無隔水管深水井口系統(tǒng)切割回收工程化應(yīng)用

張武輦，賈銀鴿，張 靜，劉 健，欒 波

[1. 深圳市遠(yuǎn)東石油鉆采工程有限公司，廣東 深圳 518068； 2. 中海油研究總院，北京 100027； 3. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580]

無隔水管深水井口系統(tǒng)切割回收工程化應(yīng)用

張武輦1，賈銀鴿1，張 靜1，劉 健2，欒 波3

[1. 深圳市遠(yuǎn)東石油鉆采工程有限公司，廣東 深圳 518068； 2. 中海油研究總院，北京 100027； 3. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580]

深水水下井口系統(tǒng)切割回收作業(yè)是深水鉆井工程無隔水導(dǎo)管作業(yè)之一。介紹了我國(guó)自主研制的深水外懸掛水下井口切割回收工具系統(tǒng)各關(guān)鍵設(shè)備的研制、試驗(yàn)和改進(jìn)完善進(jìn)程。統(tǒng)計(jì)了10口井的實(shí)際作業(yè)簡(jiǎn)況，與國(guó)外技術(shù)進(jìn)行比對(duì)，證實(shí)所研制的深水機(jī)械切割系列和動(dòng)力切割系列裝備都達(dá)到工程化應(yīng)用水平。還進(jìn)行了刀片受力分析和工程系統(tǒng)水力學(xué)設(shè)計(jì)，說明了作業(yè)排量和割刀噴嘴直徑合理選配的重要性。

水下井口系統(tǒng)；切割回收；外懸掛器；螺桿馬達(dá)

0 引 言

我國(guó)在20世紀(jì)80年代才正式進(jìn)入海洋石油勘探開發(fā)工作，而涉足深水油氣勘探則是21世紀(jì)初的事了。海上作業(yè)的裝備和工具大多為進(jìn)口，長(zhǎng)期受國(guó)外技術(shù)壟斷所限制。我國(guó)非常重視海洋石油特別是深水作業(yè)裝備和工具的國(guó)產(chǎn)化研制?！吧钏戮谇懈罨厥展ぞ呦到y(tǒng)研制”是“深水鉆完井工程技術(shù)”項(xiàng)目中的一個(gè)子課題，為配合981平臺(tái)深水作業(yè)的需要，要求用三年時(shí)間，自主研發(fā)一套完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水外懸掛水下井口切割回收工具系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工程化的水平。經(jīng)過艱苦努力，我們于2012年8月6日，用自己研發(fā)的工具在981平臺(tái)BY13-2-1井721.8 m水深首次試驗(yàn)中成功完成了深水水下井口頭國(guó)產(chǎn)化工具切割回收作業(yè)；而后經(jīng)過一年多的改進(jìn)、完善和提高，完全國(guó)產(chǎn)化的深水水下井口切割回收工具，不管是機(jī)械式還是螺桿動(dòng)力式系列，都達(dá)到了工程化應(yīng)用水平，成為極少數(shù)能在981平臺(tái)上使用的全國(guó)產(chǎn)化裝備之一。本文全面介紹該深水井口系統(tǒng)切割回收工具系統(tǒng)各關(guān)鍵設(shè)備的研制、試驗(yàn)及改進(jìn)過程。

1 水下井口系統(tǒng)切割回收概念

對(duì)于海洋石油鉆井而言，水深不同，使用的鉆井平臺(tái)不同，水下井口裝備也不同[1]。水深超過300 m的井國(guó)內(nèi)一般就稱為深水井。深水井的鉆井只能用半潛式平臺(tái)或浮式鉆井平臺(tái)來實(shí)施，它的井口裝置安裝在轉(zhuǎn)盤正下方的海底，除了建立鉆井循環(huán)，最重要的是為了座掛各種套管，完成井控作業(yè)，保證建井安全。如圖1所示，它包括：(1) 座在海底支撐井口裝置的導(dǎo)向基座；(2) 連接30英寸(1英寸=2.54 cm)或36英寸等尺寸導(dǎo)管并鎖緊在導(dǎo)向基座上的低壓井口頭；(3) 連接20英寸表層套管并座掛在低壓井口頭內(nèi)的高壓井口頭；(4) 高壓井口頭內(nèi)組裝各層套管、套管掛和密封總成、防磨套等附件；(5) 通過H-4液壓連接器將防噴器(BOP)系統(tǒng)組裝在高壓井口頭上。以上裝置的嚴(yán)密組合，就形成了深水鉆井水下井口系統(tǒng)。

