套管鍛銑技術(shù)在柯20 井儲氣庫建井的應(yīng)用

李鑫羽，周洪云，王蕾琦，孫 鴻，韓 磊，袁萬鑫

（中國石油天然氣集團有限公司塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

儲氣庫井運行時需應(yīng)對頻繁工況轉(zhuǎn)換和承受高強度交變載荷，而儲氣庫建井多為老井利用，普遍存在固井質(zhì)量不滿足建庫要求的情況，需進行套管鍛銑后重新封堵。目前套管鍛銑技術(shù)普遍采用機械式切割、鍛銑一體化工具，多應(yīng)用于淺井。在中深—深井應(yīng)用時，由于鍛銑點深、排量不足易導(dǎo)致銑刀不能完全張開，造成鍛銑失敗，同時鍛銑施工參數(shù)和鉆井液性能一般依靠過往資料、經(jīng)驗來進行選擇，時常造成套管抖動、鐵屑返出困難等問題，導(dǎo)致鍛銑效率低［1］。本文通過優(yōu)選和改進鍛銑刀具、提升現(xiàn)場施工設(shè)備性能等方式，成功解決柯克亞儲氣庫建井柯20 井鍛銑點深、施工設(shè)備排量不足、鍛銑刀具不能完全鍛銑套管接箍的技術(shù)難題，同時通過合理設(shè)計鍛銑施工參數(shù)和鉆井液體系提高了鍛銑效率。

1 基本概況

柯20 井是位于柯克亞凝析氣田中的一口中深老井，完鉆日期1983 年6 月20 日，目前人工井底3848.97 m，完鉆井深4030.72 m，井型為三開直井（見圖1 、表1）。 該井歷史生產(chǎn)井段3799.8～3837.0 m，層位X72，累計產(chǎn)氣1.1×108m3、產(chǎn)油4.93×104t、產(chǎn)水604 m3，后因X71地層水下竄導(dǎo)致出水嚴重后關(guān)井。2022年柯20 井所處斷塊需轉(zhuǎn)換為儲氣庫，需按儲氣庫建庫要求對儲氣層段3831.8～3857.0 m 進行封堵作業(yè)。

表1 柯20 井井身結(jié)構(gòu)及參數(shù)Table 1 Well structure and parameters of Ke-20

圖1 柯20 井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Well structure of Ke-20

2 套管鍛銑工藝及技術(shù)方案研究

根據(jù)井筒目前條件（見表2）及國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，單憑擠水泥補救管外固井質(zhì)量不能達到建庫密封要求，根據(jù)《氣藏型儲氣庫老井封堵技術(shù)規(guī)范》，儲氣庫上部蓋層段固井質(zhì)量連續(xù)優(yōu)質(zhì)膠結(jié)長度＜25 m 且累計優(yōu)質(zhì)膠結(jié)長度＜50 m，則需對儲氣層頂界以上蓋層段進行套管鍛銑，鍛銑長度≮40 m。設(shè)計初始切割點3788.5 m（需避開套管箍和扶正器［2］），鍛銑井段3788.50～3828.50 m，段長40 m，預(yù)留20 m“口袋”。

表2 柯20 井固井質(zhì)量評價（部分）Table 2 Cementing quality evaluation of Well Ke-20 (in part)

2.1 優(yōu)選鍛銑刀具

對3 個廠家所提供的鍛銑刀具技術(shù)參數(shù)進行對比優(yōu)選（見表3），GRDS 刀具刀片最大張開外徑最大，但施工時所需排量大、轉(zhuǎn)速高，本次施工設(shè)備性能不易滿足；YSD 刀具刀片最大張開外徑和套管接箍外徑一致，且所需鍛銑排量較高，施工要求和設(shè)備性能都不易滿足；LKWR 刀具所需鍛銑排量最小、轉(zhuǎn)速最低，因此選用LKWR 刀具進行本井鍛銑施工作業(yè)。

表3 鍛銑刀具技術(shù)參數(shù)對比Table 3 Comparison of technical parameters of forging and milling tools

LKWR 刀具結(jié)構(gòu)如圖2 所示，實物見圖3。其工作原理：開泵后，作業(yè)液流經(jīng)噴嘴產(chǎn)生壓力降，形成助推力推動活塞上行將鍛銑刀片推出，作業(yè)完成停泵，壓力降消失，活塞依靠彈力和自身重力復(fù)位，刀片依靠自身重力或外力收回。

圖2 LKWR 鍛銑工具結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural schematic diagram of LKWR forging and milling tool

