青海油田套管切割工藝改進與應用

顏 生 鵬

（青海油田測試公司，青海海西 816400）

青海油田套管切割工藝改進與應用

顏 生 鵬

（青海油田測試公司，青海海西 816400）

通過倒扣將卡點以上的管柱解卡起出以及在取換套施工中倒套管取套，施工周期長，施工費用高，每次倒出的管柱程度不確定，施工顯得非常被動。利用切割工具預先切割井內卡點以上的自由段管柱，將被切割的管柱一次性起出，大大加快了施工速度，而且對切割位置可實現人為控制。在現場多口井使用中通過對機械內割刀內部結構的不斷改進，將對刀頭機械施加壓力改為水力施加壓力，解決了機械內切割工具坐卡確定切割位置困難、刀頭加壓不均勻、對井內被切割管柱魚頂不在井口而不能預先施加提拉力導致無法正常切割等問題；同時對切割管柱組合也進行了不斷改進和現場試驗，解決了切割和打撈需兩次完成、效率低和刀頭易損的問題，實現了切割打撈一體化施工，有效地保護了割刀刀頭，延長了刀頭使用壽命，提高了施工效率。目前，青海油田套管切割工藝已逐步替代了通過倒扣解卡打撈處理卡鉆事故的傳統修井工藝，成為快速解除卡鉆管柱事故和取套、換套施工中管柱快速起出套管的首選修井工藝之一。

套管切割；取套；換套；砂埋；管柱組合

隨著青海油田取套換套工作的開展，套管切割技術已經成熟，配套了一系列的切割工具。根據工作原理的不同，切割工具可分為4類：聚能切割彈切割、化學噴射切割、機械割刀切割和水力式割刀切割。但目前最常用的是聚能切割彈切割、機械割刀切割和水力式割刀切割。

在青海油田的仙8井、獅24井、躍11-15井使用聚能切割彈切割后，發現被割管體腐蝕，壁厚不均勻，魚頂切口呈不規則喇叭口狀，毛刺多，斷口不光滑，隨后進行了多次修整魚頂后，打撈出剩余落魚；同時，引爆瞬間能量沿著井眼軸向釋放，使強大的壓力沖擊波將聚能割刀總成在套管內上推，將電纜在井內折疊、堆積、打結，造成卡電纜事故；再者，割管的同時也不同程度地傷害套管，存在井內套管安全風險；切割彈不能承受較高的液柱壓力被先期損壞，導致切割無法正常進行。為此，青海油田推行機械內割刀切割，以確保安全和成功率。

1 機械內割刀切割存在的問題和技術改進

機械式內割刀［1］（圖1）主要由刀體、心軸、卡瓦等部件組成，其工作原理是：當內割刀從管內下至預定井深時，正轉3圈，滑牙套與滑牙片脫開，此時摩擦塊因彈簧的作用緊貼管壁，套在扶正器上的附件及卡瓦不隨中軸轉動，并靠滑牙套的嚙合作用上移，這時卡瓦靠卡瓦錐體的燕尾斜坡使工作直徑擴大，把割刀錨定在管壁上。再下放管柱，中心軸上的三只刀體同步下行并靠推刀塊的斜面向徑向方向張開，刀刃接觸預割管壁，旋轉鉆具即可切割，幾分鐘內把欲替換的損壞套管割斷。切割完備上提鉆具，刀頭靠彈簧片和伸縮行程收回。

圖1 機械式內割刀

在獅24井、躍12井、躍13-9井和躍新6-3井的取套施工中已廣泛應用，雖然成功取出了300~3 500 m不等的?139.7 mm油層套管，但也出現了多次事故。

