CN104499977A - 一种水平井套管整形修复方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水平井套管整形修复方法及装置。所涉及的方法包括将含能材料置于井下待整形修复水平井管套中，利用含能材料释放的能量冲击加载于待整形修复水平井管套内壁，使待整形修复水平井管套向外扩径，恢复管内通径。所涉及的装置包括沿轴向依次连接的点火器、一体式通径规、至少一个整形枪组件和枪尾。本发明的采用含能材料为动力源的一种水平井套管整形修复方法及装置具有能量释放速率高，扩径力大，不需要地面旋转、拉升、下冲动力，不要求装置居中，不产生任何落物等显著优点，能够解决水平井套管整形的技术难题,满足当前日益增长的水平井套管整形修复需要，同时能够适用于垂直井、斜井或分支井等各种套管的整形修复。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气开采技术领域，涉及油气井套管整形修复技术，特别是涉及一种采用含能材料为动力源的水平井套管整形修复方法及装置，能够适用于水平井、垂直井、斜井或分支井等各种套管的整形修复，也能够适用于其他圆管扩径及圆管复合领域。
背景技术
钻探水平井提高采收率是石油开采普遍采用的增产手段。目前国内已钻探投产的水平井总数超过了1万口，而且每年新增2000-3000口。经过油田开发的不断深入，现有水平井已经开始出现各种问题，近年来测井发现，各大油田水平井已陆续出现不同程度的套管缩径、挤毁现象，严重影响了油田的正常生产，已经有多家油田企业提出水平井套管整形技术需求。
水平井套管整形技术是水平井套损修复的关键技术，由于水平井在造斜段井眼曲率大，水平段更是在90度左右，与直井施工存在很大不同，采取机械整形(如专利CN203097787U等)或液压整形技术(如专利CN2422444Y等)措施存在工具入井后贴边，不居中，整形过程易发生偏磨；井眼曲率大，大直径刚性工具上提下放难，纵向冲胀难度大；扭矩、拉力和钻压传递损失大，管柱磨阻影响大等难以克服的技术难题。解决水平井套管整形修复难题是一项崭新而艰难的任务，根据科技查新结果，目前国内外均缺乏成熟有效的办法。
目前采用炸药为能源的爆炸整形技术(如专利CN92201437.X、CN2228971Y、CN 2437843Y、CN 2437844Y、CN2532924Y、US3734018、US6536349等)，在水平井使用存在以下弊端，(1)有壳整形弹爆炸后会产生落物造成水平井套管堵塞现象，无壳整形弹由于强度不足在下入水平井时易发生弹体折断事故。(2)以炸药为能源的爆炸整形技术起爆爆炸后产生上千兆帕的爆压，由于冲击波传播与爆炸作用机理，套管靠近弹体处易发生破裂，而套管远离弹体处则没有整形效果，能量不易控制，不能满足水平井套管的整形修复需求，由于以上原因，施工实践中也没有哪一种爆炸整形技术用于水平井套管的整形修复。
综上所述，现有的修复技术均不能满足水平井套管整形修复的技术需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种水平井套管整形修复方法。
本发明所提供的水平井套管整形修复方法包括将含能材料置于井下待整形修复水平井管套中，利用含能材料释放的能量冲击加载于待整形修复水平井管套内壁，使待整形修复水平井管套向外扩径，恢复管内通径。
进一步，通过控制含能材料的反应速度、含能材料的单位体积内的总能量释放速率以及待整形修复水平井管套中的升压速率和压力值，使得含能材料释放能量冲击加载于待整形修复水平井管套内壁，使待整形修复水平井管套向外扩径，恢复管内通径。
更进一步，所述含能材料的反应速度为100～2000m/s，单位体积内的总能量释放速率为1.0×108～6.0×108J·s-1·m-3，升压速率为105～108MPa·s-1，压力值P满足以下关系：
P套管塑变＜P＜P套管破裂
式中：P套管屈服代表能够引起待整形修复水平井套管发生塑性变形的冲击压力值；P套管破裂代表能够引起待整形修复水平井套管发生破裂的冲击压力值。
可选的，所述含能材料为复合推进剂、双基推进剂、三基推进剂或改性双基推进剂或上述含能材料添加高氯酸铵、高氯酸钾、猛炸药中的一种或几种的混合物。