圖1 水下井口系統(tǒng)圖Fig.1 Subsea wellhead system

隨著我國(guó)海洋事業(yè)的迅猛發(fā)展，漁業(yè)、海洋資源勘探開發(fā)、國(guó)防等各方面對(duì)深海海床清潔環(huán)境的要求越來越高，越來越嚴(yán)格。按照國(guó)家海洋局的要求：800 m水深以內(nèi)的油氣井，或者水深超過800 m，只要國(guó)家有要求，在實(shí)施永久棄井前，必須清除泥線以上的構(gòu)筑物，必須對(duì)水下井口系統(tǒng)從泥線下4 m左右進(jìn)行切割，并將其從海底清理回收到平臺(tái)上。這就是深水水下井口系統(tǒng)的切割回收[2]。該作業(yè)是在棄井前，準(zhǔn)備拖離平臺(tái)時(shí)，井口頭內(nèi)各層套管被取出并完成起出隔水導(dǎo)管和BOP系統(tǒng)后，高壓井口頭裸露在海水中進(jìn)行的，是無隔水導(dǎo)管深水水下作業(yè)的一部分。這一作業(yè)要求作業(yè)人員在鉆臺(tái)上，操控一套適合深水切割回收的工具，對(duì)幾百米甚至千多米水深的水下井口系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離切割并回收。由于作業(yè)環(huán)境惡劣，作業(yè)難度大，以往這套工具和切割回收技術(shù)都由國(guó)外公司壟斷。21世紀(jì)到來之前，中方通過合作公司參與了水下井口系統(tǒng)的切割回收作業(yè)，但僅限于淺水區(qū)，且全套核心技術(shù)仍控制在國(guó)外公司手中。隨著我國(guó)海洋油氣勘探開發(fā)開始向深水進(jìn)軍，無隔水導(dǎo)管深水水下井口系統(tǒng)切割回收技術(shù)的攻關(guān)被列入了國(guó)家重大專項(xiàng)科研項(xiàng)目中。深圳市遠(yuǎn)東石油鉆采工程有限公司承擔(dān)了“深水水下井口切割回收工具系統(tǒng)研制”子課題，而且為了配合981平臺(tái)深水鉆井作業(yè)的急需，要求2013年達(dá)到工程化應(yīng)用水平。

2 2009年前水下井口系統(tǒng)切割回收技術(shù)狀況

2.1 國(guó)內(nèi)情況

2009年國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)東公司是唯一能提供淺水(小于300 m水深)水下井口系統(tǒng)切割回收的專業(yè)公司。其切割回收采用的是傳統(tǒng)座壓式切割，撈矛打撈回收的辦法，如圖2所示。

圖2 壓彎鉆具座壓式切割圖Fig.2 Schematic of drill stem pressure cutting

在切割鉆柱受壓彎曲的環(huán)境條件下，靠鉆柱一部分質(zhì)量壓住旋轉(zhuǎn)頭壓在高壓井口頭上，靠鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)割刀實(shí)施對(duì)井口導(dǎo)管的機(jī)械切割。這套作業(yè)方式相對(duì)落后，存在許多問題：

(1) 在無隔水導(dǎo)管約束環(huán)境下，受壓彎曲鉆柱自轉(zhuǎn)并公轉(zhuǎn)形成彎曲甩動(dòng)，并可能造成鉆柱沿軸向伸縮的縱向振動(dòng)。當(dāng)某一激勵(lì)與鉆柱自身的固有頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生鉆柱位移場(chǎng)突變的共振現(xiàn)象，其交變應(yīng)力和振幅的變化容易導(dǎo)致斷鉆具事故。