圖3 LKWR 鍛銑工具Fig.3 LKWR forging and milling tool

LKWR 刀具特點：（1）本體上帶有的三組銑刀呈60°夾角排列，提高切割和鍛銑速度；（2）刀片由定制的碳化鎢硬質(zhì)合金鋪焊，增強耐磨性，提高單趟鍛銑進尺；（3）采用大活塞為銑刀提供更多液壓動力，增強切割和鍛銑的穩(wěn)定性；（4）刀片下配有水眼，能夠保持切削結(jié)構(gòu)冷卻、清潔；（5）鍛銑刀片尖端經(jīng)銳化處理，在切割套管時，刀片尖端與套管內(nèi)壁之間呈點接觸方式，利于刀片吃入套管；（6）刀片采用方形凹凸面型，鍛銑過程中使套管鍛銑部位非均勻受力，防止形成細長鐵絲，有利于斷屑和攜屑［3］。

2.2 鍛銑施工參數(shù)設(shè)計

2.2.1 鍛銑速度設(shè)計

設(shè)計鉆具組合：?177.8 mm L KWR 套管鍛銑器+變扣接頭+?120.65 mm 鉆鋌8 根+變扣接頭+?84.67 mm 鉆桿。根據(jù)LKWR 鍛銑刀具技術(shù)參數(shù)要求，設(shè)計鍛銑排量15 L/s，則套管段環(huán)空返速為1.14 m/s，鍛銑段環(huán)空返速為0.71 m/s，假設(shè)不考慮切割套管時鍛銑刀具逐步打開和鍛銑套管時井壁受鉆井液沖蝕產(chǎn)生的擴徑影響，通過式（1）確定理論鍛銑速度為0.51 m/h［4］。

式中：v——理論鍛銑速度，m/h；Q——設(shè)計鍛銑排量，L/s；DC——鉆鋌外徑，cm；MC——鍛銑段環(huán)空1 L 鉆井液所占高度，cm/L；Dh——套管內(nèi)徑，cm；Dp——鉆桿外徑，cm。

2.2.2 鐵屑當量直徑的確定

鐵屑當量直徑通過式（2）表示，鐵屑當量直徑與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鍛銑速度有關(guān)，當鍛銑速度一定時，轉(zhuǎn)速與鐵屑當量直徑呈負相關(guān)關(guān)系。由于柯20 井鍛銑段固井質(zhì)量差，不宜選用高轉(zhuǎn)速，而低轉(zhuǎn)速會形成大當量直徑的鐵屑，不易攜帶。根據(jù)LKWR 鍛銑刀具轉(zhuǎn)速參數(shù)要求，折中設(shè)計轉(zhuǎn)速100 r/min，確定返出鐵屑當量直徑為0.5 cm。

式中：DT——鐵屑當量直徑，cm；DW——鍛銑套管外徑，cm；DN——鍛銑套管內(nèi)徑，cm；n——轉(zhuǎn)速，r/min。

2.3 鉆井液體系

2.3.1 鉆井液靜切力

鉆井液靜切力大小關(guān)系到其懸浮鐵屑的能力，理想狀態(tài)下停泵時，鐵屑保持靜止或下沉極緩，根據(jù)地層壓力系數(shù)設(shè)計鉆井液密度為1.3 kg/L，通過式（3）計算鉆井液終切力為53.53 Pa［5］。

式中：δ——鉆井液靜切力，Pa；ρt——鐵屑的密度，一般取7.85 kg/L；ρz——鉆井液質(zhì)量密度，kg/L。

2.3.2 流核直徑

鍛銑作業(yè)時，鉆井液在井筒中理想狀態(tài)為平板型層流，層流相比紊流能在小排量下有效攜帶鐵屑，降低鉆井液在環(huán)空和鉆具內(nèi)的阻力損失，減少對鍛銑段井壁的沖蝕，避免井壁擴徑和塌陷。通過流核直徑表征流動剖面的平板化程度，塑性流體的流核直徑越大，越接近平板型層流，需調(diào)整鉆井液參數(shù)使流核直徑間隙比達到60%～70%，有利于井眼清洗。流核直徑與動塑比、鍛銑段環(huán)空上返速度有關(guān)，根據(jù)理論計算和試驗結(jié)果，優(yōu)化調(diào)整鉆井液動切力30～45 Pa，塑性粘度50 mPa ?s，計算流核直徑為1.3～1.58 cm（式4），間隙比60%～73%［6］（式5）。

