劉雪光 宮艷紅 喬志學(xué) 曹良 蒙珍金

（大港油田公司第三采油廠）

近些年，油田在開發(fā)過程中受地面沉降、受力變化、井筒溫度等因素的影響，油層套管出現(xiàn)上竄現(xiàn)象、套管之間的密封性被破壞，因油層套管脫離了表層套管的支撐和固定，導(dǎo)致井口過高并且左右晃動、上下竄動，影響油水井的正常生產(chǎn)，但是地面沉降是不可逆過程，人為無法改變，隨著油田開發(fā)的不斷進(jìn)行，套管上竄呈現(xiàn)上升趨勢，嚴(yán)重影響油水井的正常生產(chǎn)，如何預(yù)防和治理套管上竄問題，是老油田持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 油層套管上竄的現(xiàn)狀

大港南部油田開發(fā)時間長，油層套管上竄現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，目前南部油區(qū)共有1 776 口井，套管上竄率達(dá)10%，竄動嚴(yán)重的油水井達(dá)8%以上，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了油水井，制約老油田的持續(xù)發(fā)展，成為亟待治理的問題。

1.2 油層套管上竄的風(fēng)險

油層套管上竄幅度一般在30～50 cm，主要表現(xiàn)為油層套管上竄后，油層套管脫離了表層套管的支撐與固定，導(dǎo)致井口過高并且左右晃動、上下竄動，對油井的生產(chǎn)和安全都有著嚴(yán)重的危害，存在著巨大的風(fēng)險，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1）油層套管上竄導(dǎo)致井口升高，這種情況會出現(xiàn)抽油機(jī)懸繩器磕碰防噴盒現(xiàn)象，生產(chǎn)時就會根據(jù)油層套管竄動的幅度來調(diào)整抽油機(jī)底盤高度，增加了設(shè)備風(fēng)險。

2）油層套管上竄導(dǎo)致油層套管隨抽油桿往復(fù)運(yùn)動而上下竄動，在修井作業(yè)過程中起下油管困難，增加了因屈服變形使套管彎曲的概率。

3）油層套管上竄導(dǎo)致井口采油樹上下竄動，這樣容易使地面管線卡箍或閥連接處滲漏，造成地面污染[1-3]。

油層套管上竄幅度較大時，容易出現(xiàn)井噴等特大的安全事故，同時嚴(yán)重會造成油層套管永久變形。

2 油層套管上竄原因分析及治理措施

2.1 原因分析

根據(jù)現(xiàn)有資料和現(xiàn)場勘測情況整理分析，目前油層套管上竄主要受地面沉降、井筒溫度、應(yīng)力等因素影響。

1）地面沉降。在全國范圍內(nèi)，滄州地區(qū)的地層表面沉降情況最為嚴(yán)重。到目前為止，滄州市區(qū)的地層表面最大沉降2.4 m，地層沉降率為90～100 mm/a。地面沉降主要原因是200～300 m含水層水量的過度開采所致[4-5]。

2）井筒溫度。在油井完井后，由于完井時的溫度場與油井生產(chǎn)時的溫度場相差較大或因其他原因產(chǎn)生溫度場差，造成套管的熱脹冷縮形成上竄。

3）油層套管的彈性張力。所謂的套管彈性張力就是油層套管在水泥返高以上的套管，在固井后，水泥返高以下的套管與深部地層固結(jié)在一起，而水泥返高以上的套管沒有和地層固結(jié)，其部分重量是懸掛在表層套管上的，也就是說上部的油層套管是受拉狀態(tài)的。在地面緩慢沉降過程中，表層套管隨著地面沉降而下沉，而水泥返高以下的油層套管基本上不動，上部的油層套管先是隨著表層套管一起下沉，緩慢釋放拉伸形變，使受力中和點(diǎn)逐漸上移，后來從受拉狀態(tài)逐漸變?yōu)樽杂蔂顟B(tài)，最后變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，不僅要承擔(dān)其上部套管重力的壓迫，而且還要承擔(dān)油管柱的重力壓迫[6]。地表下降套管受力示意圖見圖1，地表下降油層套管相對上升示意圖見圖2。