本发明同时还提供了一种水平井套管整形修复装置。
所提供的装置包括沿轴向依次连接的点火器、一体式通径规、至少一个整形枪组件和枪尾；
所述一体式通径规为管状结构，且外管壁上开设有多个泄压槽；
所述整形枪组件包括整形枪、含能材料主装药和点传火中心管组件，所述整形枪为管状结构，且管壁上开设有多个泄压孔，所述含能材料为管状结构，所述点传火中心管组件套装在所述含能材料中，所述含能材料套装在所述整形枪中。
进一步，所提供的装置包括沿轴向依次连接的点火器、一体式通径规和至少两个个整形枪组件和枪尾；相邻整形枪组件之间通过中间接头连接。
所述一体式通径规的外径尺寸用于检测待整形修复后的水平井管套的内径是否达到整形修复要求。
所述点传火中心管组件以不同的点火强度引发含能材料主装药以适当速率释放能量。
所述整形枪的抗冲击压力为200～300MPa。
所述整形枪的材质为42CrMo、50CrVA、35CrMnSi、45CrNiMoVA、OCr17Ni7Al、OCr17Ni4Cu4Nb、18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)或18Ni(350)。
可选的，所述整形枪的内径为51mm～127mm，壁厚5mm～13mm，长度1m～6m，管壁上泄压孔的直径为12mm～Φ40mm，孔密40～60孔/m；所述一体式通径规外壁上开设有4～20条泄压槽，每个泄压槽宽5～20mm，槽深5～20mm；所述含能材料主装药的装药量为1.2～6Kg/m。
本发明的采用含能材料为动力源的一种水平井套管整形修复方法及装置具有能量释放速率高，扩径力大，不需要地面旋转、拉升、下冲动力，不要求装置居中，不产生任何落物等显著优点，能够解决水平井套管整形的技术难题,满足当前日益增长的水平井套管整形修复需要，同时能够适用于垂直井、斜井或分支井等各种套管的整形修复，保证油田正常生产作业。
附图说明
图1是本发明的水平井套管整形修复装置结构示意图；
图2是整形枪组件的局部放大图；
图3是一体式通径规结构示意图；
图4为图3的左视图。
具体实施方式
含能材料一般利用其燃烧、爆炸或爆轰状态做功，具有广泛的应用领域，而爆燃或低速爆炸状态由于处于亚稳定状态，一般是技术人员需要考虑避免其发生的状态。
为解决水平井套管整形的技术难题，需要突破现有技术思路，本发明提供了一种采用含能材料为动力源的水平井套管整形修复方法及装置。将装有含能材料的水平井套管整形修复装置置于井下待整形修复水平井套管中，通过控制含能材料的反应速率，使其发生爆燃或低速爆炸状态，这种处于控制状态下的亚稳定状态具有能量适当以及一些其他特殊性质，正是套管整形所需要的能量状态。含能材料在这种亚稳定反应状态下能够以特定的能量释放速率释放能量，产生适当的冲击压力和压力作用时间，快速释放的能量冲击加载于变形套管内壁，促使套管向外扩径，从而恢复套管内通径，达到了整形修复变形水平井套管的目的。
本发明控制含能材料主装药以适当的速率快速释放，反应速度在100～2000m/s，单位体积内的总能量释放速率1.0×108～6.0×108J·s-1·m-3，升压速率为105～108MPa·s-1，产生40～200兆帕的冲击压力(压力可根据待整形修复套管的情况调整)，高压持续时间50至2000毫秒，反应速度范围在亚音速、跨音速及超音速的较宽范围，发生的是爆燃或低速爆炸或二者相互转化中的反应状态，同时控制套管内压力小于套管破裂极限强度，不引起套管发生破裂，即满足以下关系式：
P套管塑变＜P＜P套管破裂
式中：P套管屈服代表能够引起套管发生塑性变形的冲击压力值；P代表套管内产生的冲击压力值；P套管破裂代表能够引起套管发生破裂的冲击压力值；
以适当的速率释放的能量冲击加载于变形套管内壁，促使套管向外扩径，从而恢复套管内通径，达到了整形修复变形水平井套管的目的。
本发明的水平井套管整形修复装置，包括点火器、一体式通径规、整形枪组件、枪尾或连接接头组成。本发明的整形枪组件包括整形枪、含能材料主装药、点传火中心管组件、一体式通径规或中间接头或枪尾组成，含能材料主装药套装在点传火中心管组件上，置于整形枪内部。
