深水棄井作業一體化技術及關鍵工具研究

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

隨著石油勘探技術的迅猛發展，石油的勘探開發逐漸向深水邁進，而對海底的清潔要求越來越高。根據海底棄井規范，泥線以下5 m不得遺留各種棄置物[1]。我國在深水勘探過程中，由于受到鉆探區域海況的影響，及工藝技術的限制，采用傳統的切割回收方法回收海底井口系統，需要先進行切割作業，再打撈井口頭和套管，然后下鉆完成注水泥作業，該作業程序復雜，時間較長，成本高。采用深水切割回收工藝，可以一趟鉆完成切割和回收作業，但是不能實現一趟鉆注水泥作業[2]。為了提高棄井的作業效率和作業的可靠性，筆者研究了深水棄井一體化技術。

1 深水棄井工藝現狀

在深水井切割回收套管時，隔水管系統及防噴器組已經完成回收，是在鉆桿暴露在海流中的情況下進行棄井作業。鉆柱承受波浪力及海流力等多種因素的影響，鉆桿的受力比較復雜。所以，深水井口切割回收系統必須考慮鉆柱受海浪的影響。目前常用的深水井口切割回收系統主要是提拉式外撈和座壓式外撈[3-4]，這兩種系統在切割回收完成后，都需要單獨下一趟鉆進行注水泥封固作業，作業時間長。由于受海底洋流等的影響，重新下入注水泥管柱時管柱很難進入井眼。所以，筆者研制了深水棄井一體化工具，實現切割套管、回收井口頭、注水泥封固作業一趟鉆完成。

2 深水棄井一體化工具設計

2.1 深水井口結構特點

深水井的井口裝置安裝在轉盤正下方的海底，如圖1所示，它包括：①坐在海底并支撐井口裝置的導向基座；②連接762 mm等尺寸導管，并鎖緊在導向基座上的低壓井口頭；③連接508.0 mm表層套管，并坐掛在低壓井口頭內的高壓井口頭；④高壓井口頭內組裝各層套管、套管掛和密封總成等附件。以上裝置的嚴密組合，就形成了深水水下井口系統。

圖1 深水井口示意

2.2 深水棄井一體化工藝工作原理

深水棄井一體化技術是將套管切割技術、深水井口頭回收技術及注水泥封堵技術相結合的一種棄井技術。棄井一體化工具主要由注水泥引鞋、鉆桿、扶正器、新型水力割刀、伸縮節、打撈工具、鉆桿等組成。將工具組合好后下入到設計位置，首先利用打撈工具抓住高壓井口頭，上提管柱使鉆具處于受拉狀態，打撈工具處于鎖定井口狀態。然后，通過旋轉鉆具，利用水力割刀一次完成508 mm和762 mm套管的切割，其原理如圖 2 所示。在切割過程中，可以根據管柱的懸重變化判斷套管是否被割斷，懸重減小說明套管全部割斷。在切割作業過程中，鉆桿始終承受拉力，保證打撈工具始終抓住井口頭。這樣還可以減小鉆具的公轉甩動半徑，降低受壓切割作業中井口發生傾斜而影響割刀無法居中的可能性，從而保證了作業過程的可靠性。套管切割完成后，上提鉆具，將井口頭與下部套管提離泥面。然后，投球打開注水泥通道，進行注水泥封固作業。注水泥結束后，上提鉆具，回收井口頭及套管，將井口頭固定在井口，然后下壓鉆具，再正向旋轉60°，上提鉆具，打撈工具與井口頭即脫開。

圖2 打撈示意

該技術一趟鉆完成套管的切割、井口頭的回收及注水泥作業，省去了單獨打撈和注水泥的工藝，可靠且方便，節約了作業時間。通過分析發現，該一體式系統可以提高作業時效性、穩定性和安全性。

3 設計要點

3.1 內撈式打撈工具設計及分析

水下井口的高壓井口頭懸掛508 mm套管，低壓井口頭懸掛762 mm套管。回收時，通常是將高壓井口頭、低壓井口頭和套管一起回收。由于高壓井口頭與低壓井口頭咬合在一體，本文設計的打撈工具主要是打撈高井口頭底部，即，高壓井口頭下部與套管連接縮徑處，如圖2所示。根據相關模擬分析，鉆桿暴露于海水中時，海底平面上鉆柱在受壓工況下所受應力及變形大于海平面上鉆柱在受拉工況下的應力及變形[5]。所以，本文選用上提鎖緊的打撈方式。由于外撈式打撈工具必須和高壓井口頭外部卡槽配合，不利于現場操作，且打撈工具鎖定之后會出現意外脫開和回收后在井口無法脫手的現象。本文采用彈性片支撐的內打撈方式，如圖3所示，打撈工具上部設計有J槽筒，利用上接頭在J槽筒內的軌跡運動，可以實現打撈工具脫手和咬合，提高了現場操作的可靠性。

1—上接頭；2—J槽筒；3—中間筒；4—耐磨環；5—調節筒；6—點位環；7—連接套；8—彈性套；9—扶正套；10—牙塊；11—下接頭；12—軸承護套；13—卡瓦椎體；14—圓錐滾子軸承。

