深水棄井作業轉矩的影響因素分析

鄢　標，夏成宇，王　鵬，盧漢斌，黃　鍇，呂佳華

（1．長江大學　非常規油氣湖北省協同創新中心，武漢430100；2．長江大學　油氣鉆完井工具研究中心，湖北　荊州434023）①

深水棄井作業轉矩的影響因素分析

鄢標1，2，夏成宇1，2，王鵬1，2，盧漢斌1，2，黃鍇2，呂佳華2

（1．長江大學非常規油氣湖北省協同創新中心，武漢430100；2．長江大學油氣鉆完井工具研究中心，湖北荊州434023）①

在海洋棄井作業中，淺水區域作業是通過轉矩陡降判斷套管是否切斷；而對現場深水套管切割資料研究中發現，在深水座壓式棄井作業時，即使套管被切斷，轉矩也不會突然降低。結合鉆柱力學，找出了影響深水套管切割轉矩的因素及深水套管切割時轉矩組成成分的比例變化規律，指出了不能用轉矩作為深水判斷標準的原因；建議使用井下動力鉆具進行切割，研究結果對深水套管切割技術指標的確定及現場作業有一定的指導意義。

深水；棄井作業；套管切割；轉矩；影響因素

海洋石油平臺的設計壽命約為20 a，國內外法規、標準規定，當海洋平臺的壽命到達設計期限后，如果沒有其他用途，均需被廢棄拆除［1］。自20世紀80年代拆除第1座海洋石油平臺到2012年以來，拆除了2000多座海洋石油平臺。我國海洋石油開發的時間大約有50a，分布在渤海、黃海、東海和南海。有部分海洋石油平臺已達到使用壽命，按照我國海洋石油開發的相關條例，需要將他們拆除。而且在若干年后，將會有更多的海洋石油平臺會被拆除。由于我國在海洋石油甚至深水油氣井的開發中，相關技術還難以滿足目前的需要，所以，研究海洋深水棄井工程技術及其應用迫在眉睫［2－4］。

對于永久棄井作業，最關鍵的環節就是套管切割。切割工具的研究在近幾十年來取得了一定的發展。1999年，董合健等研制了NDS114型套管內割刀，這種切割裝置是一種典型的水力式割刀，工具總長1 100 mm，本體外徑114 mm，割刀伸出最大外徑170 mm，適用套管直徑為140 mm，可廣泛應用于油田井下套管切割［5］。2001年，美國的Sonsub公司研制了采用遙控潛水器操作的水下金剛石切割繩模塊［6］。2009年，英國Sondex公司研制了井下電切割工具［7］。同年，美國威德福公司研制出了深水井口頭切割回收工具［8］，被稱為棄井作業的一次革命。目前，深海平臺棄井作業中，機械水力切割因其經濟、快速、安全的特點而被普遍采納。然而，隨著作業水深的增加，針對如何判斷套管是否被切斷，成為棄井作業的難題。在淺水區域，一般由轉矩陡降來判斷套管被切斷［9］。分析深水切割資料發現，在深水作業時，即使套管被切斷，轉矩也不會陡降。本文對深水套管切割過程中，影響套管切割轉矩的因素進行了理論分析，解釋了利用井口驅動轉矩變化作為割斷指標的局限性；并用現場數據驗證了理論分析的正確性。分析結論對深水套管切割切斷判斷指標的制定以及機械式切割工具的設計有一定的指導意義。

1　機械式切割基本原理

機械式水力內割刀結構如圖1所示。切割原理為：將機械式切割工具下放到作業深度，開啟泥漿泵，由于節流噴嘴的節流作用，在芯板及活塞上下產生壓差，活塞下移，撐開刀具，然后頂驅帶動鉆柱旋轉，鉆柱帶動刀具旋轉實現套管切割。

