反洗式水力割刀的研制與應(yīng)用

王華南

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300461)

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反洗式水力割刀的研制與應(yīng)用

王華南

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司，天津 300461)

秦皇島區(qū)塊大修井作業(yè)中打撈防砂管柱需要對(duì)其進(jìn)行分段切割后用撈矛實(shí)施分段打撈，將其撈出。切割作業(yè)多由水力式內(nèi)割刀實(shí)施完成，然而對(duì)于出砂嚴(yán)重的井或漏失量大的井，水力式內(nèi)割刀能否下鉆至設(shè)計(jì)位置、將砂子沖出并成功實(shí)施切割作業(yè)就成為大修打撈作業(yè)的關(guān)鍵。在普通水力割刀的基礎(chǔ)上研制出可反洗式水力割刀，其刀體結(jié)構(gòu)采用硬質(zhì)合金顆粒與硬質(zhì)合金刀片結(jié)合的刀體結(jié)構(gòu)，使得該割刀能在惡劣的井況下工作，保證切割的成功率。同時(shí)使得沖洗工藝與水力切割工藝集成于一趟鉆完成，省去了單獨(dú)下沖洗管柱的時(shí)間與成本?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施于QHD32-6-C7井等4口井的大修過程中，共使用17次，成功下至設(shè)計(jì)切割深度并實(shí)施切割，切割成功率100%。經(jīng)濟(jì)效益顯著。

大修；反洗；水洗割刀；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；工作效率

秦皇島區(qū)塊部分開發(fā)井在檢泵作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)存在出砂現(xiàn)象，需要實(shí)施大修作業(yè)[1]。在對(duì)該井大修打撈防砂管柱過程中，間歇性出砂，所以在下割刀之前，要下一趟通井沖洗的管柱，使防砂段內(nèi)的砂子或臟物沖洗出井，然后才能下切割管柱至設(shè)計(jì)深度進(jìn)行篩盲管的切割[2]。然而，即使下了一趟通井沖洗管柱后，也無法保證切割管柱可以順利實(shí)施切割，比如對(duì)于井斜大的井，井筒的低邊總是殘留少量砂子，在下放切割管柱時(shí)，這些砂子就會(huì)進(jìn)入到割刀內(nèi)的水眼中，當(dāng)切割時(shí)造成憋壓而無法實(shí)施切割。針對(duì)該區(qū)塊大修作業(yè)過程中存在的問題，對(duì)水力割刀進(jìn)行改進(jìn)，研制出反洗式水力割刀，采用硬質(zhì)合金顆粒與硬質(zhì)合金刀片結(jié)合的刀體結(jié)構(gòu)，使得該割刀能在惡劣的井況下工作，保證切割的成功率。同時(shí)使得沖洗工藝與水力切割工藝集成于一趟鉆完成，省去了單獨(dú)下沖洗管柱的時(shí)間與成本。并且經(jīng)過改進(jìn)的刀片使得切割效果更加明顯，增加了切割的有效性。

1 反洗式水力割刀的改進(jìn)研制

1.1 反洗式水力割刀設(shè)計(jì)

該割刀是一種適合反洗工藝的水力式內(nèi)割刀，使切割工藝與反洗井工藝在一趟鉆中實(shí)現(xiàn)，提高效率。正循環(huán)時(shí)小水眼產(chǎn)生壓降實(shí)現(xiàn)切割功能，反循環(huán)時(shí)水眼變大，沖砂洗井不憋壓、不易堵，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由上接頭、本體、刀體部件、活塞管、外管、閥板、閥座、沖管、上連接體、下連接體、打撈爪盤、引鞋等組成。

圖1 可反洗式水力割刀結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 技術(shù)創(chuàng)新

