现上述现象之后，需要利用相应的方法进一步判断套管的损坏情况，如套管法损坏的位置、破裂的大小、形状等。,五、套损井的判断方法,六、套管损坏部位检测,套管损坏后，在对损坏部位进行修复前，首先要搞清套管损坏的部位以及损坏的程度。目前对损坏部位的检测手段，主要用通井验套法、封隔器验漏法、打铅印检测法、井径仪测井法、井下电视检测法等技术。1.通井验证套变技术利用一定长度和直径的通井规（或薄皮管）来验证套管的变形程度和部位，这是一种常用、简单、实际、有效的验套方式。对于套管缩径、弯曲、错断等能很快的找出其变形部位，根据薄皮管的变形程度还可以大致判断套管的弯曲程度，对于缩径、错断等还需要打印来进一步对套管损坏进行验证。,2.印模检测方法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，然后对印痕进行分析判断，得出套损点的几何形状、尺寸、深度位置。此方法可以于套管变形、错断、破裂等套损程度的验证，并可以确定初始点的深度。印模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、锥形、环形、凹形和筒形印模。本方法施工简单、方便、快速，检测结果直观，但印模直径选择困难，直径过大，印模打印出来不在变形最明显处，不可靠；直径过小，打印不出印痕或印痕不明显。并且只能确定上部一点的套损情况。,3.薄壁管检测法薄壁管验套是用一定长度壁厚较小的空心管来检验套管弯曲情况的一种方法。因薄壁管容易变形，下到检测部位后适当加压即可。相对于采用测井斜和方位变化来进行检测套管的弯曲变形状况来说，薄壁管验套具有工艺简单，迅速直观的优点。4.封隔器验套漏技术怀疑套管有漏失或破裂时，为确定其准确深度，可下封隔器来进行套管验漏是方便可行的现场方法。封隔器下至预定座封位置后用水泥车泵入压井液试挤，上下活动封隔器位置，即可以确定套管漏失的位置。,5.井径仪测井技术目前常用的是18、24、36或40臂井径测量仪，可测量套管的变形长度及变形量。利用软件系统可以绘出套管的三维图像，形象直观地反映出套管的变形情况，但此方法对套管的具体变形情况描述不准确。,6.电磁检测技术磁测量方法包括磁井径测量和磁壁厚测量两种。磁井径测量传感器是一个工作于高频的线圈，高频的线圈在套管（导体）中产生涡流，涡流的产生使高频交变磁通能量损耗，它使高频线圈的电感量发生变化，从而使高频谐振回路频率(输出振幅)发生变化，由于高频趋肤效应，此时输出振幅是线圈与套管内表面距离的函数，这样电压幅度变化即反映套管内径的变化。磁壁厚测量系统由发射线圈和接收线圈（或阵列传感器）组成。交变磁通在套管中产生涡流，涡流会导致磁化滞后效应，使二次磁场与原磁场间产生相位差。因此，用接收线圈感应的电流与发射线圈的电流的相位差，可测量套管的壁厚。,7.井下成像检测技术(1)超声波成像检测技术井下超生探测仪发出的超生波具有较强的穿透性，透过介质作用到套管内壁并发生反射，反射波被井下仪器接收。由于不同的井径对超生波的反射强度不同，因此可以测到套管内壁任何一点的井径，从而测出套管损坏部位的详细情况，为开展套管损坏预防与综合治理提供详细的基础数据。,超声波成像图,(2)井下摄像测井技术如美国DHV公司的油套管及井下落物的检测系统，可对套管破损情况及井下落鱼的鱼顶情况进行摄像及测量。该工艺具有图像直观、准确可靠的特点。,近年来，各油田先后开展了套损井的修复工作。套损井的修复方法主要有以下两大类：（1）机械方式修复机械修复方式主要有倒换套管、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。,五、套损井套管修复技术,近几年，国内开展了可对接胀管式套管补贴、波纹管补贴、爆炸补贴、自动力套管补贴、MetalSkinTM膨胀套管补贴工艺技术研究。,（2）化学封堵,封堵技术对于套管破裂井采取在破裂位置挤注水泥或化学堵剂后对破裂井段进行再处理的方法。目前主要应用水泥和YT-1堵剂对破裂部位进行封堵，再采取钻塞套洗或下人铣锥等整形工具对破裂井段进行套管整形。,据统计，大庆油田套损井修复率由1996年的57.07%，到2001年上升为80.92%。通过套管修复，使死井复活，经济效益显著。