套損井倒取套管技術研究與應用

范玉斌 吳艷華 孫經光 李東 張吉平

(中石化勝利石油工程有限公司井下作業公司，山東 東營 257000)

0 前言

隨著油田開發進入中后期，套損井逐年增多，成為制約勝利油田高效開發的重要因素之一。目前常用的套損井治理技術主要有取換套管、機械整形、擠水泥固井、套管補貼、小套管加固等，其中，取換套管是治理水泥返高以上套損井的有效手段之一，因其治理后套管強度和通徑不變，不影響后續各種增產措施的實施，得到廣泛應用。在取換套管施工中，能否一次性將損壞套管倒扣取出非常關鍵。受套管腐蝕、管外地層坍塌、套管上扣扭矩的影響，取套管施工風險大，周期較長，甚至出現套管倒散、丟魚等工程事故，為此，開展了套損井取套管工藝技術研究，通過配套研制專用工具，優化工藝施工參數，實現了已損壞套管一次倒扣取出，最短時間內恢復套損井生產能力。

1 國內、外取套管工藝技術研究現狀及發展趨勢

目前國內外取換套工藝中的取套技術主要有管柱切割和人工倒扣兩種方法。

管柱切割技術有機械切割、水力切割和爆炸切割等多種方式，其中水力切割應用較多。水力切割是通過管柱攜帶水力割刀下至設計深度，通過地面水力加壓啟動翻板錨定管柱后，割刀在預設深度上對套管實施切割。

人工倒扣技術因其成本低是作業現場最常用的取套技術，采用自上而下逐點緊扣的方式，實現從中和點倒開。這種技術的優點是成本低、易操作；缺點一次倒扣取出全部套損管的幾率低，施工周期長，同時受多種因素的影響，存在導致施工復雜化的風險。

總體的發展趨勢是逐步淘汰人工倒扣的方式，通過技術的進步和工藝的改進提高倒扣成功率。

2 套管定深倒取工藝技術要求及裝置設計

2.1 套管定深倒取工藝技術要求

(1)裝置在預定倒扣深度精確定位，確保套管從設計位置一次倒開。(2)裝置增扭、換向及扭矩傳遞機構設計，產生足夠倒開套管的力矩。(3)套管倒扣后，定深倒扣裝置能安全退出，不影響下步施工。

2.2 套管定深倒扣裝置的優化設計

(1)裝置整體結構設計。裝置主要由輸入軸、扶正機構、上、下錨定機構、接箍定位機構、增扭換向機構、倒扣行程補償機構等部件構成。①扶正機構由扶正塊、扶正彈簧、扶正座、背帽等部件組成；②上、下錨定機構由錨瓦、扭轉彈簧、背帽、錨定體等組成；③扭矩轉換機構主要由固齒、活齒架、滾柱等組成。

(2) 裝置工作原理。裝置用反扣鉆桿連接下井，按預判倒扣位置定位倒扣深度。旋轉鉆桿帶動輸入軸使上、下錨定機構與套管錨定，輸入軸左旋時帶動上錨定機構左旋，同時下錨定機構右旋，輸入軸右旋時則相反，倒扣行程補償器可滿足在倒扣過程產生的位移。

(3)套管接箍探測定位機構設計。由于倒扣時以套管接箍為界線，倒開接箍以上套管時，保證接箍下部套管不松扣，故需要精準定位接箍位置，因此設計套管接箍探測定位機構。套管接箍探測定位機構主要由定位爪、定位座，定位座背帽等組成。工具下井過程中，定位爪與套管內壁始終處于接觸狀態，當遇到輕微套變、腐蝕等情況時，定位爪可自行收回定位座內。探測到套管接箍內兩公扣螺紋形成的縫隙時，定位爪擴張進入縫隙，下放或上提施工管柱將有明顯的懸重變化，同時結合施工管柱下入深度、套管記錄及套損檢測數據可精確定位倒扣接箍位置。上提懸重超過50kN后，定位爪回位，上提下放3～5次，進一步驗證倒扣位置。

(4) 扶正機構設計。為提高工具的錨定效果，保護工具，扶正機構采用Y221型成熟扶正器，同時對扶正塊表面進行耐磨處理，處理后扶正塊表面硬度達到HRC40-50，避免了工具下入過程中磨損導致扶正效果降低。

(5)錨定機構設計。錨定機構主要由錨定體、扭轉彈簧、錨瓦、背帽等部件構成。下井過程中，錨定機構的錨瓦在扭轉彈簧作用下始終與套管壁接觸。反轉鉆柱，輸入軸帶動增扭換向機構殼體正轉，下錨瓦撐開，固定下部套管。同時行星架帶動上錨瓦反轉錨定，固定上部套管。正轉鉆柱，錨瓦收回錨體內，上、下錨定機構脫離套管，解除錨定。錨瓦兩側加工有大引鞋，保證工具起下過程中不因錨瓦外漲而遇阻，錨瓦材料采用高強度的合金結構鋼20CrMnTi，防止扭矩傳遞時損壞錨體。錨牙表面硬度為HRC52-56，(P110套管HRC25.4)，保證錨定效果。

(6) 扭矩轉換機構設計。扭矩轉換機構采用零齒差減速器活齒傳動原理，由固齒、活齒架、滾柱、凸輪等部件構成。凸輪旋轉帶動滾柱推動固齒旋轉，根據滾柱數量和固齒齒數可調整凸輪與固齒同向旋轉或反向旋轉。活齒傳動與行星齒輪傳動比較，在實現同一功能的同時體積小，傳遞扭矩大。