切割鉆具組合：NGJ140 +?88.90 mm配重鉆鋌+XJ-K108開式下擊器+?73 mm鉆桿串+?88.9 mm方鉆桿。

切割操作程序：（1）按切割鉆具組合依次連接入井，下完XJ-K108開式下擊器、全部鉆具后啟泵循環時，分別記錄鉆具懸重；下工具全程控制下鉆速度。（2）調整方入，在工具坐卡位置和刀頭切割位置均避開套管接箍后旋轉鉆具坐卡工具，觀察懸重變化，確認坐卡是否成功。（3）坐卡成功后，緩慢啟動轉盤切割（轉速20 r/min，鉆壓5 kN），切割過程中每次下放管柱2~3 cm，觀察轉盤負荷和懸重的變化，當懸重和轉盤負荷突然變化時分析判斷原因，確認是割斷還是工具錨定失效所致。（4）起出切割工具，從刀頭磨損和損壞兩方面進一步判斷切割情況，確認沒有割斷，更換刀頭后繼續下鉆重新選位切割，確認割斷后組織打撈。

切割工具通過坐卡操作后，鉆具從開式下擊器處相對分開，下部鉆具除浮力后的重力均由刀頭承擔，即刀頭啟動前事先承受了一定的鉆壓F1，刀頭切削刃與管體內壁硬接觸。為此，刀頭啟動后在載荷F1和旋轉產生的推力F2的共同作用下實現對管體的切割。所以，刀頭的初次鉆壓高、進刀量大，刀頭要克服一定的反扭矩后才能滑動切割［2］。見圖2。

圖2 機械式內割刀刀頭受力分析

從上面的操作和刀頭受力分析中不難看出，切割工具在使用中存在以下問題：（1）割刀刀頭承受載荷啟動，瞬間切削刃易先期損壞，打刀頭導致切割失敗；刀頭工作環境惡劣，使用壽命短，效率低。（2）切割過程中因套管內壁與割刀卡瓦的錨定存在隨機失效的可能，導致反復坐工具操作，切割平均成功率為30%~40%，成功率不高。（3）切割中使用加重鉆具（鉆鋌）和其他輔助工具多，鉆具結構復雜，切割操作技術要求高。（4）切割產生的鐵削呈厚碎片狀和粗絲狀，排削困難，易造成卡工具事故。（5）套管深部切割或魚頂在井內以下的管柱切割完后，無法及時判斷切割成功與否，等起出切割工具后才能用其他手段確定切割效果，導致重復下鉆和多次切割，施工周期較長。

針對機械內割刀切割存在的問題，通過對割刀結構改進，將機械式內割刀改為水力式內割刀，核心是將刀頭的進給鉆壓由加重鉆具的重力改為水力壓降產生的推力。切割工具結構簡單，更換刀頭方便，不同的泵壓對應不同的鉆壓，鉆壓大小實現無級控制，彌補了機械內割刀的缺陷。

2 水力式內割刀存在的問題和切割鉆具組合優化

水力式內割刀（圖3）主要由上接頭、活塞、噴嘴、進刀桿、復位彈簧、刀頭和下接頭組成。工作原理：因噴嘴的限流作用，在活塞上部形成壓力腔，推動活塞及進刀桿下行，同時壓縮復位彈簧，進刀桿推出刀頭吃入管體內壁，鉆具帶動割刀旋轉，完成切割。

圖3 水力式內割刀

切割鉆具組合：NGS140 +?73 mm鉆桿串+?73 mm鉆桿串+?88.9 mm方鉆桿。

切割操作程序：（1）按切割鉆具組合依次連接，按標準下鉆速度下鉆至預定井深。（2）調整方入，割刀切割位置避開套管接箍位置，緩慢啟動轉盤（轉速20~40 r/min），緩慢啟動泵，觀察轉盤負荷和泵壓，不斷調整泵壓到預定值控制鉆壓（鉆壓2~5 kN），并記錄切割時間。（3）當轉盤負荷明顯下降時，切割結束。（4）起出切割工具，從刀頭磨損和損壞兩方面進一步判斷切割情況，確認沒有割斷，更換刀頭后繼續下鉆切割，確認割斷后組織打撈［3］。

刀頭受力分析［4］（圖4）：（1）工具隨鉆具旋轉時，割刀依然受回位彈簧作用，沒有從割刀腔中伸出。當啟泵后隨泵壓的不斷升高，活塞推動刀頭緩緩伸出，三刀頭均勻地接觸被切割管體內壁，并進行旋轉切割。（2）切割過程中鉆具是定位的，不會上下移動，確保割刀平穩切割，切割平均成功率達95%以上。（3）切割產生的鐵削呈細絲狀，有利于排削。