本发明的整形枪采用了耐冲击的高强度钢材，整形枪开有均布的泄压孔，抗冲击压力达到200-300MPa,整形枪的轴向两端设有与中间接头或枪尾相连接的内螺纹，整形枪内装有点传火中心管组件，点传火中心管组件具有能量可调的特点，能够根据需要以不同的点火强度相应引发含能材料主装药以适当速率释放能量(点传火中心管组件具体结构参考专利CN101619654A中公开的线性点火具)。
本发明的整形枪的强度需要足够高，不仅需要保证水平井套管整形修复装置能够顺利输送到待整形套管中，而且需要经受含能材料主装药爆燃或低速爆炸的冲击力而不发生塑性变形。材料可选用42CrMo、50CrVA、35CrMnSi、45CrNiMoVA、OCr17Ni7Al、OCr17Ni4Cu4Nb、18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)和18Ni(350)，但不限于此。
本发明的整形枪可以采用不同直径，如51mm、68mm、73mm、89mm、102mm、127mm，壁厚5mm～13mm，长度可选1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m、5.5m或6m。筛管上加工均匀分布的泄压孔，用于排气，泄压孔的直径Φ12mm～Φ40mm，孔密40～60孔/m。
本发明的含能材料主装药可以是复合推进剂、双基推进剂、三基推进剂或改性双基推进剂，也可以上述含能材料添加高氯酸铵、高氯酸钾、猛炸药中的一种或几种的混合物。其燃速范围20～60mm/s(测试条件10MPa，25℃)，火药力范围500～900KJ/Kg。所用含能材料主装药为管状结构，双基或三基推进剂采用螺压工艺生产，复合推进剂采用浇注、包覆工艺生产；火药的装药量1.2kg/m～6kg/m。
本发明一体式通径规可在套管整形施工后作为通井规验证套管通径是否满足需求，一体式通径规外径根据工程需要设计，外轮廓加工4～20条泄压槽，槽宽5～20mm，槽深5～20mm，能够削弱点火后管柱上举压力。
本发明的整形枪组件可以通过中间接头互相连接，连接成需要的长度。根据套管整形需要，组合成不同长度的水平井套管整形修复装置。
本发明的水平井套管整形修复装置各整形枪组件的枪身和中间接头、一体式通径规、枪尾等部件可重复使用，具有成本低，使用安全可靠的特点。
根据套管变形情况，确定需要的水平井套管整形修复装置外径及长度，根据需要，通过中间接头连接一节或多节整形枪组件形成若干长度的整形管串，一般水平井套管整形修复装置要比待整形套管的长度多1-2米。
本发明的水平井套管整形修复装置采用笼式装药结构、采用特定能量和感度的含能材料主装药以及适当的点传火方式，点火后引发含能材料主装药发生处于亚稳定状态的爆燃或低速爆炸状态，控制含能材料主装药以适当的速率快速释放；同时水平井套管整形修复装置内压力不能超过整形枪抗冲击强度，保证水平井套管整形修复装置的安全。即满足以下关系式：
P套管塑变＜P＜P套管破裂，且P＜P整形枪屈服
式中：P整形枪屈服代表能够引起整形枪发生塑性变形的冲击压力值。各参数的计算方法可查阅教科书及有关资料。
需要说明的是，以下的实施例只是用于理解本发明，本发明不限于这些实施例，因此，本领域一般技术人员在本申请的技术方案中的技术特征所作的添加或替代，均应视为在本发明的保护范围之内。
实施例：
如图1-4所示，本实施例给出一种水平井套管整形修复装置的具体结构，包括点火器1、一体式通径规2、整形枪组件3、枪尾或连接接头4依次连接而成；其中，整形枪组件包括整形枪31、含能材料主装药32、点传火中心管组件33、一体式通径规2、中间接头和枪尾4组成，含能材料主装药32套装在点传火中心管组件33上，置于整形枪31内部，一体式通径规2上开设有泄压槽21。
该实施例的主装药是复合火药(配方：环氧树脂30％，高氯酸铵55％，铝粉14％，燃速调节剂Fe2O31％)，主装药外径66mm，内径25mm，长度3m，药量14Kg。
点传火中心管组件(线性点火具)外径24mm。
该主装药的燃速范围40±10mm/s(测试条件10MPa，25℃)，火药力范围700±100KJ/Kg。含能材料主装药反应速度在1000m/s，单位体积内的总能量释放速率3.0×108～4.0×108J·s-1·m-3，升压速率为105～108MPa·s-1，产生85兆帕的冲击压力，高压持续时间60毫秒。