經(jīng)過改進(jìn)的可反洗式水力割刀使得沖洗工藝與水力切割工藝集成于一趟鉆完成，省去了單獨(dú)下沖洗管柱的時(shí)間與成本。并且經(jīng)過改進(jìn)的刀片使得切割效果更加明顯，增加了切割的有效性?？煞聪词剿Ω畹冻晒?yīng)用，得益于如下幾方面的創(chuàng)新(圖2)。

圖2 刀體結(jié)構(gòu)與開啟式閥板結(jié)構(gòu)示意圖

1)開啟式閥板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。當(dāng)反循環(huán)時(shí)，鉆井液從環(huán)空進(jìn)入水眼內(nèi)，推動(dòng)沖管壓縮彈簧向上運(yùn)動(dòng)，推開閥板，此時(shí)內(nèi)割刀的通道打開，水眼變大，沖砂洗井不憋壓、不易堵。沖砂洗井結(jié)束后停泵，壓力消失，沖管在被壓縮彈簧作用下向下運(yùn)動(dòng)復(fù)位，同時(shí)，閥板在被壓縮扭簧的作用下旋轉(zhuǎn)復(fù)位。復(fù)位以后就可以正循環(huán)實(shí)施切割作業(yè)。

2)刀體結(jié)構(gòu)改進(jìn)。采用硬質(zhì)合金顆粒與硬質(zhì)合金刀片結(jié)合的刀體結(jié)構(gòu)，使得該割刀能在惡劣的井況下工作，保證切割的成功率。

圖3 正循環(huán)示意圖 圖4 反循環(huán)示意圖

1.1.2 工作原理

正循環(huán)時(shí)(圖3)，當(dāng)割刀下入井內(nèi)達(dá)到預(yù)定切割位置，開泵循環(huán)，逐漸加大排量，鉆進(jìn)液通過閥板上噴嘴產(chǎn)生壓力差，該壓力差使活塞管克服彈簧阻力向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)刀頭向外旋轉(zhuǎn)進(jìn)入切削狀態(tài)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)割刀就可進(jìn)行切割。割斷落魚后，停泵，壓力差消失，活塞管在被壓縮彈簧作用下向下運(yùn)動(dòng)復(fù)位。刀頭在彈簧壓片的作用下向內(nèi)旋轉(zhuǎn)復(fù)位。割刀就能從井中取出。

反循環(huán)時(shí)(圖4)，鉆井液從環(huán)空進(jìn)入水眼內(nèi)，推動(dòng)沖管壓縮彈簧向上運(yùn)動(dòng)，推開閥板，此時(shí)內(nèi)割刀的通道打開，水眼變大，沖砂洗井不憋壓、不易堵。沖砂洗井結(jié)束后，停泵，壓力消失，沖管在被壓縮彈簧作用下向下運(yùn)動(dòng)復(fù)位，同時(shí)，閥板在被壓縮扭簧的作用下旋轉(zhuǎn)復(fù)位。

同時(shí)該割刀帶有打撈爪盤和耐磨沖洗頭，沖砂洗井時(shí)耐磨沖洗頭可以撥動(dòng)砂層，打撈爪盤可以撈住洗井過程中較大的落物如膠皮等。

1.1.3 技術(shù)規(guī)范

1.1.4 主要零件的材料性能

割刀結(jié)構(gòu)屬于中空的細(xì)長桿件且筒體較薄類型。依API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鉆具的材料要求，選取具有較高強(qiáng)度的42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，作為產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)材料。鋼材的成分應(yīng)符合GB3077-1999標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[3，4]。

為了適應(yīng)工作條件下的應(yīng)力狀態(tài)，熱處理后的力學(xué)性能應(yīng)達(dá)到以下要求：硬度285～321HB；最小屈服強(qiáng)度≥930MPa；伸長率≥12%；夏比沖擊功≥54kJ。

根據(jù)危險(xiǎn)截面校核原理[5，6]，危險(xiǎn)截面抗拉抗扭計(jì)算結(jié)果如表1所示，其他規(guī)格反洗井割刀計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 反洗井割刀危險(xiǎn)截面抗拉抗扭計(jì)算表