圖1　水力內切割工具

2　座壓式棄井作業套管切割鉆柱力學分析

切割鉆柱受轉矩影響的模型如圖2所示。由達朗貝爾原理［10］可知，井口驅動轉矩由刀具切轉矩、流體阻力矩及鉆柱產生的慣性轉矩3部分組成，即：式中：M（t）為井口驅動轉矩，N·m；M1（t）為海水阻力矩，N·m，M1（t）＝Md（t）×l，Md（t）為鉆柱單位長度所受的阻力矩，l為流體作用長度；M2（t）為刀具產生的轉矩，N·m；M3（t）為慣性轉矩，N·m，M3（t）＝Jα，J為鉆柱的極慣性矩，α為鉆柱的角加速度，rad／s2。

圖2　切割鉆柱受轉矩模型

在淺水作業時，由于水深l較小，刀具產生的轉矩M2（t）遠比M1（t）＋M3（t）大，故當套管被切斷后，M2（t）急劇減少而造成M（t）急劇減小，此時可以通過井口轉矩M（t）的變小判斷套管被切斷。但在深水作業時，由于水深l比較大，M1（t）和M3（t）增大，導致M1（t）＋M3（t）＞M2（t），此時當套管被切斷后，M2（t）急劇減少，但M（t）不會急劇減小。因此，在深水區域不能用井口驅動轉矩突變來判斷套管是否被切斷。

3　現場案例分析

由上述分析可知，在座壓式深水套管切割中，井口驅動轉矩由切割轉矩、慣性轉矩以及海水阻力矩組成，并且水深和轉速會影響切割轉矩占井口驅動轉矩的比例。

3．1 切割轉速對井口驅動轉矩的影響

以南海某A井339．725 mm（13英寸）套管切割為例，該井的切割深度850 m，轉矩T＝1～13 k N·m，切割轉速0～75 r／min。

1） 鉆具轉速n為25 r／min，泵沖次為85 min－1。鉆具角速度為

極限情況下角加速度為

慣性轉矩為

極限情況下慣性轉矩Tg占總轉矩T的比例為

2） 鉆具轉速為45 r／min，泵沖次為85 min－1。鉆具角速度為

極限情況下角加速度為慣性轉矩為

極限情況下慣性轉矩T g占總轉矩T的比例為

3） 鉆具轉速為75 r／min，泵沖次為85 min－1。鉆具角速度為

極限情況下角加速度為

慣性轉矩為

極限情況下慣性轉矩T g占總轉矩T的比例為

轉速對井口驅動轉矩的影響如表1。

表1　轉速對井口驅動轉矩的影響

由表1可知，隨著切割轉速的增加慣性轉矩占總轉矩的比例增加，與理論分析相吻合。

3．2 工作水深對井口驅動轉矩的影響

1） 南海某B井339．725 mm（13英寸）套管切割。作業水深590 m，泵沖次0～75 min－1，轉矩0～8．7 k N·m，其中泵沖次為75 min－1時，未切斷時井口驅動轉矩為8．6 k N·m。該井切割正常，切斷后井口驅動轉矩陡然下降，停泵，取出鉆柱后，提拉套管，套管正常取出，顯示套管已被割斷。轉矩隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3　南海某B井井口轉矩隨時間的變化曲線

2） 南海某A井339．725 mm（13英寸）套管切割。套管切割深度850m，泵沖次0～75 min－1，鉆具懸重1 040 k N，下壓50 k N，切割耗時2．5 h，在轉矩7～13 k N·m未出現轉矩突然降低，起鉆完，檢查割刀，發現3幅刀片磨損均十分嚴重，刀尖基本磨圓，刀背上崩齒比較嚴重；從刀背上的痕跡來看，距離刀尖30 mm的范圍內磨損十分嚴重，30～70 mm區域磨損略輕一點，距離刀尖120 mm 處2副刀片上有較明顯的圓弧形劃痕。根據以上跡象，由刀具情況推斷套管完全割斷的概率在80%以上。轉矩隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4　南海某A井井口轉矩隨時間的變化曲線