存在的問題：（1）上述切割管柱組合適用于被切割管柱井口懸掛呈拉伸狀態的井，如果魚頂在井內處于自由狀態，管柱被割斷的瞬間因重力作用下落，將旋轉的刀頭砸斷或扭傷變形，輕則損壞刀頭，重則造成卡鉆事故。（2）切割狀況除了觀察轉盤負荷的變化外沒有更多的信息反饋，無法確定切割效果，存在誤判斷而重復下鉆和多次切割的問題。（3）通過該鉆具組合切割，必須通過切割、打撈兩步工序才能達到預期的目的，施工工序多，勞動強度大，施工周期長。

圖4 水力式內割刀刀頭受力分析

針對井內自由管柱的切割，對水力式內割刀切割的鉆具組合進行了優化，解決了存在的問題。GJ1鉆具組合：NGS140 +?73 mm鉆桿串+LM54（P638） +?73 mm鉆桿串+?88.9 mm方鉆桿。切割操作程序：（1）計算核對?73 mm鉆桿串的長度與預切割管柱程度相符，割刀避開套管接箍。（2）工具下到魚頂位置后緩慢下放鉆具，工具安全入魚腔，專用撈矛到魚頂后，記錄鉆具總懸重。（3）打撈落魚后上提鉆具，使被切割管柱承受一定噸位的拉力（大于被切割管柱重力50~100 kN）［5］。（4）緩慢啟動轉盤，緩慢啟泵，逐步提高泵壓至預定值進行切割。（5）觀察轉盤負荷和懸重的變化，當鉆具上跳，轉盤負荷下降時，及時核對懸重。如果懸重明顯增加，證明切割成功。一般來說，這種切割成功率均達到100%。

上述切割鉆具組合的使用滿足了切割工藝成功率高、操作簡單、安全可靠的要求，但對于專用撈矛的要求高，要求撈矛既能打撈，同時心軸又能傳遞扭矩。為此，將GJ1鉆具組合改進為GJ2鉆具組合后，在獅24井、躍12井修井中都得到了成功應用。GJ2鉆具組合［6］：NGS140 +5LZ89×7.0螺桿鉆+?73 mm鉆桿串+DLM54 +?73 mm鉆桿串+?88.9 mm方鉆桿。切割鉆具組合增加了螺桿鉆后，動力由地面轉入井下，對于井內被切割的管柱內徑小，鉆桿接箍無法通過，而且切斷后的管柱重力小于油管抗拉強度的井，將上述切割鉆具組合中的鉆桿可更換為油管，即GJ2管柱組合：NGS140 +5LZ89×7.0螺桿鉆+?73 mm油管串+DLM54 +?73 mm油管串+高壓彎頭+?73 mm水龍帶。

GJ2鉆具組合切割被埋的管柱后，無法清理環空的被埋物，不能順利起出割斷的落魚，針對這一問題，將管柱組合改進為GJ3鉆具組合。GJ3鉆具組合：NGS140 +5LZ89×7.0螺桿鉆+?73 mm鉆桿串+DLM54+旁通接頭+?73 mm鉆桿×1根+密封接頭+?73 mm鉆桿串+?88.9 mm方鉆桿。按GJ2鉆具組合的操作進行切割。切割結束后下方鉆具，密封接頭進入魚腔，鉆具內投球、憋壓打開旁通接頭，建立循環，清理環空被埋物，達到清理要求后起出全部鉆具［7］。

3 應用效果

（1）切割施工中，通過切割工具改進和鉆具組合的不斷優化，改善了割刀的工作環境；在操作簡單、判斷直觀的同時，也延長了工具的使用壽命，提高了工作效率，削減了安全風險和二次事故。

（2）原來的切割鉆具組合切割、打撈分步進行，增加了切割后處于自由狀態的落魚打撈難度，通過對鉆具組合的改進，實現了切割打撈同步進行，也適應了各種復雜井況的切割需求，切割成功率由30%提高到了95%。

