膨脹管套管補貼技術在煤層氣水平井中的應用

李廣生，王朝鳳

（1.河南省煤層氣開發利用有限公司，鄭州 450000；2.河南省瓦斯治理研究院有限公司，鄭州 450000）

近年來，隨著越來越多煤層氣區塊的規模化、商業化開發，煤層氣水平井利用其自身的優勢也得到了廣泛的應用。同時，因井下套管腐蝕、井下工具損壞及套管質量等因素，煤層氣水平井在應用過程中也會伴隨著套管破損、內漏、穿孔等一系列的套損問題，急需進行修復補貼，投入生產。由于水平井井身結構的特殊性，傳統的常規套管修復技術已經不再適應水平井的套管補貼修復。目前，現場常用的基于不同修復目的的水平井套管補貼加固工藝多見于油田開發過程中，而在煤層氣勘探開發過程中鮮有報道。本文以貴州新田煤礦煤層氣水平井XT01-H1為對象，通過水平段套管破損的原因分析，開展膨脹管補貼工藝技術在煤層氣水平井中的可行性分析，以期為同類型煤層氣水平井套損處理提供實踐指導。

1 膨脹管套管補貼技術工作原理

膨脹管（補貼管）是由具有特殊性質的材料制成的金屬鋼管，具有較低屈服、快速硬化、較高強度及良好塑性等特點，通過油管串送入井內后，借助機械或者液壓的方式在徑向上膨脹率可以達到10%~30%左右，可以適應各種工藝的需求。針對不同井的狀況，快速膨脹變形硬化后的機械性能相當于API J55 鋼級套管的機械性能，一定條件下甚至能超過API N80 鋼級套管。依據優選的膨脹管（補貼管）管材及膨脹率的控制，通過對膨脹管（補貼管）加壓膨脹，提高其強度指標，降低其塑性指標，從而滿足不同類型套管套損修復加固的機械性能指標要求。

膨脹管（補貼管）補貼系統主要由膨脹管（補貼管）、膨脹器、底部單流閥、定位套和送入鉆具串等組成。通過將其連接在井下管柱上，精準下入到井內需要修補的套管深度位置，在地面通過泵車注入高壓液體加壓，使膨脹器將膨脹管（補貼管）膨脹，與需填補的套管緊密貼合，達到徑向膨脹的目的。在膨脹管（補貼管）兩端各有一組特殊材質的密封系統，在膨脹管徑向膨脹的同時，將其擠壓在套管和膨脹管之間，實現貼合面密封，從而達到對破損套管的補貼修復目的。

2 XT01-H1 煤層氣水平井基本概況

2.1 XT01-H1 水平井基本技術參數

井名：XT01-H1 井。

地理位置：貴州省黔西縣甘棠鎮梨子沖村。

構造位置：黔西向斜北西翼近軸部地帶。

井位坐標：X 為3 000 572.84 Y 為35 607 136.23。

井型：L 型水平井。

人工井底：1 205.50 m。

井身結構說明：XT01-H1 地面L 型水平井一開采用Φ444.5 mm 三牙輪鉆頭鉆至井深54 m，下入Φ339.7 mm、壁厚9.65 mm、鋼級J55 表層套管，固井水泥返至地面；二開采用Φ311.15 mmPDC 鉆頭鉆至井深530 m，下入Φ244.5 mm、壁厚8.94 mm、鋼級J55 技術套管，固井水泥返至地面；三開采用Φ215.9 mmPDC 鉆頭鉆至井深1 230 m，下入Φ139.7 mm、壁厚7.72 mm、鋼級P110 生產套管，固井水泥返至地面（圖1）。

