膨胀管套管补贴技术在煤层气水平井中的应用

李广生，王朝凤

（1.河南省煤层气开发利用有限公司，郑州 450000；2.河南省瓦斯治理研究院有限公司，郑州 450000）

近年来，随着越来越多煤层气区块的规模化、商业化开发，煤层气水平井利用其自身的优势也得到了广泛的应用。同时，因井下套管腐蚀、井下工具损坏及套管质量等因素，煤层气水平井在应用过程中也会伴随着套管破损、内漏、穿孔等一系列的套损问题，急需进行修复补贴，投入生产。由于水平井井身结构的特殊性，传统的常规套管修复技术已经不再适应水平井的套管补贴修复。目前，现场常用的基于不同修复目的的水平井套管补贴加固工艺多见于油田开发过程中，而在煤层气勘探开发过程中鲜有报道。本文以贵州新田煤矿煤层气水平井XT01-H1为对象，通过水平段套管破损的原因分析，开展膨胀管补贴工艺技术在煤层气水平井中的可行性分析，以期为同类型煤层气水平井套损处理提供实践指导。

1 膨胀管套管补贴技术工作原理

膨胀管（补贴管）是由具有特殊性质的材料制成的金属钢管，具有较低屈服、快速硬化、较高强度及良好塑性等特点，通过油管串送入井内后，借助机械或者液压的方式在径向上膨胀率可以达到10%~30%左右，可以适应各种工艺的需求。针对不同井的状况，快速膨胀变形硬化后的机械性能相当于API J55 钢级套管的机械性能，一定条件下甚至能超过API N80 钢级套管。依据优选的膨胀管（补贴管）管材及膨胀率的控制，通过对膨胀管（补贴管）加压膨胀，提高其强度指标，降低其塑性指标，从而满足不同类型套管套损修复加固的机械性能指标要求。

膨胀管（补贴管）补贴系统主要由膨胀管（补贴管）、膨胀器、底部单流阀、定位套和送入钻具串等组成。通过将其连接在井下管柱上，精准下入到井内需要修补的套管深度位置，在地面通过泵车注入高压液体加压，使膨胀器将膨胀管（补贴管）膨胀，与需填补的套管紧密贴合，达到径向膨胀的目的。在膨胀管（补贴管）两端各有一组特殊材质的密封系统，在膨胀管径向膨胀的同时，将其挤压在套管和膨胀管之间，实现贴合面密封，从而达到对破损套管的补贴修复目的。

2 XT01-H1 煤层气水平井基本概况

2.1 XT01-H1 水平井基本技术参数

井名：XT01-H1 井。

地理位置：贵州省黔西县甘棠镇梨子冲村。

构造位置：黔西向斜北西翼近轴部地带。

井位坐标：X 为3 000 572.84 Y 为35 607 136.23。

井型：L 型水平井。

人工井底：1 205.50 m。

井身结构说明：XT01-H1 地面L 型水平井一开采用Φ444.5 mm 三牙轮钻头钻至井深54 m，下入Φ339.7 mm、壁厚9.65 mm、钢级J55 表层套管，固井水泥返至地面；二开采用Φ311.15 mmPDC 钻头钻至井深530 m，下入Φ244.5 mm、壁厚8.94 mm、钢级J55 技术套管，固井水泥返至地面；三开采用Φ215.9 mmPDC 钻头钻至井深1 230 m，下入Φ139.7 mm、壁厚7.72 mm、钢级P110 生产套管，固井水泥返至地面（图1）。

