海上油田棄井作業(yè)中水力內(nèi)割刀結構優(yōu)化與應用

張新平，李勇，方濤，陳劍鋒，馮世佳

(中海油田服務股份有限公司一體化和新能源事業(yè)部，天津 300459)

0 引言

隨著海上油氣田開發(fā)年限的逐步增長，越來越多早期投入生產(chǎn)的油氣井已經(jīng)進入低產(chǎn)期，不具備繼續(xù)開采的經(jīng)濟價值，此類油氣井棄置作業(yè)被逐步提上日程。其中套管的切割回收是棄置作業(yè)中必不可少的一項步驟，目前在海上棄井作業(yè)中普遍使用套管水力內(nèi)割刀進行13-3/8"、20"、30"套管的切割回收，但常用的套管水力內(nèi)割刀作業(yè)時存在著扭矩大、震動強烈、刀片損耗大等問題，且在切割過程中無法直接判斷井下套管切割完成情況，易在切割過程中產(chǎn)生橢圓形切割，導致套管出現(xiàn)一側(cè)被割斷而另一側(cè)未被割斷的現(xiàn)象。這些問題的出現(xiàn)會嚴重影響到套管切割作業(yè)的安全與效率。因此，本文通過對水力內(nèi)割刀切割機理進行研究，依據(jù)當前內(nèi)割刀的現(xiàn)場棄井資料與存在問題，提出各尺寸割刀改進方法，建立新型水力內(nèi)割刀參數(shù)數(shù)據(jù)模型與公式，確保水力內(nèi)割刀即使在套管偏心的狀態(tài)下也能夠高效率完成套管切割作業(yè)。

1 常用水力內(nèi)割刀結構

目前海上石油棄置作業(yè)常用的水力式內(nèi)割刀主要由上接頭、噴嘴、活塞、中筒體、彈簧、切割刀、下接頭、O型圈等零件組成[1]。

其工作原理為：將水力式內(nèi)割刀下放至所需的任意切割位置(避開套管接箍)，接頂驅(qū)，通過鉆柱轉(zhuǎn)動帶動割刀旋轉(zhuǎn)，記錄空轉(zhuǎn)扭矩。降低轉(zhuǎn)速開泵循環(huán)并逐漸加大排量，由于噴嘴的切流作用，使活塞的上半部形成相對的高壓腔，在活塞兩側(cè)壓力差的作用下活塞被推動下行，活塞下端又同時推出割刀刀片，使得刀尖頂向套管內(nèi)壁，保持合適的泵壓和排量，使割刀刀片與套管內(nèi)壁研磨，隨著彼此相對轉(zhuǎn)動進行切割作業(yè)。當完成切割后，停泵停轉(zhuǎn)，活塞上下兩側(cè)的壓差消除，給予活塞向下的推力消失，被壓縮的彈簧復位推動活塞復位上行，同時活塞下端的復位割刀刀片也因自身重力收回至刀槽內(nèi)。作業(yè)結束，上提鉆具，起出水力式內(nèi)割刀。

2 目前關鍵技術問題

目前國內(nèi)海上常用套管水力式內(nèi)割刀工具存在以下問題：(1)進入套管預定切割位置進行切割作業(yè)后不能一次性割斷套管；(2)切割完成后，割刀刀片不能順利復位收回至刀槽內(nèi)，產(chǎn)生卡鉆；(3)割刀刀片斷裂卡住工具及鉆柱，無法通過地面參數(shù)監(jiān)測，判斷割刀井下切割情況；(4)井下切割雙層及多層套管只完成了內(nèi)層套管的切割，外層套管切割困難，甚至需要起鉆更換刀片[2]。

以上問題會造成作業(yè)工期延長、增加作業(yè)成本，在本就屬于純投入的棄置作業(yè)中產(chǎn)生不利因素，因此亟需對目前海上常規(guī)套管水力式內(nèi)割刀工具進行改進，提高套管切割效率，本文重點對水力式內(nèi)割刀結構以及對應刀片長度進行了分析與改進。

3 套管偏心對刀片長度的改進

對本體最大外徑5-3/4′′的水力內(nèi)割刀切割7”偏心的套管管柱進行作業(yè)分析，割刀與套管位置模擬圖如圖1和圖2所示。

圖1 割刀打開處于套管居中狀態(tài)位置圖

圖2 割刀打開處于套管最大偏心位置圖

模擬不同刀體長度與不同刀體對應套管切割尺寸，推薦切割參數(shù)如表1所示。

表1 各尺寸割刀所配刀片長度與對應切割套管配套表

4 水力內(nèi)割刀結構改進

改進后水力式內(nèi)割刀主要由上接頭、配流板、活塞、筒體、轉(zhuǎn)銷、噴嘴、刀頭、彈簧、下接頭、密封件等組成。其作業(yè)原理與普通割刀相同，通過活塞兩側(cè)的壓力差作用，推動活塞下行，利用活塞下端推動割刀刀片張開，刀尖與套管內(nèi)壁接觸，利用鉆柱旋轉(zhuǎn)帶動割刀進行切割作業(yè)。相較于目前海上石油作業(yè)常用割刀，其工具內(nèi)部新增了泄壓結構，能準確判斷井下工具作業(yè)情況。在所有套管切割完成后，地面可以通過泵壓監(jiān)測設備觀察到鉆具內(nèi)部泵壓驟降現(xiàn)象。