根據現場作業情況，切割套管深度 5 m時，回收超提力達到500 ～ 700 kN，包括套管的重力、高壓和低壓井口頭的重力、水泥環的重力、基座的重力等，泥面與外層套管的拖拽力。設計打撈工具時，選定的抗拉載荷為1 400 kN。切割套管時打撈工具需要傳遞轉矩，選定的抗扭載荷為145 kN·m。

3.1.1工具抗扭強度計算

打撈工具是水下井口系統切割回收的關鍵設備之一，棄井作業切割套管時，需要旋轉鉆桿，將轉矩傳遞到鉆桿、打撈工具、水力割刀[6-10]，然后通過水力割刀切割套管。在切割過程中，打撈工具是傳遞轉矩的關鍵工具。許用轉矩計算公式為[6]：

(1)

危險截面外徑D為197 mm;危險截面內徑d為135.6mm。根據式(1)計算的許用轉矩Tmax=608.95 kN·m。設定的抗扭載荷145 kN·m，故滿足設計要求。

3.1.2打撈工具抗拉強度計算

根據棄井作業程序，切割完成后，需要將井口頭與套管一體回收，工具的抗拉強度是設計的重要參數之一[11-13]。該工具選用4145H材料。抗拉強度計算公式為[6]：

F=σs·A×10-3

(2)

危險截面外徑D為197 mm，內徑d為135.6 mm。根據式(2)計算的抗拉強度F=12 592.97 kN，滿足設計要求。

3.1.3卡爪設計及力學分析

打撈工具卡爪與井口頭的配合如圖2所示。打撈工具在下入和上提的過程中，卡爪受到井口頭的擠壓，會產生變形。應用有限元分析軟件 ANSYS 建立卡爪模型，利用零部件的相互接觸及約束條件，對卡爪的受力進行分析。由于6個卡爪均布，分析過程中只分析1個卡爪。卡爪采用的是60Si2Mn材料，力學性能如表1。

表1 60Si2Mn材料的力學性能

卡爪的等效應力如圖4所示，卡爪根部的應力最大，該最大應力為563 MPa，小于材料的屈服強度1 274 MPa。根據分析結果可知，卡爪的根部安全，進一步驗證該結構的合理性。

圖4 打撈工具卡爪應力云圖

3.2 注水泥一體式水力割刀設計及分析

深水棄井一體式系統的水力割刀必須具有兩種功能，一是具有與常規割刀一樣的切割功能；二是具有注水泥的功能，保證水泥可以由割刀內部傳遞到下部鉆具。注水泥一體式水力割刀結構如圖5所示。切割時，通過噴嘴產生壓力，推動芯軸下移。芯軸與割刀采用齒輪與齒條的傳動原理，芯軸下移時帶動割刀刀片張開，泄壓時彈簧力推動芯軸上移，刀片回收。切割完成后，投入鋼球打通注水泥通道，完成注水泥作業[14-17]。

1—上接頭；2—本體；3—剪切銷釘；4—鋼球；5—活塞；6—噴嘴座；7—噴嘴；8—芯軸；9—刀體；10—彈簧；11—下接頭。

3.2.1割刀推力計算

注水泥一體式割刀是利用泥漿流過它噴嘴的壓降作用在其活塞上而產生推力。設活塞面積為S，壓力降為△p，割刀產生的推力：

F=△p·S

(3)

因此，它產生鉆壓的大小只與活塞的面積和壓力降有關，活塞面積一定，可通過調整鉆井參數而改變壓力降△p，得到合適的推力。

根據式(3)計算得F=△p·S=76 kN，所以割刀設計滿足要求。

3.2.2刀柄齒輪結構強度校核

割刀采用的是齒輪結構原理，活塞達到最大推力時，齒輪所受的最大壓力必須大于活塞的最大推力。漸開線齒輪彎曲強度校核公式為[6]：

(4)

根據式(4)計算得Ft=173 kN，割刀芯軸與刀片最大抗壓F=Ft×3=519 kN，大于活塞的最大推力76 kN，所以刀柄齒輪結構及強度滿足設計要求。

4 試驗井試驗

深水棄井一體化工具在中海油試驗井進行了試驗，對工藝的可行性和工具的可靠性進行了檢驗。試驗方案是：將深水低壓和高壓組合的井口頭、套管固定在試驗井口。然后模擬現場作業程序進行試驗，將深水棄井一體化工具下入井筒，下壓打撈工具，然后左旋1/4圈，過提100 kN，使打撈工具抓緊井口頭。然后，進行切割作業，管柱轉速70 r/min，泥漿泵排量2.3 m3/min，壓力11.5 MPa，508 mm套管切割用時4.5 h，762 mm套管切割用是6.3 h，切割完成后，打撈工具將井口頭與套管上提1.2 m。然后從鉆桿內投球，加壓25.6 MPa打開注水泥通道，模擬注水泥作業排量1.8 m3/min，壓力3.4 MPa。通過試驗驗證了工藝的可行性和工具的可靠性。

5 結論

1) 分析了現有深水棄井作業工具和程序的不足。研究了一種深水棄井一體化技術，并完成了關鍵工具的設計與校核。

2) 經過分析計算和試驗井驗證，深水棄井一體化技術的原理正確，結構可靠，解決了棄井作業效率低的問題。

3) 優化作業程序和配套工具是提質、提效的主要手段。開展棄井工具和程序的分析研究是今后研究的重點。