图1 XT01-H1 水平井井身结构及套损位置示意图

2.2 XT01-H1 水平井套损位置及原因分析

2021 年7 月16 日—7 月30 日，XT01-H1 水平井采用泵送桥塞定向射孔分段压裂工艺进行施工，水平井分9 段进行压裂，下入可钻式桥塞8 个（桥塞深度位置分别为：第1 个桥塞593 m；第2 个桥塞658 m；第3个桥塞746 m；第4 个桥塞833 m；第5 个桥塞919 m；第6 个桥塞1 000 m；第7 个桥塞1 070 m；第8 个桥塞1 150 m）。2021 年9 月5 日，放喷管理结束后，采用Φ116 mm 平底磨鞋配套螺杆进行桥塞钻铣处理，前3个桥塞钻铣作业施工正常。在下入钻铣工具串进行第4 个桥塞钻铣过程中，于井深809 m 处遇阻，平底磨鞋及配套工具串无法通过遇阻位置。后续经过Φ116 mm平底磨鞋反复磨铣遇阻位置，以及采用Φ120 mm 铣锥反复处理遇阻位置，均未有明显效果。后经过铅印印模及井下影像处理观察（图2、图3），在井深808~809 m 之间，出现套管开窗损伤，开窗损伤长度约90 cm。出现套管开窗损伤的原因主要是地层起伏变化幅度较大，水平段钻井过程中该位置狗腿度较大，下放的水平段生产套管空间上具有一定的弧度，导致平底磨鞋遇阻，遇阻位置又经过平底磨鞋及铣锥的反复处理，造成套管开窗创伤，进一步造成平底磨鞋无法通过遇阻位置进行剩余桥塞的钻铣。

图2 铅印印模照片

图3 井下影像照片

3 XT01-H1 水平井套管补贴方案及效果

3.1 套管补贴方案

经过对XT01-H1 水平井基本参数、套损深度位置及井下水平段复杂工况分析，采用传统的套管补贴加固方式已不能满足该井后续工程的施工。考虑到后续需要顺利完成剩余桥塞的钻铣作业，建立气液产出的连续井筒通道，优选定制硬度强、延展性优良、耐腐蚀的镍质膨胀管（补贴管），运用膨胀器分段膨胀技术，达到套管创伤部位补贴的目的。

套管补贴工具串主要由油管、油管短节、补贴管上固定接头、膨胀器、补贴管下固定接头、单流阀、筛管和导向体等组成。工艺施工具有操作方便、施工安全、密封可靠和修复后套管通径较大等特点（图4）。

图4 套管补贴施工工具结构图

基于套损长度（约90 cm），定制1 根长度3.5 m，Φ114 mm、壁厚5 mm 的镍质膨胀管（补贴管）进行套管补贴修复，镍质膨胀管施工压力不大于40 MPa，膨胀补贴修复后，补贴段通径可达到118 mm，补贴段密封压力不低于15 MPa，补贴段膨胀管机械性能可达到J55 钢级水平。鉴于套损段遇阻不通畅，工具串底部采用Φ100 mm 导向体进行引领镍质膨胀管（补贴管）精准达到套管创伤深度位置。

3.2 套管补贴现场施工步骤

3.2.1 施工准备

修井机、膨胀管补贴工具及时运至现场。起出井内全部的钻塞管柱及工具。地面精确测量单根油管、镍质膨胀管、膨胀器、筛管、导向体及各类安全接头长度，确保镍质膨胀管工具串精准下到套管创伤位置。

3.2.2 通井

施工前首先对井筒进行通井作业，下入Φ118 mm通井规+Φ73 mm 油管串，通井至套管补贴位置下20 m处（井深约829 m），检查套管有无变形，确认套管损伤部位，确保后续补贴工具串精确下入到套管补贴位置。

3.2.3 刮削

下入Φ118 mm 刮管器+Φ73 mm 油管串进行套管刮管，刮管至套管补贴位置下20 m 处（井深约829 m），反复刮管3~5 次，刮管结束后反复进行大排量洗井2周，一方面使套管壁上的水泥残留物、压裂砂、毛刺等异物清除，另一方面使镍质膨胀管与套管壁之间进行有效密封贴合。

3.2.4 再次确认套管修复补贴位置

根据通井工具串、测井数据再次确认准确套管补贴修复深度位置，补贴作业队和测井队对套管补贴修复的准确深度位置和缺陷形状进行再次确认，作为工具下入深度的依据，确保镍质膨胀管完全覆盖套管创伤位置（井深808~809 m）。

3.2.5 模拟管验证套损位置能否通过

下入Φ73 mm引管+Φ114 mm钢制模拟管（长度4 m）+油管串进行模拟穿过套管损伤遇阻部位，以确保Φ114 mm 镍质膨胀管工具串顺利穿过套管损伤遇阻部位。