(2) 由于旋轉(zhuǎn)頭與高壓井口頭之間沒有相對(duì)固定關(guān)系，因此切割過程中刀具晃動(dòng)大，不易扶正，不能保證刀片在一個(gè)水平面上切割，容易對(duì)管體形成橢圓切口，或造成大半邊切斷留下一小段未切斷的問題；而且刀片受力不均，極易卡蹩，割刀工況十分惡劣。

(3) 旋轉(zhuǎn)頭位置與20英寸內(nèi)撈矛位置的長(zhǎng)度配置繁瑣且不精確，造成撈矛擋環(huán)頂著高壓井口內(nèi)臺(tái)肩進(jìn)行切割，撈矛極易磨損并碰撞井口頭內(nèi)密封面，造成高壓井口頭報(bào)廢損失。

(4) 容易造成撈矛撈不住，或撈矛卡在高壓井口頭內(nèi)從而撈住卻不易卸脫的問題。

(5) 容易發(fā)生井口頭割斷后的傾倒或?qū)蚧B同導(dǎo)向繩纏繞在一起的問題，造成打撈困難。

(6) 當(dāng)20英寸割斷，而30英寸未斷完，需要換刀時(shí)，常發(fā)生刀片蹩進(jìn)割縫內(nèi)被卡死、起鉆換刀難的問題。

(7) 切割鉆柱受風(fēng)浪流影響嚴(yán)重，天氣條件往往帶來許多非生產(chǎn)時(shí)間發(fā)生。

很顯然，這套座壓式水下井口系統(tǒng)切割回收技術(shù)用于淺水還勉強(qiáng)可行，要用于鉆柱長(zhǎng)的深水井口切割回收則是絕對(duì)不行的。因此，當(dāng)時(shí)水深大于300 m的水下井口切割回收工作只能由國(guó)外公司來完成。美國(guó)威德福公司對(duì)這一技術(shù)在中國(guó)形成了壟斷。

2.2 國(guó)外情況

對(duì)于深水水下井口系統(tǒng)切割回收技術(shù)，國(guó)外以威德福公司發(fā)明的MOST(Mechanical Outside Trip)外懸掛深水水下井口切割回收工具為代表，形成兩套系列：在MOST上部加1400MS旋轉(zhuǎn)頭組合的水下機(jī)械切割(見圖3)；MOST配套螺桿馬達(dá)的動(dòng)力切割回收技術(shù)(見圖4)，在墨西哥灣作業(yè)水深達(dá)到2 133 m[3]。

圖3 機(jī)械切割Fig.3 Mechanical cutting

圖4 動(dòng)力切割Fig.4 Dynamic cutting

該套深水水下井口系統(tǒng)切割回收工具的功能優(yōu)點(diǎn)如下。

(1) 提拉切割：外懸掛工具的卡爪在受控狀態(tài)下抱緊18-3/4英寸高壓井口頭，切割鉆柱處于受拉狀態(tài)，避免彎曲甩動(dòng)問題發(fā)生；切割鉆柱與水下井口系統(tǒng)連為一體，鉆柱下部失去了縱向振動(dòng)場(chǎng)發(fā)生的條件，確保下部水力割刀系統(tǒng)處于最優(yōu)外側(cè)力支撐，切割平穩(wěn)，對(duì)中性好，切割效率高，并且不會(huì)形成橢圓切口問題，更不會(huì)發(fā)生井口割斷傾倒問題。

(2) 鉆柱處于提拉狀態(tài)的動(dòng)力切割，鉆柱不旋轉(zhuǎn)，其割刀由螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，作業(yè)更加平穩(wěn)、高效、安全，可以在水深更深的井口應(yīng)用。

(3) 高壓井口頭內(nèi)密封面得到很好保護(hù)，不會(huì)有磨損撞擊破壞密封面問題發(fā)生。深水高壓井口頭的重復(fù)使用可大大降低設(shè)備費(fèi)用。