式中：d——流核直徑，cm；vd——鍛銑段環(huán)空返速，m/s；τ——鉆井液動切力，Pa；μ——塑性粘度，mPa?s；J——間隙比，%。

2.4 鐵屑攜帶能力的確定

鐵屑下沉速度和鐵屑當量直徑、鉆井液密度和塑性粘度相關(guān)，代入式（6）計算鐵屑下沉速度為0.31 m/s。鐵屑上返速度由式（7）計算，套管段鐵屑上返速度為0.83 m/s，鍛銑段鐵屑上返速度為0.4 m/s。鉆井液攜帶鐵屑能力由式（8）確定，正常的鐵屑攜帶能力在0.4～0.6，良好的鐵屑攜帶能力應(yīng)在0.6 以上，經(jīng)計算套管段鐵屑的攜帶能力為0.73，鍛銑段鐵屑的攜帶能力為0.56，經(jīng)驗證設(shè)計參數(shù)滿足要求。

式中：vc——鐵屑下沉速度，m/s；vtf——套管段鐵屑上返速度，m/s；vdt——鍛銑段鐵屑上返速度，m/s；vt——套管段環(huán)空返速，m/s；Ct——套管段鐵屑攜帶能力；Cd——鍛銑段鐵屑攜帶能力。

3 現(xiàn)場施工難點及對策

3.1 施工難點

3.1.1 套管鍛銑位置深

鍛銑井段3788.50～3828.50 m，鍛銑深度深，鉆井液循環(huán)摩阻大，所需泵壓高、排量大，且井筒內(nèi)工作管柱長，鉆壓和扭矩傳遞慢且在傳遞過程中消耗大。

3.1.2 施工設(shè)備泵壓和排量不足

現(xiàn)場泥漿泵實際最大泵壓17 MPa、最大排量13.3 L/s，不易滿足本次鍛銑施工要求。泵壓和排量不足會造成刀具不能完全打開，對套管貼壁力不足，發(fā)生套管剝皮現(xiàn)象，同時可能存在攜屑能力不足的問題［7-8］。

3.1.3 套管鋼級、壁厚高

切割和鍛銑的7 寸套管鋼級為P110，壁厚11.51 mm，鋼級強度高且套管壁較厚，所需切割時間長，易造成鉆具疲勞。

3.1.4 鍛銑刀具最大張開外徑不足

LKWR 刀具現(xiàn)場實測完全張開的狀態(tài)下最大外徑僅有190 mm，分析認為刀片限位機構(gòu)不合理導(dǎo)致刀片張開幅度不夠，使得刀片根部的合金齒不能充分接觸套管起到鍛銑作用，并且不能完全鍛銑套管接箍（外徑200 mm），導(dǎo)致刀片使用效率低、使用壽命短。

3.2 解決對策

3.2.1 施工設(shè)備性能優(yōu)化

采用千型泵車與泥漿泵并聯(lián)的方式，增大施工排量和泵壓，確保施工設(shè)備實際性能滿足鍛銑刀具技術(shù)參數(shù)要求，提高作業(yè)液攜屑能力和銑齒的貼壁力和切割力，確保施工安全和鍛銑質(zhì)量［9-11］。

3.2.2 鉆井液性能調(diào)整

分階段調(diào)整鉆井液漏斗粘度，在下鉆前采用低漏斗黏度60～70 s，有利于在預(yù)定深度點順利開泵；鍛銑過程中提高漏斗粘度至80～90 s，保持良好的懸浮性和流變性，降低鐵屑沉降速度同時提高攜帶能力［12-14］。施工過程中如遇泵壓升高，可采用混油增加潤滑性來降低井下摩擦阻力。

3.2.3 鍛銑刀具性能改進

為提高刀具在套管切割和鍛銑過程中的使用效率和壽命，將刀具限位部位進行打磨，打磨后刀片張開最大外徑204 m（增大14 mm），滿足了刀片下端面與套管鍛銑面充分接觸并鍛銑套管接箍的需要（見圖4）。同時對鍛銑工具總成結(jié)構(gòu)進行改進，活塞推盤改為下推式，改進后，活塞下行推動刀片伸出，活塞不需克服自身重力，作用在刀片的外推力增大，使刀片更易咬合在套管壁上，提高了刀片進行套管切割和鍛銑的穩(wěn)定性（見圖5）。

圖4 鍛銑工具限位器打磨后實物Fig.4 Image of forging and milling tool

圖5 施工情況及效果分析Fig.5 Image of the piston of the improved pushdown forging and milling machine

根據(jù)參數(shù)設(shè)計結(jié)果控制鉆井液參數(shù)：初切力15～20 Pa（10 s），終切力45～55 Pa（10 min），動切力30～45 Pa，塑性粘度50 mPa?s，濾失量＜5 mL；控制鍛銑施工參數(shù)：鉆壓10～25 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速在80～100 r/min，鍛銑速度控制在0.3～0.5 m/h，開始鍛銑時采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速，待穩(wěn)定后適當提高鍛銑速度來提升鍛銑效率，各施工參數(shù)間要匹配，同時根據(jù)現(xiàn)場實際情況和返出物情況在取值范圍內(nèi)進行調(diào)整［15-19］。