（3）如果切割中出現意外、切割失敗時，利用螺桿鉆+倒扣撈矛的切割鉆具組合將套管倒開，不至于造成空鉆，避免了無效勞動，實現了切割打撈一體化。

（4）本次鉆具組合的改進主要考慮的是壓力的分配問題，壓力轉換為鉆壓，進刀均勻，刀頭工作平穩。壓力分配為

式中，p泵為循環泵壓，MPa；p循為管路循環壓耗，MPa；pa為螺桿鉆壓降，MPa；pc為刀頭節流壓降，MPa。

4 結論

（1）通過對內割刀切割管柱的受力分析，將鉆壓由配重的鉆具重力提供更換為隨機可調的壓力降產生的推力，改善了刀頭的工作環境，滿足了切割工具結構簡單、操作方便、確保切割位置準確需求，實踐表明，此方法是可行的，可進一步推廣應用。

（2）通過對切割鉆具組合的不斷改進，拓展了切割工藝的使用范圍，可以完成多種井況的管柱切割，尤其是與螺桿鉆、套管撈矛等其他工具組合，實現了切割打撈一體化的切割工藝，施工效率大幅度增加。

（3）多種工具組合使用的良好效果反映出了組合工具的發展前景，也指明了工具使用的新思路，但組合工具沒有形成系列化，也沒有相應的行業標準，在以后的工作中急需完善和補充，以便更好地全面推廣應用。

［1］吳奇.井下作業工程師手冊［M］.北京：石油工業出版社，2002.

［2］吳奇.井下作業監督［M］.北京：石油工業出版社，2002.

［3］韓振華，曾久長.井下作業技術數據手冊［M］.北京：石油工業出版社，2005.

［4］羅躍綱.材料力學［M］.北京：科學出版社，2004.

［5］SY/T 5724—2008，套管柱結構與強度設計方法［S］.

［6］趙金洲，張桂林.鉆井工程技術手冊［M］.北京：中國石化出版社，2005.

［7］成大仙.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［8］趙國珍，龔偉安.鉆井力學基礎［M］.北京：石油工業出版社，1988.

（修改稿收到日期 2014-07-28）

〔編輯 景 暖〕

Improvement and application for casing cutting technology in Qinghai Oilfield

YAN Shengpeng
（Test Company of Qinghai Oilfield,Haixi816400,China）

The operation of freeing the stuck pipe above the sticking point by back-off and taking the casing during casing replacing will take a long time and a lot of money,and the extent of retrieved casing is not certain,so the operation is quite passive.Using cutting tool to cut off the free string above the sticking point in the hole and retrieving the cut-off string out of hole at one time can greatly speed up the operation and can realize manual control over the cutting location.In a number of wells at site,the internal structure of mechanical inside cutters has been improved,and hydraulic force is exerted to cutting head instead of mechanical force,which has solved the problems of difficulty in determining the cutting location of the mechanical inside cutting,uneven force exerted on the cutting head,as well as being unable to cut normally due to failure to exert pull force in advance due to the fish head not being at the wellhead.Also,the string assembly to be cut off has been improved and tested on site,which has solved the problems of cutting and fishing to be finished in two times,low efficiency and easy damage to the cutters,realizing integrated operation of cutting and fishing,effectively protecting the cutting head,extending the service life of cutters and improving the job efficiency.At present,the cutting technology in Qinghai Oilfield has gradually replaced the traditional well servicing technology which addresses stuck pipe by back-off and fishing.This cutting technology has become one of the preferred downhole service technologies to quickly remove stuckpipe accident and rapidly retrieve the casing string in retrieving and casing replacing operations.

casing cutting;casing taking;casing replacing;sand burying;string assembly

顏生鵬.青海油田套管切割工藝改進與應用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：134-137.

TE358；TE935

：B

1000–7393（2014） 05–0134–04

10.13639/j.odpt.2014.05.034

顏生鵬，1968年生。1990年畢業于重慶石油學校鉆井工程專業，現主要從事井下作業工具和測井儀器、工具研究工作，工程師。電話：0937-8903020。E-mail：yaspqh@petrochina.com.cn。