(4) 中途換刀方便安全。由于切割鉆柱下部有伸縮短節(jié)，可有0.5 m活動(dòng)伸縮距，便于刀片的收攏和防卡，中途換刀快捷方便安全。

(5) 提升回收安全可靠，外懸掛工具就是提撈工具，免去了撈矛打撈作業(yè)的復(fù)雜和不安全問題發(fā)生，而且工具容易從井口系統(tǒng)解脫。

(6) 風(fēng)、浪、流對(duì)該切割工具影響小，提高了對(duì)惡劣天氣條件的適應(yīng)性，減少非生產(chǎn)時(shí)間。

這項(xiàng)新技術(shù)使鉆柱受壓變?yōu)槭芾?，鉆柱卡住水下井口形成一體，動(dòng)力切割鉆柱只拉不轉(zhuǎn)，大大改善了作業(yè)條件，加上外懸掛器對(duì)多家不同類型的井口頭都可連接，使MOST技術(shù)成為世界領(lǐng)先技術(shù)，堪稱水下井口系統(tǒng)切割回收領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。我們通過對(duì)其學(xué)習(xí)、吸收并加以創(chuàng)新，研發(fā)出一套完全國(guó)產(chǎn)化的全新深水水下井口系統(tǒng)切割回收工具，并已有一批工程師很好地掌握了這套技術(shù)。

3 國(guó)產(chǎn)工具設(shè)備研制

3.1 外懸掛器的研制

外懸掛器是抓牢高壓井口頭使切割鉆柱實(shí)現(xiàn)受拉狀態(tài)拉直切割的關(guān)鍵設(shè)備，也是組配水下切割工具的關(guān)鍵設(shè)備。切割方式不同，配套裝備也不同。深水機(jī)械切割由外懸掛器配合水下旋轉(zhuǎn)頭帶動(dòng)割刀切割；深水動(dòng)力切割其外懸掛器組配螺桿鉆具做動(dòng)力，帶動(dòng)割刀切割[4-5]。因此，外懸掛器是棄井操作中最關(guān)鍵的一套設(shè)備(圖5)。

圖5 外懸掛器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of the outside stretch latch rotary (OSLR) tool

利用ANSYS軟件對(duì)關(guān)鍵卡爪進(jìn)行了安全性分析。分析時(shí)的網(wǎng)絡(luò)劃分及應(yīng)力云圖見圖6、圖7。

圖6 卡爪網(wǎng)格劃分圖Fig.6 Grid pattern of slip

圖7卡爪應(yīng)力云圖Fig.7 Stress pattern of slip

首先，利用Solidworks 2010建立三維參數(shù)化模型。

設(shè)計(jì)卡爪總受力980 kN，單爪受力324 kN，考慮三爪受力不均衡性，受力分析取單爪392 kN。

劃分網(wǎng)絡(luò)形成196 500節(jié)點(diǎn)和136 800個(gè)單元。

卡爪材料屬性為：42CrMo鋼，屈服強(qiáng)度[σ]=950 MPa，楊氏模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 g/cm3。

≤[σ]的計(jì)算應(yīng)力分布圖校核結(jié)果，卡爪危險(xiǎn)斷面最大應(yīng)力值為209.6 MPa，即σmax=209.6 MPa<[σ]=950 MPa，安全。

對(duì)外懸掛器卡爪實(shí)施1 177 kN(設(shè)計(jì)值980 kN)24 h強(qiáng)拉試驗(yàn)，無任何變形和裂紋問題。

我們研制的外懸掛器在結(jié)構(gòu)和安全性上與MOST相比有許多創(chuàng)新點(diǎn)：徑向離合器的設(shè)計(jì)，可對(duì)井口實(shí)施拉/壓兩種方式的切割作業(yè)，這一點(diǎn)非常重要；另外，加裝了定位鎖緊防掉裝置，井口系統(tǒng)切割完成后，在系統(tǒng)回收上提過程中發(fā)生涌浪沖擊時(shí)可能因卡爪松脫而造成水下井口系統(tǒng)掉海的嚴(yán)重事故。該裝置可防止事故的發(fā)生。威德福公司MOST是沒有這些功能的。詳細(xì)比較見表1及圖8。

表1 研發(fā)工具與威德福工具對(duì)比

圖8 研制設(shè)備相對(duì)于MOST的改進(jìn)設(shè)計(jì)Fig.8 Improvement of the new design in comparison with MOST