割刀活塞推力計算：

新式水力內(nèi)割刀是利用泥漿流過其噴嘴的壓降作用在其活塞上產(chǎn)生推力。設活塞面積為S，壓力降為ΔP，割刀產(chǎn)生的推力為F[3]。

因此，割刀內(nèi)部活塞受到推力的大小只與活塞的面積和兩側(cè)的壓力降有關，當活塞面積一定時，可以通過調(diào)整鉆井參數(shù)中泵壓的大小改變活塞兩側(cè)壓力降ΔP，從而得到套管切割最佳的活塞推力。

選取本體最大外徑11-3/4′′水力式內(nèi)割刀切割20′′套管切割參數(shù)進行套管切割作業(yè)數(shù)值模擬計算：

活塞推力F：7～12 t

排量Q：12～14 L/s

噴嘴d：φ1.6 cm

泥漿密度ρ：1.08 g/cm3

其活塞面積[4]：S=

活塞外徑：D=25 cm

活塞內(nèi)徑：d=1.6 cm

活塞面積：S=488.86 cm2

壓力降：ΔP=0.082

其中：C為流量系數(shù)，取0.98；de為噴嘴當量直徑[5]。

F=ΔP·S=2.37 MPa×488.86 cm2=115.8 kN，在合理范圍之內(nèi)，活塞推力合格。

進行雙層套管切割實驗時，根據(jù)模擬實驗數(shù)據(jù)中扭矩分析，當切割時間在2.0～2.5 h之間，雙層套管已經(jīng)切開。

模擬實驗數(shù)據(jù)圖如圖3所示。

圖3 雙層套管切割實驗數(shù)值模擬圖

5 實例應用

X井9-5/8′′套管與13-3/8′′套管之間環(huán)空均為滿眼水泥，13-3/8′′套管與36′′隔水導管之間200 m以上無水泥，且9-5/8′′套管偏心問題較為嚴重?，F(xiàn)需要將9-5/8′′和13-3/8′′雙層套管切割打撈處理至155 m，使其滿足后續(xù)裸眼側(cè)鉆要求。

X井套管下入基本信息如表2所示。

表2 下入套管信息表

雙層套管切割管柱組合：引鞋+8-1/4′′水力式內(nèi)割刀(刀片長度3.5′′)+變扣+5.5′′鉆桿+5.5′′鉆桿。

現(xiàn)場8-1/4′′水力內(nèi)割刀雙層套管切割作業(yè)參數(shù)記錄如表3所示。

表3 現(xiàn)場切割參數(shù)記錄表

其作業(yè)過程為：組合套管切割鉆具接頂驅(qū)，進行新型水力內(nèi)割刀地面測試。緩慢開泵，記錄刀片張開排量與張開角度，計算割刀切割范圍。記錄完畢后，關泵，刀片復位收回刀槽內(nèi)，下鉆。割刀下鉆到位，以30 r/min開轉(zhuǎn)，測工具空轉(zhuǎn)扭矩。降轉(zhuǎn)速至20 r/min后，以10 沖/min開泵，緩慢提高泵沖數(shù)與轉(zhuǎn)速，保持9-5/8′′套管推薦切割參數(shù)，在純切割時間達到45 min后觀察到扭矩下降后又迅速恢復，判斷9-5/8′′套管已切割完成。降低轉(zhuǎn)速至30 r/min后，緩慢提高泵沖數(shù)與轉(zhuǎn)速至13-3/8"套管推薦切割參數(shù)，在純切割時長達到2.1 h后，通過地面監(jiān)測設備觀察到泵壓驟降、扭矩變小現(xiàn)象，判斷井下雙層套管已切割完成，停泵停轉(zhuǎn)，起甩工具與套管。

6 結語

(1)改進后的棄井水力式內(nèi)割刀能夠改善原有割刀切割扭矩大、震動強烈、刀片損耗大的缺陷，顯著增加刀片壽命；

(2)改進后的棄井水力式內(nèi)割刀結構合理，能輔助判斷井下作業(yè)情況，切割效率高，能夠滿足多層套管切割要求，避免多層套管切割作業(yè)中只割斷一層套管的情況出現(xiàn)；

(3)改進方法簡單、易于實施，且成本較低，具有很好的經(jīng)濟性。