,该技术是对于套管破裂井采取在破裂位置挤注水泥或化学堵剂后对破裂井段进行再处理的方法。目前主要应用水泥和YT-1封堵剂对破裂部位进行封堵，封堵后，再采取钻塞套洗或下入铣锥等整形工具对破裂井段进行套管整形。井例：胜利油田GD1-25-26注水井，上部套管在486m处出现浅层串漏，应用YT-1封堵剂封堵后，现场实施后效果良好，经钻塞后试压18Mpa不降，使该井顺利注水。,1.穿孔和破裂套管的封堵技术,该技术是对于一定范围内的变形和缩径，可以用套管整形工具来修复，处理得当可恢复到原内径的95%以上。常用的主要整形工具有梨锥型胀管器、长锥面胀管器、液压胀管器、偏心辊子整形器、三锥辊整形器、旋转震击式整形器、鱼顶修整器等。该技术对于地层发生塑性变形产生的套管变形成功率较高。,2、变形套管的机械整形技术,（1）梨型胀管器,防卡式套管整形工具(见上图)属于机械式整形工具，其原理是利用钻杆柱、配重钻铤来传递动力。施工时，用钻杆连接后下放至距套管损坏位置以上适当位置处停止，然后在井液中自由下放，依靠向下运动惯性，使整形工具的锥体工作面与套损部位接触瞬时产生径向分力，冲胀套损的变形部位，如此反复进行。当整形工具产生的径向分力大于地应力对套管的挤压力和套管本身的弹性应力时，变形部位的套管则逐渐被冲胀、碾压、敲击而恢复径向尺寸，从而完成对变形或错断部位的套管整形修复。,（2）液压涨管工艺,液压胀管整形工艺管柱由下列工具组成：液压开关阀、锚定装置、液压胀管器和分瓣式胀头等工具组成。其工艺管柱结构如图所示。,将管柱下到油井内的预定位置，然后泵车地面打压，同时液压缸组将液压力转换成轴向机械推力作用于液压涨管器下接头，并通过它将推力传递到分瓣涨管器的锥体上，锥体将轴向推力转化成径向的扩张力，变形套管在分瓣式胀头径向扩张力的作用下膨胀，使其复原。在上述过程中液压涨管器液缸的反作用推力由锚定装置承担，锚定装置以上的施工管柱在涨管过程中不承受涨管力的作用。,有内锥体、分瓣外锥体、探针等几部分组成，分瓣涨头由上接头、中心内锥体和外锥体配合，在轴向推力的作用下完成表型套管的整形。设计内外锥体的目的是为了解决整体式涨管器容易遇卡的问题而专门设计的，在工具遇卡时，上提工具时内锥体首先上移，外锥体失去内部支撑而回缩，实现工具自动解卡。工具前端的探针可以保证工具顺利引进小通径变形井段。,关键工具：有多级组合的高强度、大推力液压缸液压胀管器是该技术的和泄压机构等组成。该工具有以下特点：（1）液压缸的串联使用，能产生较大的轴向推动力，在保证胀管器不失稳和满足工具强度的前提下，可增加液压缸的级数，以增大对套管修复的挤胀力。（2）设计有自动泄压机构，达到工作行程后自动泄压，施工过程中显示明显，便于现场操作。（3）工具可以重复使用，满足长井段整形的需要。,液压胀管器的具体结构如图所示。工具主要有三大部分组成，上部为泄压部分，在液缸移动一个工作行程后能自动泄压而停止工作；中间为液缸，其作用是生产向下的轴向推力，图中显示的为一级液缸的示意图，实际工具可以依据需要增加液缸的数量；第三部分为球座，主要起密封作用，正常下井时可以带着球下入，也可以下到位后再投球。,辽河研制的套管液压整形工具,液压整形工具利用液压来传递动力。施工时，用钻具把整形工具下放至距套管损坏位置，遇阻停止，然后加压50100kN，用泵车打压，使井下液压推进器推动变径整形器对变径套管施加整形力。同时锚定器锚定在套管上，克服液缸所产生的反作用力。当整形工具对套管的径向分力大于地应力对套管的挤压力和套管本身的弹性应力时，变形部位的套管则逐渐被恢复径向尺寸，从而完成对变形或错断部位的套管整形修复。,利用钻杆（或油管）把整形工具下入井内，遇阻后适当加压，启动转盘带动旋转碾压整形工具（偏心辊子和三锥辊）转动，对变形部位的套管进行连续的碾压和挤胀，从而使变形部位的套管逐渐恢复到原径向尺寸。,除上述套管整形工具外，还有旋转振击整形工具、爆炸整形工具等。对需要补贴或封堵的损坏套管，有时也需要先整形，再补贴或封堵。,（3）旋转碾压式整形工具,偏心辊子示意图,三锥辊子示意图,该技术是针对油水井浅层损坏的油层套管，先把损坏的套管取出，再通过对扣等方式进行更换套管的修套技术。对于浅层套管采取该技术，主要是考虑应用其他方法修复费用较高，而采取油层套管取套换套的修复技术比较经济。目前主要是对于浅层损坏的套管。