3.2 提拉與下壓雙程序徑向離合器的研制

鑒于作業(yè)實(shí)踐中，經(jīng)常發(fā)生提拉切割時(shí)，當(dāng)20英寸表層套管割斷后，磨削并張開刀桿切割30英寸/36英寸導(dǎo)管時(shí)，高壓井口頭與低壓井口頭連接卡簧滑脫致使高壓井口頭連同割斷的20英寸套管一起被拔出的情況，占了總作業(yè)量60%以上。要將水下井口系統(tǒng)全套切割完后整體提撈上來，必須把20英寸套管連同高壓井口頭插回低壓頭內(nèi)，再次鎖緊卡簧繼續(xù)切割外層大導(dǎo)管。此時(shí)的切割為防止再拔出就只能在高壓井口頭加壓的狀態(tài)下實(shí)施切割作業(yè)。單軸向離合只能提拉作業(yè)，無法實(shí)施下壓切割作業(yè)。為此，我們改進(jìn)設(shè)計(jì)了徑向拉壓雙程序離合裝置(見圖8)，很好地解決了這個(gè)問題，在981平臺(tái)深水棄井作業(yè)中發(fā)揮了很好的作用。

3.3 水下旋轉(zhuǎn)頭和動(dòng)力螺桿配套外懸掛器系統(tǒng)的研制

當(dāng)實(shí)施機(jī)械切割時(shí)，用頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)水力割刀切割，必須在外懸掛器芯軸上與鉆柱之間組配水下旋轉(zhuǎn)頭，用于傳遞扭矩和循環(huán)液流；而當(dāng)實(shí)施動(dòng)力切割方式時(shí)，必須用螺桿馬達(dá)替換外懸掛器芯軸。支撐外懸掛器重量施加在螺桿外殼體上，就要有與外懸掛器內(nèi)腔配合的提放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；并且該位置與下部割刀系統(tǒng)配長(zhǎng)要滿足割口在泥線下4 m的要求。

3.4 伸縮節(jié)的研制

伸縮節(jié)(圖9)裝在外懸掛芯軸或螺桿轉(zhuǎn)子下部與水力割刀之間。它不僅要傳遞扭矩，循環(huán)液流，還要有0.5 m伸縮距，這是卡爪解鎖所需行程，并使換刀時(shí)刀片容易縮回提起。設(shè)計(jì)抗扭強(qiáng)度安全系數(shù)達(dá)到5.06倍，剛度校核最大扭轉(zhuǎn)角θmax=0.975°/m < [θ] = 2°/m。

3.5 活塞噴嘴式水力割刀的研制

活塞噴嘴式水力割刀(圖9)既能保證流體通過噴嘴形成對(duì)割刀片的冷卻并循環(huán)出鐵屑；又能通過噴嘴形成的壓差使活塞受壓下行頂壓刀桿，使割刀片張開，在旋轉(zhuǎn)力帶動(dòng)下對(duì)井口管實(shí)施切割作業(yè)。當(dāng)然，機(jī)械切割和螺桿動(dòng)力切割對(duì)水力壓降要求不同，配置噴嘴直徑也不同。隨著深水井井身結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)管已不是單一的30英寸，而是用到36英寸甚至42英寸導(dǎo)管。對(duì)割刀刀桿長(zhǎng)度的合理匹配設(shè)計(jì)也是必不可少的，原則是一付刀片可以完成切割20*30英寸或20*36英寸兩層管。

其余切割鉆柱的引導(dǎo)頭、非旋轉(zhuǎn)扶正器、配長(zhǎng)短節(jié)等當(dāng)然也是不可少的工具，必須配套完成。當(dāng)以上設(shè)備加工完成后，必須對(duì)工具系統(tǒng)進(jìn)行地面和井下的試驗(yàn)和作業(yè)實(shí)踐，通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)問題，改進(jìn)、提高、完善后才能逐步邁向工程化應(yīng)用。

4 螺桿動(dòng)力切割系統(tǒng)地面試驗(yàn)