(7)倒扣螺紋行程補償機構設計。為補償倒扣過程中的扭矩行程設計螺紋行程補償機構，機構由內傳動軸、外傳動等組成。采用花鍵連接，倒扣過程中傳遞扭矩的同時穩定地釋放行程，保護下部套管接箍母扣。

2.3 主要技術指標

(1)設計參數

輸出扭矩T：

①10～15kN·m ②輸出比i=5 ③最大外徑φ=114mm

(2)主要部件強度校核

根據設計傳動比i=5，輸出轉矩T出=15kN·m，則輸入扭矩為T入=3kN·m。輸入、輸出軸選用42CrMo，扭轉疲勞極限t-1=310MPa。

②空心軸軸強度計算：輸出軸1：設計外徑D1=82mm、T出=15kN·m，根據抗扭強度空心軸計算公式有0.887，則內徑d1=ν×D1=72.7mm，設計d=45mm，壁厚增加27.7mm。

輸出軸2：初步設計外徑D2=114mm、T出=15kN·m，根據抗扭強度空心軸計算公式有則內徑=d1=ν×D1=99mm。

③螺紋抗扭強度計算：

輸入軸選用42CrMo，有屈服強度σs=960MPa則剪切強度τ=0.7σs=672MPa。扭矩T出=3.75kN·m，螺距P=3，有效螺紋長度經計算為30mm，設計公稱直徑：40mm≥有效螺紋長度：30mm，可滿足強度需求。

輸 出 軸 選 用42CrMo，σs=960MPa則 剪 切 強 度τ=0.7σs=672MPa。扭矩T出=15kN·m時，螺距P=3，有效螺紋長度經計算為28mm，設計公稱直徑：82mm≥有效螺紋長度：28mm，可滿足強度需求。

④齒輪嚙合強度計算：

法向接觸強度計算：其中許用接觸應力σkp=54N/mm2，齒寬b=25mm、齒半徑r=10.5mm、壓力角α=50°，分度圓直徑Dg=78mm，齒輪個數Zh=5，法向力接觸強度滿足強度要求。

式中：E為材料彈性系數，N/mm2

徑向接觸強度計算：中心輪直徑Dj=65mm，齒直徑dg=21mm。徑 向 力接 觸 強 度滿足強度要求。

經驗證可知，設計承壓件材質及熱處理狀態選擇強度完全符合標準要求。

3 現場應用

油田ST**井套損井套管倒扣應用情況。該井完鉆井深1820m，套管尺寸及深度為139.7mm*1816.62m，套管壁厚7.72mm，油補距4.12m，人工井底1805.47m，套管聯入4.73m，套管鋼級N80，水泥返高1437m。油層數據：層位S1，井段1656.3～1661m，砂層厚度4.7m，滲透率10-3um2，配注水量80 m3/d。生產數據：2019年9月，正注水泵壓7.91MPa，水嘴1.39mm，套管壞停注，找漏發現套管56.6～70.56米處有漏點，現需作業取換套。施工過程如下：(1)壓井：起Φ73mm平管174根，帶Φ89mm喇叭口0.13m，油管外壁有泥塊。(2)探沖砂：下Φ73mm加大油管實探砂面深度1662.47m沖至設計砂面1690.22m。(3)通井刮管：下Φ73mm加大油管通井刮管至1690.22m。(4)找漏：測井溫找漏：井段：0-1600m，解釋結果：56.6-70.56井段出水。(5)暫堵井筒：下Φ73mm加大管110根，帶Φ89mm喇叭口，Y221-115封隔器，座封加壓70KN，完成Y221-115封深99.23m，尾深1049.61m。(6)取套管：切割環型鋼板；下反轉鉆桿帶套管定深倒扣裝置到82.23m，上提鉆桿，懸重上升5KN，定位接箍位置72.13m，反轉鉆桿81圈，最大扭矩2.2kN·m，一次性倒開損壞套管；正轉鉆桿起出倒扣管柱。后起出Φ139.7mm套管7根m，最后1根套管本體有長約11.5mm裂縫；(7)換套管：下Φ139.7mm新套管探魚對扣上緊，焊環型鋼板。

4 效益分析

(1)經濟效益。2018年-2019年，套管定深倒扣裝置在勝利油田渤南及陳莊油區應用32井次，單井平均縮短占井時間45h，節支：作業日費1.4萬元，45/24×1.4=2.625萬元；增收：平均日產油3.5m3/d，噸油利潤3805元計，則：45/24×3.5×3805=2.497萬元。設計加工費：12.99萬元/套，10年攤銷，12.99/10=1.299元；經濟效益=0.65×分成系數×Σ(原工藝技術消耗總額-新工藝技術消耗總額)-科研支出=0.65×1×1[32×(2.625+2.497)]-1.299×2=103.94萬元。(2)社會效益。規范了倒扣操作，降低了工人勞動強高和常規套管倒取工程風險，隨著推廣應用的不斷深入，必將產生更高的經濟效益。

5 結論

(1)研究了套管封固條件對取換套產生的影響，確定了定深倒扣裝置設計路線及技術參數。(2)對套管定深倒扣裝置的定位、錨定、扭矩傳遞，增扭換向及卸扣行程補償、復位退回等進行了具體設計，滿足了取套管施工工藝需求。(3)實現了損壞套管定深一次性精準倒開取出，解決了取換套施工倒扣位置不準導致的復雜化，縮短了占井周期，降低了工人勞動強度，收到良好的效果。