圖1 XT01-H1 水平井井身結構及套損位置示意圖

2.2 XT01-H1 水平井套損位置及原因分析

2021 年7 月16 日—7 月30 日，XT01-H1 水平井采用泵送橋塞定向射孔分段壓裂工藝進行施工，水平井分9 段進行壓裂，下入可鉆式橋塞8 個（橋塞深度位置分別為：第1 個橋塞593 m；第2 個橋塞658 m；第3個橋塞746 m；第4 個橋塞833 m；第5 個橋塞919 m；第6 個橋塞1 000 m；第7 個橋塞1 070 m；第8 個橋塞1 150 m）。2021 年9 月5 日，放噴管理結束后，采用Φ116 mm 平底磨鞋配套螺桿進行橋塞鉆銑處理，前3個橋塞鉆銑作業施工正常。在下入鉆銑工具串進行第4 個橋塞鉆銑過程中，于井深809 m 處遇阻，平底磨鞋及配套工具串無法通過遇阻位置。后續經過Φ116 mm平底磨鞋反復磨銑遇阻位置，以及采用Φ120 mm 銑錐反復處理遇阻位置，均未有明顯效果。后經過鉛印印模及井下影像處理觀察（圖2、圖3），在井深808~809 m 之間，出現套管開窗損傷，開窗損傷長度約90 cm。出現套管開窗損傷的原因主要是地層起伏變化幅度較大，水平段鉆井過程中該位置狗腿度較大，下放的水平段生產套管空間上具有一定的弧度，導致平底磨鞋遇阻，遇阻位置又經過平底磨鞋及銑錐的反復處理，造成套管開窗創傷，進一步造成平底磨鞋無法通過遇阻位置進行剩余橋塞的鉆銑。

圖2 鉛印印模照片

圖3 井下影像照片

3 XT01-H1 水平井套管補貼方案及效果

3.1 套管補貼方案

經過對XT01-H1 水平井基本參數、套損深度位置及井下水平段復雜工況分析，采用傳統的套管補貼加固方式已不能滿足該井后續工程的施工。考慮到后續需要順利完成剩余橋塞的鉆銑作業，建立氣液產出的連續井筒通道，優選定制硬度強、延展性優良、耐腐蝕的鎳質膨脹管（補貼管），運用膨脹器分段膨脹技術，達到套管創傷部位補貼的目的。

套管補貼工具串主要由油管、油管短節、補貼管上固定接頭、膨脹器、補貼管下固定接頭、單流閥、篩管和導向體等組成。工藝施工具有操作方便、施工安全、密封可靠和修復后套管通徑較大等特點（圖4）。

圖4 套管補貼施工工具結構圖

基于套損長度（約90 cm），定制1 根長度3.5 m，Φ114 mm、壁厚5 mm 的鎳質膨脹管（補貼管）進行套管補貼修復，鎳質膨脹管施工壓力不大于40 MPa，膨脹補貼修復后，補貼段通徑可達到118 mm，補貼段密封壓力不低于15 MPa，補貼段膨脹管機械性能可達到J55 鋼級水平。鑒于套損段遇阻不通暢，工具串底部采用Φ100 mm 導向體進行引領鎳質膨脹管（補貼管）精準達到套管創傷深度位置。

3.2 套管補貼現場施工步驟

3.2.1 施工準備

修井機、膨脹管補貼工具及時運至現場。起出井內全部的鉆塞管柱及工具。地面精確測量單根油管、鎳質膨脹管、膨脹器、篩管、導向體及各類安全接頭長度，確保鎳質膨脹管工具串精準下到套管創傷位置。

3.2.2 通井

施工前首先對井筒進行通井作業，下入Φ118 mm通井規+Φ73 mm 油管串，通井至套管補貼位置下20 m處（井深約829 m），檢查套管有無變形，確認套管損傷部位，確保后續補貼工具串精確下入到套管補貼位置。

3.2.3 刮削

下入Φ118 mm 刮管器+Φ73 mm 油管串進行套管刮管，刮管至套管補貼位置下20 m 處（井深約829 m），反復刮管3~5 次，刮管結束后反復進行大排量洗井2周，一方面使套管壁上的水泥殘留物、壓裂砂、毛刺等異物清除，另一方面使鎳質膨脹管與套管壁之間進行有效密封貼合。

3.2.4 再次確認套管修復補貼位置

根據通井工具串、測井數據再次確認準確套管補貼修復深度位置，補貼作業隊和測井隊對套管補貼修復的準確深度位置和缺陷形狀進行再次確認，作為工具下入深度的依據，確保鎳質膨脹管完全覆蓋套管創傷位置（井深808~809 m）。

3.2.5 模擬管驗證套損位置能否通過

下入Φ73 mm引管+Φ114 mm鋼制模擬管（長度4 m）+油管串進行模擬穿過套管損傷遇阻部位，以確保Φ114 mm 鎳質膨脹管工具串順利穿過套管損傷遇阻部位。