圖1 地表下降套管受力示意圖

圖2 地表下降油層套管相對上升示意圖

4）固井質(zhì)量差或固井水泥失效。這種情況下容易造成油層套管與水泥出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，在生產(chǎn)過程中會使油層套管向上運(yùn)動，竄出一定高度[7]。

2.2 治理措施

2.2.1 治理思路及工藝原理

油層套管失去了表層套管的支撐和固定，如果將表層套管和油層套管從適當(dāng)位置割斷，用連接裝置重新將其有機(jī)連接，讓油層套管水泥返高以上部分重量重新懸掛于表層套管上，這樣即恢復(fù)了原始受力狀況。

連接工藝是用焊接焊口進(jìn)行連接和密封，根據(jù)油層套管的鋼級選擇相匹配的過橋接箍鋼級。在加工工件時即預(yù)留出坡口，主要焊口設(shè)計(jì)均為立角焊和平角焊，焊接操作簡單，焊條在各個部位的行進(jìn)過程中能熔池飽滿穩(wěn)定。過橋接箍和支撐環(huán)設(shè)計(jì)的U形焊口呈均勻分布，大大延長了焊口長度，避免套管外部出現(xiàn)同一水平面上的橫向連貫焊口，使套管強(qiáng)度基本不降低，這種焊口設(shè)計(jì)不僅保證了密封，而且大大增加了抗拉和抗扭強(qiáng)度。過橋接箍內(nèi)部的焊口主要功能是起密封作用，可叫做密封焊口。由于各焊口設(shè)計(jì)合理、易焊接操作，大大降低了焊接的難度，焊接后強(qiáng)度和密封性都能得到保證[8]。

2.2.2 設(shè)計(jì)組件構(gòu)成

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出一種可以恢復(fù)井口套管原始受力狀況、復(fù)原套管之間密封性、控制井口高度，來解決油層套管上竄的問題。設(shè)計(jì)主要以下幾部分組件組成，分別為環(huán)形鋼板、支撐環(huán)、過橋接箍、焊接護(hù)套。

1）環(huán)形鋼板。用40 mm 厚的鋼板制成，坐在表層套管上，底部嵌入表層套管與其相吻合，焊接后作為油層套管和表層套管環(huán)空的密封，并支撐油層套管。

2）支撐環(huán)。設(shè)計(jì)內(nèi)徑與油層套管外徑相匹配，焊口設(shè)計(jì)為U型焊口與油層套管焊接后坐在環(huán)形鋼板上，用于支撐油層套管重量，再將其與環(huán)形鋼板焊接后密封環(huán)形空間。

3）過橋接箍。一端設(shè)計(jì)為套管接箍絲扣，另一端設(shè)計(jì)為U型焊口，內(nèi)徑與油層套管相匹配，與割斷的油層套管進(jìn)行焊接連接。

4）焊接護(hù)套。焊接和修整內(nèi)部焊口時的保護(hù)套。

2.2.3 操作步驟

新技術(shù)設(shè)計(jì)裝置操作步驟主要分為以下4 個方面：

1）割斷套管。先在井內(nèi)下封隔器將油層暫時封閉，達(dá)到井控要求，將油層套管割去接箍，將表層套管選合適位置割斷并打磨好斷口使斷口平面水平。

2）安裝環(huán)形鋼板。將環(huán)形鋼板套著油層套管坐于表層套管斷口之上調(diào)整好水平位置并焊接。

3）安裝支持環(huán)。將油層套管提拉一定的負(fù)荷，將支持環(huán)與油層套管焊接，焊好后將所提拉的套管負(fù)荷坐在環(huán)形鋼板上，再將支持環(huán)底部與環(huán)形鋼板焊接實(shí)現(xiàn)密封。所提拉的負(fù)荷理論值應(yīng)為水泥返高以上套管的重量，但有些井地層已經(jīng)坍塌，卡點(diǎn)時常高于水泥返高，現(xiàn)場實(shí)踐是用提拉法先測出卡點(diǎn)深度，然后再根據(jù)卡點(diǎn)深度來確定負(fù)荷（一般為8～20 t）。