水深對井口驅動轉矩的影響如表2。

表2　水深對井口驅動轉矩的影響

從表2可知，當水深從590 m增加到850 m時，井口驅動轉矩增加4．3 k N·m，占850 m水深的井口驅動轉矩的比例為33．08%。

隨著工作水深以及切割轉速的增加，海水阻力矩和慣性轉矩占井口驅動轉矩的比例逐漸增大，導致切割轉矩占總轉矩的比例減小，從而導致井口轉矩在切割過程中無明顯變化，與理論分析相吻合。

4　結論

1） 隨著工作水深的增加，海水阻力矩和慣性轉矩所占井口驅動轉矩的比例增加。切割轉速增加，慣性轉矩占總轉矩的比例增加。

2） 在深水作業時，切割轉矩占總轉矩的比例隨水深和切割轉速的增加而減小，不能以總轉矩的陡降來判斷套管是否被割斷。

3） 建議通過完善切割工具或使用井下動力鉆具進行切割，通過泵壓的變化來判斷套管是否被割斷。

［1］ 國家安全生產監督管理總局．海洋石油安全管理細則［S］．2009．

［2］ 謝彬，張愛霞，段夢蘭．中國南海深水油氣田開發工程模式及平臺選型［J］．石油學報，2007，28（1）：115-110．

［3］ James W，Suliman S，AlSuwailemR，et al．A unique rigless casing leak repair，Ghawar Field，Saudi Arabia ［R］．SPE68129，2001：55-57．

［4］ 王尊策，張辰，溫后珍，等．壓裂管柱力學分析及其應用［J］．石油礦場機械，2014，43（9）：30-33．

［5］ 董合健，呂宗高，龔偉民，等．NDS114型套管內割刀的研究與應用［J］．石油機械，1999（3）：38-39．

［6］ 田曉潔，劉永紅，林榮桔，等．深海套管切割工具的研究和發展現狀［J］．石油機械，2011（11）：45-52．

［7］ 趙壽元，李勇，高軍偉，等．水下切割技術的研究［J］．機械研究與應用，2007，20（5）：26-28．

［8］ 馮定，王永平，趙志超，等．套管固井質量問題對策分析［J］．江漢石油學院學報，1998，20（9）：74-77．

［9］ 季鵬，李亞方，馬魁魁，等．淺談機械水力割刀套管切割技術［J］．中國石油和化工標準與質量，2013（9）：67．

［10］ 閆鐵，劉珊珊，畢雪亮，等．考慮鉆柱作用的深海隔水管柱力學分析［J］．石油礦場機械，2014，43（8）：13-17．

Analysis of Influencing Factors of Torque in Casing Cutting in Deep Water

YAN Biao1，2，XIA Chengyu1，2，WANG Peng1，2，LUHanbin1，2，HUANGKai2，LYU Jiahua2
（1．Unconventional Oil and Gas Hubei Province Collaborative Innovation Center，Yangtze University，
Wuhan 430100，China；2．Oil and Gas Drilling and Well Completion Tools Research Center，Yangtze University，Jingzhou 434023，China）

In marine abandonment operations，people judge whether the casing pipe was cut off by the information that the torque became smaller suddenly in the shallow water area．But through analyzing the cutting data in the deep water operations，it found that the torque will not suddenly become smaller even the casing pipe being cut off．Combined with a BHA analysis program，this article analyzes the cause of the torque decline in the process of casing cutting in deep water．It concluded the regular of changes of the torque component ratio during the casing cutting in deepwater and pointed out the reasons of cannot using the torque as the judgment standard in deepwater．It is recommend the use of downhole drilling tools for casing cutting．The research results have certain guiding significance for field operations and the determination of technical indicators of casing cutting off in deepwater．

deep water；abandonment operation；casing cutting；torque；influencing factor

TE952

A

10．3969／j ．issn．1001－3842．2015．09．002

1001－3482（2015）09－0004－04