3.2.6 鎳質膨脹管工具串連接

在地面將油管、油管短節、補貼管上固定接頭、膨脹器、補貼管下固定接頭、單流閥、篩管、導向體、補貼合金管（鎳質膨脹管）和剪釘等依次按照排列順利進行連接，并將各處接頭密封位置上緊，所有入井管柱（所下油管均采用合格、無腐蝕完好油管）清理干凈后，丈量準確，然后按設計圖紙下放管柱，并在絲扣連接處涂高壓密封脂按標準扭矩上緊，所有連接保證連接可靠。

3.2.7 鎳質膨脹管工具串入井

用修井機將Φ114 mm 鎳質膨脹管補貼工具串精確下入井下套管破損深度位置（井深808~809 m 處），確保鎳質膨脹管中部位于套管損傷部位的中部（井深808.5 m 處），下入過程中控制下入速度，入井管柱速度不超過15 根/h，在下井過程中若遇阻不得強行下入，應及時與設計人員協商解決；工具串下到設計位置后，安裝井口裝置，完成準備工作。

3.2.8 套管補貼

連接地面高壓管接頭和軟管，啟動泵車，通過在井口對油管柱內部加壓，使膨脹器膠筒脹開，膨脹力使鎳質補貼管從內部膨脹，產生塑性變形，外表面緊貼套管，加上輔助密封，可實現對損傷套管下部的密封。

施工壓力35±0.5 MPa，到壓后保壓5 min；使鎳質補貼管充分膨脹。

保壓5 min 之后，泵車卸壓，卸掉油管和套管內部壓力，壓力降到0 后停止15 min，使膨脹器膠筒收縮，將工具串上提0.8 m，再次對油管加壓，加壓到35±1 MPa，到壓后保持3 min，使局部鎳質補貼管口部脹開。

依次再膨脹2 次，使上段鎳質補貼管全部膨脹，最上段鎳質補貼管膨脹時，保壓5 min，使口部充分膨脹。

然后再下放3.5 m，將下段鎳質補貼管口部脹開。

經過5 次膨脹器施工，補貼管全部膨脹開，膨脹后的補貼管如圖5 所示。

圖5 鎳質補貼管膨脹后示意圖

3.2.9 工具串通井

鎳質補貼管工具串上部設計有Φ111 mm 的擋環，用擋環作為通井規通井，膨脹結束后將工具串下行進行通井，如果遇阻，則將工具串上提進行二次膨脹，之后繼續進行通井作業，直至通井規順利通過。

3.2.10 起出補貼工具串

鎳質補貼管補貼工序完成后，用修井機提出工藝管柱，上提過程中注意觀察上提力，上提力不超過30 t，如超過設定噸位后，應停機觀察，分析原因，采取相應措施。

3.3 套管補貼施工應用效果

2021 年10 月30 日—11 月8 日，依據上述套管補貼施工步驟，針對XT01-H1 水平井套管損傷部位進行鎳質補貼管施工。利用油管串，將長3.5 m，Φ114 mm鎳質膨脹管（補貼管）下至套管損傷部位的中部（井深808.5 m 處），啟動泵車，膨脹壓力35 MPa，先上段后下段針對鎳質補貼管進行5 次分段膨脹，完成套管補貼修復。然后利用工具串上部Φ111 mm 的擋環作為通井規通井，井筒通暢無遇阻，起出井下管柱。

2021 年11 月9 日，采用Φ110 mm 馬蹄磨鞋+螺桿泵+油管串全部順利完成了剩余5 個可鉆橋塞的鉆銑作業，達到了預期的目的。該井后期通過下泵抽采，獲得了5 500 m3/d 的較好產能。

4 結論

1）膨脹管套管補貼通過液壓膨脹器脹開的方式使膨脹管達到要求尺寸，能夠快速、簡捷、高效地完成套管補貼修復，達到套損井修復的目的。

2）通過膨脹管套管補貼技術，膨脹管與原套管有效貼合密封形成復合套管，一定程度上使套管強度得到了提高，使用壽命得到延長，能很好地適應于套損井的修復。

3）煤層氣水平井現場成功應用表明，膨脹管套管補貼技術應用于水平井套管補貼是可行的，修復后通徑較大，便于后續作業的實施，并為同類型煤層氣水平井套損問題的處理提供了一定的實踐指導。