为加固更换的生产套管，可采取在生产套管与技术套管之间挤入超细水泥的方法。井例：GD1-10-12水井，2006年6月3日上作业，作业过程中发现套管上部漏失，然后对损坏套管进行倒扣，倒出11根，查出一根损坏套管，后下入11根套管对扣成功。换套后，8月29日完井转注。,3、取套换套技术,（1）切割上部损坏套管切割类工具有很多,包括机械切割、化学喷射切割、聚能(爆炸)切割等。其中机械割刀又包括内割刀、外割刀、水力式割刀等。机械切割通过大量的现场使用,证明优点较多,易操作、使用安全,是目前广泛使用的切割工具。,套管切割对接,（2）取旧套管,先要松掉套管井口悬挂卡瓦,取管过程做法和打捞类似。钻具组合：卡瓦打捞矛+打捞振击器+钻铤（1-2根）+加速器+钻杆,（3）修整切割断面,利用环状端面磨鞋磨平套管端面。,（4）套管对接,钻具组合：补丁短节+分级箍+套管,下入后转动套管,同时旋转缓慢下放,以保证断面平稳进入补丁短节内,同时防止切割端面刮坏补丁节内的二道铅密封(补丁短节为内侧带二道铅密封及卡瓦牙块的短节,见图）。对接到底后,人工转动套管,以确保补丁短节内的卡瓦抓牢旧套管的顶部,缓慢上提确定对接成功,从套管内对补丁短节试压。,（5）固井作业,钻固井胶塞,修内径,目前主要套管补贴方法有：衬带补贴（最早出现的套管补贴技术）波纹管补贴两端加固补贴膨胀管补贴我国大庆、胜利、玉门、大港等油田曾做过这方面的研究工作。1966-1967年大庆油田进行了五口井六井次的科研现场试验,成功率80%。当时采用的是水力胶筒式胀贴工具,补贴衬管断面由外至里为橡胶密封圈、玻璃丝布、0.3mm薄铁皮、玻璃丝布。同时也研制出了上提管柱将胀头拉过波纹管的补贴工具。,4、套管补贴技术,（1)紧内衬套管补贴技术,衬带缠绕补贴技术衬带补贴是美国专利上的一项补贴技术,这是最早出现的套管补贴技术。衬带由玻璃纤维、碳纤维加强塑料或铜铍合金制成。施工时在井口用绕带装置将衬带绕到补贴器上用油管送到补贴位置,工具旋转释放衬带,衬带靠自身张力均匀的紧贴于套管内壁,然后热水循环加热衬带上的粘合剂使其固化,完成补贴过程。,金属波纹管补贴技术波纹管补贴技术的原理是:用高塑性的钢材做为补贴管,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),补贴管缩小了直径,可以通过较小的井眼,但到了补贴位置,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。,美国HOMC0公司是一家专门生产补套波纹管,并在世界各地实施波纹管补贴技术的公司。该公司生产的波纹管规格齐全,可补贴管径在73mm-339.7mm的60余种尺寸规格的油水井套管及生产管柱。已在世界各地成功的补贴数千井次,成功率高达98%,HOMC0公司用波纹管补贴修复多种原因引起的套管漏失,如接箍渗漏、套管破裂、射孔炮眼,井下工具摩擦造成的套管穿孔、腐蚀穿孔等。对挤水泥不成功的井也进行过补贴。,用同类或不同类的金属结合的过程。原理是将两金属实现高速斜碰撞,使两金属板之间形成一股速度高达5-7km/s的金属射流,使金属板内侧表面有5%-7%的金属层从表面剥离,这种剥离过程使金属板之间清洁表面在高压下互相结合。此技术用7mm厚的碳钢做焊接管下到预定位置，微型火箭发动机工作，产生高温高压气体，推动井内液柱上移,使焊管与套管环空形成一个气室,当气室压力最低时引爆焊管炸药,实现焊接目的。大大提高了补贴管的强度。该方法90年代初曾在大庆油田补过几口井。,爆炸焊接补贴技术,自挂式套管补贴工具,1-上接头；2-剪钉；3-液缸套；4-密封圈；5-密封圈；6-螺钉；7-液缸；8-液缸套；9-液缸套；10-密封圈；11-连接管；12-托管；13-密封圈；14-上胀管；15-接箍；16-中心管；17-密封管18-密封圈；19-补贴管；20-下管；21-密封圈；22-下涨管；23-活塞；24-锁块；25-挡环；26-剪钉；27-剪切环；28-引鞋,当工具下入井内时，引鞋扶正下部错断的套管，使补贴工具顺利通过错断位置，到达补贴位置，投球打压使液缸产生作用，推动胀管器使密封器沿着胀管器的锥面胀大，从而使密封器接触井内套管的内壁，当液缸内的压力达到预期的压力时，液缸剪钉剪断，液缸继续下移，直至球座上剪切环剪断