4）安裝過橋接箍。選合適的高度將油層套管割斷并打磨斷口，將過橋接箍套于打磨好的斷口上，分別進(jìn)行內(nèi)外雙面焊接，將內(nèi)部焊口進(jìn)行打磨修整保持套管通徑，即完成了套管頭的治理改造。設(shè)計(jì)方案原理見圖3。

圖3 設(shè)計(jì)方案原理

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 理論分析

通過抗張強(qiáng)度試驗(yàn)，主要是包括連入修正，在割斷油層套管接箍之前在下部適當(dāng)位置做一個聯(lián)入修正標(biāo)記線，測量并記錄套管接箍上端面與修正標(biāo)記線的高度H1，當(dāng)套管頭治理完成后，再測量過橋接箍上端面到修正標(biāo)記線的高度H2，改造后井口降低高度為H1與H2之差。

新技術(shù)裝置采用鋼材等級為N80 和P10 兩種，符合美國石油學(xué)會，抗張強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，壓扁試驗(yàn)及水壓試驗(yàn)等均滿足GB/T 19830—2017規(guī)定，強(qiáng)度大，同時管材的承壓均能滿足設(shè)計(jì)要求。N80鋼材特性見表1。

表1 N80鋼材特性

從表1中可以看出采用的鋼材含硫量和含磷量均低于0.045%，同時抗張強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于同等鋼材，承壓受力可以達(dá)到使用要求[9]。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

試壓試驗(yàn)：改造完成后在過橋接箍上安裝套管短節(jié)，井口下入套管試壓塞，安裝專用試壓裝置，套管內(nèi)灌滿清水，用手動液壓泵進(jìn)行試壓35 MPa檢驗(yàn)焊口密封性，技術(shù)裝置試壓結(jié)果見表2。

表2 技術(shù)裝置試壓結(jié)果

3.3 推廣應(yīng)用

該技術(shù)裝置在大港南部油田風(fēng)41-17、棗55等井安裝試驗(yàn)，治理套管上竄井口加固效果明顯。

截止到2018年12月該技術(shù)已經(jīng)在大港南部油田成功應(yīng)用97口井，下面列舉部分井實(shí)施后的情況，實(shí)施油井工作量見表3，實(shí)施水井工作量見表4。

注水井最高注水壓力達(dá)到32 MPa，已正常注水325 天，平均降低井口高度0.85 m，最大降低高度為1.46 m，該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施見到了明顯的效果。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

油層套管上竄技術(shù)在現(xiàn)場推廣應(yīng)用，效果很好，套管上竄下降最小34 cm，最大下降146 cm，繼續(xù)跟蹤發(fā)現(xiàn)無繼續(xù)上竄現(xiàn)象，保證了油井的正常生產(chǎn)，使用效果非常好。

截止目前累計(jì)使用該技術(shù)超100 口井，相對于取換第一根套管，按照每井次可節(jié)約費(fèi)用5.6 萬元計(jì)算，累計(jì)節(jié)省措施成本560萬元；相比較取換第一根套管要3天，而油層套管上竄治理技術(shù)裝置施工只要0.5天，累計(jì)縮短修井動力占井周期250天，經(jīng)濟(jì)效益可觀[10]。

表3 實(shí)施油井工作量

表4 實(shí)施水井工作量

4.2 社會效益

1）該油層套管上竄治理技術(shù)對油水井生產(chǎn)做出了積極貢獻(xiàn)，是生產(chǎn)一線技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，提高了一線員工的創(chuàng)新能力。

2）縮短了修井周期，提高了工作效率，減少了由于套管上竄造成的機(jī)械傷害及環(huán)境污染。

5 結(jié)論

1）油層套管上竄受到多方面因素，最主要為地面沉降和油層套管的彈性張力造成的油層套管的嚴(yán)重形變。

2）技術(shù)裝置可以有效解決套管上竄問題，有效釋放運(yùn)動過程產(chǎn)生壓力，施工過程簡單易行。

3）該技術(shù)可以避免造成套管變形及井口設(shè)備嚴(yán)重破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失，減輕員工工作強(qiáng)度。

4）對于沒有發(fā)生竄動的井也可以結(jié)合作業(yè)進(jìn)行預(yù)處理，防止此類問題發(fā)生，影響油水井生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)老油田的持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展。