柯20 井鍛銑作業(yè)共用5 趟鉆，鍛銑總長度40 m，純鍛銑時間122 h。其中套管切割共用2 趟鉆，第1 趟鉆失敗，第2 趟鉆切割+鍛銑成功，后用3 趟鉆，鍛銑到設(shè)計長度?？?0 井鍛銑作業(yè)共用5 趟鉆，各趟鉆詳細情況見表4 及圖6。

表4 柯20 井各趟鉆鍛銑施工情況Table 4 Construction Conditions of forging and milling for each drilling trip of Well Ke-20

圖6 鍛銑工具起出后刀片磨損情況Fig.6 Wear conditions of the blade after the run

第1 趟鉆在套管切割過程中出口返出鐵屑量少，出屑不正常，停轉(zhuǎn)盤后下探鉆壓無變化、上提無掛卡。起出鍛銑器發(fā)現(xiàn)前端刀片合金齒、胎體有輕微磨損，后端刀片合金齒均完好。分析認為鍛銑位置深，提供泵壓不足，鉆壓、扭矩不能有效傳遞，導(dǎo)致刀具張開力度不足，銑齒切割出現(xiàn)套管內(nèi)刮壁情況，未能成功。

第2 趟鉆開始采用千型泵車與泥漿泵并聯(lián)施工，返屑率65%，鍛銑進尺8.24 m，鍛銑速度0.38 m/h，施工過程中停轉(zhuǎn)盤后下放鉆壓增加，上提管柱遇阻，判斷套管切割成功。起出管柱后發(fā)現(xiàn)鍛銑器3 副銑刀底部前部端面及刀翼合金齒均磨損嚴重，但后部端面位置存在磨損不到的問題。

第3 趟鉆返屑率62%，鍛銑進尺12.43 m，鍛銑速度0.35 m/h。起出鍛銑器發(fā)現(xiàn)3 副銑刀相較于第2 趟鉆磨損程度增加，但后部端面位置依舊存在無法利用問題。

第4 趟套管鍛銑出現(xiàn)異常，進尺0.36 m 后無鉆壓，出口返出鐵屑僅有9.4 kg。起出管柱后發(fā)現(xiàn)鍛銑工具槽內(nèi)有鐵屑，根據(jù)鉆壓、出口返出鐵屑量及起出鍛銑器情況判斷異常原因為鐵屑落入鍛銑工具腔內(nèi)，卡在推盤位置使銑刀不能完全推出，導(dǎo)致探不到窗口位置。

根據(jù)前幾趟鉆出現(xiàn)的異常問題和情況，將銑刀限位舌頭進行打磨，并將活塞推盤更改為下推式，同時分階段調(diào)整鉆井液漏斗粘度，提高切削和攜巖能力。第5 趟鉆返屑率71%，鍛銑進尺19.33 m，鍛銑速度0.48 m/h，起出管柱后發(fā)現(xiàn)鍛銑器3 幅鍛銑刀片幾乎全部磨損。相較于前幾趟鉆，單趟鍛銑進尺、鍛銑速度、鐵屑的返排率、銑刀利用率分別提高55.5%、26.3%、9.2%、28.6%，成功高效完成了柯20井套管鍛銑作業(yè)。

4 結(jié)論及認識

（1）對于現(xiàn)場設(shè)備性能不滿足鍛銑施工參數(shù)要求，可采用泵車配合泥漿泵增大排量，確保銑刀能夠有力張開，同時有效攜帶鐵屑。

（2）對于銑刀張開后不能完全鍛銑套管節(jié)箍，可通過對刀具限位部位進行打磨，使刀片下端面與套管鍛銑面充分接觸。

（3）對于鍛銑套管鋼級高、壁厚大的情況，若鍛銑刀具為上推式活塞推盤，可改進為下推式，提高刀片張力，更易咬合在套管壁上。

（4）對于鍛銑點深度深，鉆井液循環(huán)摩阻大，可采用混油增加潤滑性和分階段調(diào)整鉆井液漏斗粘度降低井下摩阻來控制泵壓。

（5）通過理論設(shè)計的鍛銑施工參數(shù)和鉆井液體系，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行工具、設(shè)備、參數(shù)調(diào)整優(yōu)化后，單趟鉆鍛銑進尺19.33 m，鍛銑速度0.48 m/h，返屑率71%，銑刀利用率90%，相較于前幾趟鉆，各指標分別提高55.5%、26.3%、9.2%、26.3%，有效提高了鍛銑作業(yè)效率。