整形枪的材质为35CrMnSi，结构尺寸为外径89mm的钢管，壁厚10mm，长度：3.15m。筛管上加工均匀分布的通孔，通孔的直径Φ32mm，孔密40孔/m。
一体式通径规可在套管整形施工后作为通井规验证套管通径是否满足需求，外径120mm，长度200mm，外轮廓加工8条泄压槽，槽宽12mm，槽深15mm。
将水平井套管整形修复装置置于井下待整形修复水平井套管中，校准并调整水平井套管整形修复装置的深度处于预定深度后起爆点火器，首先引发能量可调的线性点火具，进而引发主装药发生剧烈爆燃或低速爆炸，爆燃或低速爆炸产生的冲击压力大于套管屈服强度，从而套管发生塑性变形、向外涨径，达到套管扩径修复的目的。正常起爆后等待30分钟，观察井压稳定后再回收下井装置，回收的下井装置擦拭干净后，测量零件尺寸是否超过图纸要求，若没有超过图纸要求，涂覆防锈油脂后准备下一次使用。
该实施例的待整形修复的水平井套管缩径长度1m，缩径至内径101mm，材质N80，整形后修复到内径120mm。
Claims (10)
1.一种水平井套管整形修复方法，其特征在于，方法包括将含能材料置于井下待整形修复水平井管套中，利用含能材料释放的能量冲击加载于待整形修复水平井管套内壁，使待整形修复水平井管套向外扩径，恢复管内通径。
2.如权利要求1所述的水平井套管整形修复方法，其特征在于，通过控制含能材料的反应速度、含能材料的单位体积内的总能量释放速率以及待整形修复水平井管套中的升压速率和压力值，使得含能材料释放能量冲击加载于待整形修复水平井管套内壁，使待整形修复水平井管套向外扩径，恢复管内通径。
3.如权利要求2所述的水平井套管整形修复方法，其特征在于，所述含能材料的反应速度为100～2000m/s，单位体积内的总能量释放速率为1.0×108～6.0×108J·s-1·m-3，升压速率为105～108MPa·s-1，压力值P满足以下关系：
P套管塑变＜P＜P套管破裂
式中：P套管屈服代表能够引起待整形修复水平井套管发生塑性变形的冲击压力值；P套管破裂代表能够引起待整形修复水平井套管发生破裂的冲击压力值。
4.如权利要求1所述的水平井套管整形修复方法，其特征在于，所述含能材料为复合推进剂、双基推进剂、三基推进剂或改性双基推进剂或复合推进剂。
5.一种水平井套管整形修复装置，其特征在于，该装置包括沿轴向依次连接的点火器、一体式通径规、至少一个整形枪组件和枪尾；
所述一体式通径规为管状结构，且外管壁上开设有多个泄压槽；
所述整形枪组件包括整形枪、含能材料主装药和点传火中心管组件，所述整形枪为管状结构，且管壁上开设有多个泄压孔，所述含能材料为管状结构，所述点传火中心管组件套装在所述含能材料中，所述含能材料套装在所述整形枪中。
6.如权利要求5所述的水平井套管整形修复装置，其特征在于，装置包括沿轴向依次连接的点火器、一体式通径规和至少两个个整形枪组件和枪尾；相邻整形枪组件之间通过中间接头连接。
7.权利要求5或6所述的水平井管套整形修复装置，其特征在于，所述一体式通径规的外径尺寸用于检测待整形修复后的水平井管套的内径是否达到整形修复要求。
8.权利要求5或6所述的水平井管套整形修复装置，其特征在于，所述整形枪的抗冲击压力为200～300MPa。
9.权利要求5或6所述的水平井管套整形修复装置，其特征在于，所述整形枪的材质为42CrMo、50CrVA、35CrMnSi、45CrNiMoVA、OCr17Ni7Al、OCr17Ni4Cu4Nb、18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)或18Ni(350)。
10.权利要求5或6所述的水平井管套整形修复装置，其特征在于，所述整形枪的内径为51mm～127mm，壁厚5mm～13mm，长度1m～6m，管壁上泄压孔的直径为12mm～Φ40mm，孔密40～60孔/m；所述一体式通径规外壁上开设有4～20条泄压槽，每个泄压槽宽5～20mm，槽深5～20mm；所述含能材料主装药的装药量为1.2～6Kg/m。
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