表2 其他規(guī)格反洗井割刀計(jì)算數(shù)據(jù)表

1.2 工具性能測(cè)試與改進(jìn)

1.2.1 割刀刀片漲開和收回試驗(yàn)改進(jìn)

經(jīng)過10次室內(nèi)模擬試驗(yàn)，更改活塞密封結(jié)構(gòu)，降低密封摩阻，提高彈簧強(qiáng)度，解決刀片無法完全收回的難題。設(shè)計(jì)2種刀片進(jìn)行比較，整體鑲嵌合金刀片易崩刀尖，基本切不斷篩盲管，堆焊合金刀片切割效果好。

1.2.2 割刀參數(shù)試驗(yàn)優(yōu)選

針對(duì)不同節(jié)流噴嘴，在反洗排量20～30m3/h的情況下進(jìn)行切割試驗(yàn)，記錄其切割時(shí)間、扭矩轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過模擬計(jì)算可以滿足2個(gè)條件：反洗沖砂水眼節(jié)流壓力小于2.5MPa，保證井不漏水；沖砂上返流速大于0.9m/s，確保砂沖出來。反沖砂參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表3所示，切割相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，均滿足要求。

表3 反沖砂參數(shù)優(yōu)化表

表4 切割相關(guān)參數(shù)試驗(yàn)表

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在現(xiàn)場(chǎng)將反洗式水力割刀實(shí)施于QHD32-6-C7井等4口井的大修過程中，共使用17次，成功下至設(shè)計(jì)切割深度并實(shí)施切割，切割成功率100%。具體使用情況如表5所示。按照平均每口井用4次反洗式水力割刀計(jì)算，可節(jié)省4趟鉆的沖砂通井時(shí)間；假設(shè)井深2000m，每趟鉆的時(shí)間為16h，則每口井可節(jié)省的沖砂通井時(shí)間大約為2.7d。按照鉆具及人員日費(fèi)7萬元算，則每口井可節(jié)約人民幣的20萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)論

2)經(jīng)過改進(jìn)的可反洗式水力割刀使得沖洗工藝與水力切割工藝集成于一趟鉆完成，省去了單獨(dú)下沖洗管柱的時(shí)間與成本。并且經(jīng)過改進(jìn)的刀片使得切割效果更加明顯，增加了切割的有效性。

3)隨著油井開采時(shí)間的增加，很多油水井都進(jìn)入到“老齡化”，很多油井都存在著出砂問題或結(jié)垢問題而急需大修使油水井復(fù)產(chǎn)。反洗式水力割刀的應(yīng)用會(huì)越來越多，并且其可以集沖洗與切割于一趟管柱，大大降低了作業(yè)時(shí)效與作業(yè)成本，應(yīng)該前景廣泛。

[1]李長平，王其昌，邸寶智，等. 套管補(bǔ)貼改進(jìn)技術(shù)在大港南部油田的應(yīng)用[J].管理學(xué)家，2014, 111.

[3]機(jī)械工程手冊(cè)、電機(jī)工程手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)(第5卷)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[4] 季鵬，李亞方，馬魁魁，李寶生，劉榮等.淺談機(jī)械水力割刀套管切割技術(shù)[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013年，9(下)：67.

[5]周全興，孫桂榮，史增啟，等.鉆采工具手冊(cè)(上)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[6]周全興，孫桂榮，史增啟，等.鉆采工具手冊(cè)(下)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[編輯] 黃鸝

2016-07-06

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05024-003-04)。

王華南(1979-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事修井和增產(chǎn)工藝技術(shù)應(yīng)用及管理工作,wanghn2@cnooc.com.cn。

TE358.4

A

1673-1409(2016)35-0066-04

[引著格式]王華南.反洗式水力割刀的研制與應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2016,13(35):66～69.