試驗(yàn)主要要弄清楚以下問題：

(1) 使用國(guó)產(chǎn)鉆井螺桿做動(dòng)力，而鉆井螺桿是一種容積式馬達(dá)，液流在馬達(dá)兩端形成壓差推動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，扭矩和轉(zhuǎn)速通過萬向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭。此時(shí)馬達(dá)是受壓的，當(dāng)鉆壓加大時(shí)，馬達(dá)壓降增加，旋轉(zhuǎn)扭矩也加大。然而，切割鉆柱螺桿馬達(dá)作業(yè)工況變化了，是在懸吊狀況下工作的。懸吊工況螺桿扭矩與割刀切割扭矩到底是什么關(guān)系？懸吊工況螺桿馬達(dá)能否輸出大扭矩？這是關(guān)鍵問題，關(guān)系到能否用鉆井螺桿馬達(dá)來改裝成動(dòng)力切割的動(dòng)力源。

(2) 螺桿懸吊切割時(shí)，螺桿軸向竄動(dòng)量變化情況。

(3) 螺桿起動(dòng)排量、空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、螺桿壓降、輸出扭矩這些變量間的相互關(guān)系。

(4) 檢驗(yàn)K7LZ203*7.0螺桿，其輸出扭矩11000 N·m，最大扭矩17600 N·m，是否能夠滿足切割20*30英寸或20*36英寸厚壁管的功率要求。

(5) 割刀噴嘴大小對(duì)螺桿馬達(dá)壓降的影響關(guān)系。

通過這些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料，證實(shí)鉆井螺桿馬達(dá)懸吊工況可以輸出高扭矩。重新選配C7LZ244*7.0高扭矩馬達(dá)，工作30 h以上，螺桿竄動(dòng)量變化很小?；诖耍蓪?duì)動(dòng)力切割系統(tǒng)重新進(jìn)行全套水力學(xué)設(shè)計(jì)。

5 系統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算

水力學(xué)計(jì)算原則是：切割系統(tǒng)總壓耗ptot應(yīng)小于泥漿泵相對(duì)排量下允許的功率壓耗值pp，即

ptot=pgr+pst+psc+pcut≤pp,

(1)

式中：pgr,pst,psc,pcut,pp分別表示地面、鉆柱、螺桿、割刀的壓耗，單位均為MPa。

計(jì)算公式采用《海洋鉆井手冊(cè)》第四章第五節(jié)水力參數(shù)設(shè)計(jì)篇，單位采用法定計(jì)量單位。

本系統(tǒng)割刀活塞直徑20.3 cm，噴嘴直徑d對(duì)應(yīng)活塞受力面積S的值如表2所示。

表2 噴嘴直徑與活塞受力面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系

割刀刀片切割20*30英寸套(導(dǎo))管的受力分析如圖10所示。圖10中：

F1為割刀活塞加在刀片頂端的力；

F2為對(duì)應(yīng)F1的力偶力；

F3為割刀活塞加在刀片頂端的力；

F4為對(duì)應(yīng)F3的力偶力；

圖10 刀片受力分析圖Fig.10 Analysis of force on the blade

螺桿本身壓降為3.6 MPa，而螺桿保持正常工作要求下部割刀壓降應(yīng)在1.8～7.0 MPa之間，同時(shí)綜合分析實(shí)際切割資料，其刀尖對(duì)套(導(dǎo))管切割時(shí)的正壓力在8～14 kN時(shí)可以正常切割。綜合試運(yùn)算，對(duì)排量和割刀噴嘴直徑進(jìn)行優(yōu)化選配。

(1) 切割20英寸表層套管時(shí)選用排量Q=55～58 L/s，d=26～27 mm合適。取Q=55 L/s，d=27 mm,對(duì)應(yīng)的受力面積S=317.93 cm2。

(2) 切割30英寸套管時(shí)選用Q=60～65 L/s，d=28 mm為宜。取Q=60 L/s,d=28 mm,對(duì)應(yīng)的受力面積S=317.50 cm2。

接下來對(duì)總壓耗進(jìn)行校核。平臺(tái)上常用F1300泵或F1600泵，配以φ165 mm缸套，其每沖程排量為19.7 L，而抗壓分別為22.5 MPa和27.7 MPa，那么如果泵沖為每分鐘100～120沖，當(dāng)容積系數(shù)取0.95時(shí)單泵排量可以達(dá)到29.7～35.5 L/s，作業(yè)時(shí)開雙泵正好在所需排量范圍。總壓降的計(jì)算公式見式(1)。