3.2.6 镍质膨胀管工具串连接

在地面将油管、油管短节、补贴管上固定接头、膨胀器、补贴管下固定接头、单流阀、筛管、导向体、补贴合金管（镍质膨胀管）和剪钉等依次按照排列顺利进行连接，并将各处接头密封位置上紧，所有入井管柱（所下油管均采用合格、无腐蚀完好油管）清理干净后，丈量准确，然后按设计图纸下放管柱，并在丝扣连接处涂高压密封脂按标准扭矩上紧，所有连接保证连接可靠。

3.2.7 镍质膨胀管工具串入井

用修井机将Φ114 mm 镍质膨胀管补贴工具串精确下入井下套管破损深度位置（井深808~809 m 处），确保镍质膨胀管中部位于套管损伤部位的中部（井深808.5 m 处），下入过程中控制下入速度，入井管柱速度不超过15 根/h，在下井过程中若遇阻不得强行下入，应及时与设计人员协商解决；工具串下到设计位置后，安装井口装置，完成准备工作。

3.2.8 套管补贴

连接地面高压管接头和软管，启动泵车，通过在井口对油管柱内部加压，使膨胀器胶筒胀开，膨胀力使镍质补贴管从内部膨胀，产生塑性变形，外表面紧贴套管，加上辅助密封，可实现对损伤套管下部的密封。

施工压力35±0.5 MPa，到压后保压5 min；使镍质补贴管充分膨胀。

保压5 min 之后，泵车卸压，卸掉油管和套管内部压力，压力降到0 后停止15 min，使膨胀器胶筒收缩，将工具串上提0.8 m，再次对油管加压，加压到35±1 MPa，到压后保持3 min，使局部镍质补贴管口部胀开。

依次再膨胀2 次，使上段镍质补贴管全部膨胀，最上段镍质补贴管膨胀时，保压5 min，使口部充分膨胀。

然后再下放3.5 m，将下段镍质补贴管口部胀开。

经过5 次膨胀器施工，补贴管全部膨胀开，膨胀后的补贴管如图5 所示。

图5 镍质补贴管膨胀后示意图

3.2.9 工具串通井

镍质补贴管工具串上部设计有Φ111 mm 的挡环，用挡环作为通井规通井，膨胀结束后将工具串下行进行通井，如果遇阻，则将工具串上提进行二次膨胀，之后继续进行通井作业，直至通井规顺利通过。

3.2.10 起出补贴工具串

镍质补贴管补贴工序完成后，用修井机提出工艺管柱，上提过程中注意观察上提力，上提力不超过30 t，如超过设定吨位后，应停机观察，分析原因，采取相应措施。

3.3 套管补贴施工应用效果

2021 年10 月30 日—11 月8 日，依据上述套管补贴施工步骤，针对XT01-H1 水平井套管损伤部位进行镍质补贴管施工。利用油管串，将长3.5 m，Φ114 mm镍质膨胀管（补贴管）下至套管损伤部位的中部（井深808.5 m 处），启动泵车，膨胀压力35 MPa，先上段后下段针对镍质补贴管进行5 次分段膨胀，完成套管补贴修复。然后利用工具串上部Φ111 mm 的挡环作为通井规通井，井筒通畅无遇阻，起出井下管柱。

2021 年11 月9 日，采用Φ110 mm 马蹄磨鞋+螺杆泵+油管串全部顺利完成了剩余5 个可钻桥塞的钻铣作业，达到了预期的目的。该井后期通过下泵抽采，获得了5 500 m3/d 的较好产能。

4 结论

1）膨胀管套管补贴通过液压膨胀器胀开的方式使膨胀管达到要求尺寸，能够快速、简捷、高效地完成套管补贴修复，达到套损井修复的目的。

2）通过膨胀管套管补贴技术，膨胀管与原套管有效贴合密封形成复合套管，一定程度上使套管强度得到了提高，使用寿命得到延长，能很好地适应于套损井的修复。

3）煤层气水平井现场成功应用表明，膨胀管套管补贴技术应用于水平井套管补贴是可行的，修复后通径较大，便于后续作业的实施，并为同类型煤层气水平井套损问题的处理提供了一定的实践指导。