計(jì)算可得，Q=55 L/s時(shí)，ptot=12.91 MPa;Q=60 L/s時(shí)，ptot=13.26 MPa。在兩種情況下，總壓降均小于22.5 MPa或27.7 MPa的抗壓值。

綜上所述，通過計(jì)算校核，得到如下結(jié)論：

(1) 優(yōu)選排量和割刀噴嘴匹配組合很重要。選取20*30英寸組合時(shí)，C13割刀配合C13-42刀片組合可以一刀完成切割工作。切割20英寸表層套管時(shí)，Q=55～58 L/s，噴嘴直徑選用26～27 mm；而切割30英寸套管時(shí)，Q=60～65 L/s，d=28 mm為宜。

(2) 校核刀具正壓力為12 663 N和12 619 N，為正常力范圍。從計(jì)算可以看出，C13型割刀活塞直徑達(dá)203 mm，盡管螺桿允許割刀壓降1.8～7.0 MPa，但實(shí)際操作時(shí)，其割刀噴嘴壓降應(yīng)控制在6 MPa以內(nèi)，否則會(huì)造成過大的正壓力，從而帶來切割時(shí)刀具蹩卡的問題。

(3) 總壓降為12.91～13.26 MPa，小于泵允許值22.5 MPa。整個(gè)作業(yè)可以控制泵壓小于14 MPa，這是非常安全的作業(yè)條件。

6 切割回收技術(shù)工程化水平評(píng)價(jià)

課題研究?jī)?nèi)容是深水水下井口系統(tǒng)動(dòng)力切割與回收。結(jié)合國(guó)外狀況，自主配套完成了機(jī)械切割和動(dòng)力切割雙系列裝備和技術(shù)研究。

(1) 深水水下井口機(jī)械切割回收工具(MROL Tool)。切割鉆柱在外懸掛器上部加3-6柱鉆鋌，再接加重鉆桿，上接一般鉆桿，確保拉伸或加壓切割都不會(huì)壓彎切割鉆柱，因?yàn)橹泻忘c(diǎn)肯定在下部鉆鋌上，避免機(jī)械切割時(shí)公轉(zhuǎn)的發(fā)生，就會(huì)使切割平穩(wěn)得多。外懸掛機(jī)械切割在981平臺(tái)已用到近800 m水深。

(2) 深水水下井口動(dòng)力切割回收工具(DROL Tool)。動(dòng)力切割鉆柱在外懸掛組合螺桿的上部加上兩柱152～203 mm(6～8英寸)的鉆鋌即可保證即使壓住井口頭實(shí)施動(dòng)力切割，鉆柱也是直的，不旋轉(zhuǎn)鉆柱更安全可靠。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)應(yīng)用(見圖11)，發(fā)現(xiàn)問題，改進(jìn)完善。從2011年起正式開始在深水井對(duì)機(jī)械切割工具進(jìn)行實(shí)際作業(yè)，共試驗(yàn)6次；2013年組配的螺桿馬達(dá)動(dòng)力切割工具則進(jìn)行了4次實(shí)際作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)證實(shí)我們自主研制的深水水下井口系統(tǒng)切割回收工具實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用水平。詳細(xì)情況見作業(yè)統(tǒng)計(jì)，即表3。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)棄井作業(yè)照片F(xiàn)ig.11 Scenes of well abandonment

表3 外懸掛棄井組合工具作業(yè)統(tǒng)計(jì)

續(xù)表3

7 結(jié) 論

遠(yuǎn)東公司自主研發(fā)的全國(guó)產(chǎn)化深水水下井口切割回收工具是非常成功的。我們走的是一套集成創(chuàng)新的路子，即收集和學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，消化吸收后進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制創(chuàng)新，確保短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的重大突破和系統(tǒng)集成能力的提高，緊密結(jié)合中海油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的有利條件，邊研制、邊試驗(yàn)、邊提高完善。這是一條快速實(shí)現(xiàn)工具研制工程化的正確有效的技術(shù)路線。

我們的工具系統(tǒng)經(jīng)過了十幾口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和正規(guī)作業(yè)的考驗(yàn)。不斷的改進(jìn)提高完善，證實(shí)工具功能發(fā)揮正常，強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合安全要求，系統(tǒng)配套合理，符合國(guó)家要求切割深度泥線以下4 m的鉆具組合要求，可以達(dá)到國(guó)外先進(jìn)工具作業(yè)水平。因此，可以說該套深水外懸掛水下井口切割回收工具達(dá)到了無隔水導(dǎo)管工況下作業(yè)工程化應(yīng)用水平，完全打破了國(guó)外公司在此項(xiàng)技術(shù)上的壟斷，并且有創(chuàng)新。特別是設(shè)計(jì)了防涌浪沖脫掉海的安全裝置和徑向離合器，可在鉆柱受拉不彎的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)井口的拉壓雙向切割。這些特點(diǎn)是國(guó)外工具不具備的。

但在工具系統(tǒng)整體質(zhì)量和先進(jìn)性方面，我們的工具與國(guó)外公司工具相比是有差距的。我們的外懸掛裝置，由于將旋轉(zhuǎn)頭組配到外懸掛器內(nèi)腔，加裝了防涌浪安全鎖緊裝置，又加了防鐵屑進(jìn)入的濾網(wǎng)和拉壓雙程序離合裝置，所以占用了外懸掛器許多內(nèi)空腔。整體結(jié)構(gòu)是緊湊了，功能也多了，但液流空腔小了，排屑流道既復(fù)雜又窄小，相對(duì)影響切割作業(yè)效率的提高，必須加以改進(jìn)。

關(guān)于動(dòng)力源，我們沒有專門用于懸吊切割作業(yè)的螺桿馬達(dá)。由于要求高扭低轉(zhuǎn)速，目前國(guó)內(nèi)只能利用仍處于試用階段的空氣鉆井螺桿馬達(dá)來改裝，其效率、可靠性和使用壽命都比不過國(guó)外螺桿。用這樣的螺桿做動(dòng)力，帶來總體切割效率比不過國(guó)外工具的現(xiàn)實(shí)。這也有待我們通過總體制造水平的提高來實(shí)現(xiàn)螺桿質(zhì)量的提高，使得該動(dòng)力切割深水水下井口系統(tǒng)的作業(yè)效率得到提高。

[1] 《海洋鉆井手冊(cè)》編寫組. 海洋鉆井手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)海洋石油總公司，1996.

[2] 中國(guó)海洋石油總公司. Q/HS 2025—2006，海洋石油棄井規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)海洋石油總公司， 2006-03-10.

[3] Weatherford. 深海(水深>1 500英尺)棄井作業(yè)服務(wù)[R]. 2002.

[4] 北京石油機(jī)械廠. 螺桿鉆具使用手冊(cè)(V2010-1)[R]. 北京： 2010.

[5] 北京石油機(jī)械廠. 螺桿鉆維修手冊(cè)(2009-02)[R]. 北京： 2010.

EngineeringApplicationofCuttingandRetrievingforRiserlessDeepwaterSubseaWellheadSystem

ZHANG Wu-nian1, JIA Yin-ge1, ZHANG Jing1, LIU Jian2, LUAN Bo3

(1.ShenzhenFarEastOilDrillingEngineeringLtd.,Shenzhen，Guangdong518068,China； 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China； 3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China)

Cutting and retrieving of deepwater subsea wellhead system are an operation with no riser in deepwater drilling engineering. We introduce the researches, test, and improvement process of all the key equipments of our self-developed outside stretch latch rotary (OSLR) tool. According to the operational statistics of 10 wells and by comparison with foreign technology, it is proved that both of the self-developed deepwater mechanical cutting equipments and the dynamic cutting equipments have reached the level of engineering application. The importance of a rational selection of pump rate and the nozzle of the cutter is also discussed by analysis of force on the blade and the hydraulic design of engineering systems.

subsea wellhead system; cutting and retrieving; outside stretch latch rotary tool; screw motor

TE952

A

2095-7297(2014)02-0119-10

2014-05-29

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-001-008)

張武輦(1943-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事鉆完井和海洋油氣田開發(fā)方面的研究。