高性能套管鍛銑工具在威陽89井應(yīng)用

黃 兵，苗 娟，王平安，湯 明

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川德陽618300；2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都610059；3.西南石油大學(xué)工程學(xué)院，四川南充637000；4.西南石油大學(xué)·油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500）

1 概述

受國際石油形勢的影響，國際油價(jià)低迷，國內(nèi)油氣行業(yè)的降本增效再次提上了日程[1]。老井挖潛是實(shí)現(xiàn)降本的主要途徑之一，具不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年約10%的老井需要通過特殊工藝手段，在原井筒的基礎(chǔ)上進(jìn)行鍛銑開窗側(cè)鉆，以節(jié)約地面和上部井段費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)老井挖潛[2]。除此之外，在低油價(jià)形式下，許多低產(chǎn)油氣井也需要進(jìn)行棄井作業(yè)，在棄井作業(yè)中最主要的工作就是套管鍛銑[3]。預(yù)估到2025年，老井棄井作業(yè)年成本將高達(dá)數(shù)十億美金。套管鍛銑分為兩個(gè)過程：鍛銑工具刀片通過套管內(nèi)壁吃入套管，通過鉆具的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)套管切割；鍛銑工具刀片完全坐在套管上，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鍛銑[4]。傳統(tǒng)工具切割套管和鍛銑速度均較慢，完全切割斷套管通常需要1h以上，套管鍛銑速度通常為0.1～0.3m/h，段銑30m套管需要10d以上，甚至1個(gè)月，時(shí)間長，作業(yè)費(fèi)用高，嚴(yán)重影響老井側(cè)鉆和棄井效率[5]。同時(shí)套管尺寸越小，套管鋼級越高，套管切割和鍛銑難度更大。

177.8mm以下尺寸套管的鍛銑工具主要掌握在國際大公司手上，如：威德福和斯倫貝謝等。現(xiàn)階段，國內(nèi)在鍛銑工具本體材質(zhì)、切削齒材質(zhì)及加工工藝上還不成熟[6]。由于缺少理論和室內(nèi)評價(jià)，套管切割和鍛銑參數(shù)完全靠經(jīng)驗(yàn)。為填補(bǔ)國內(nèi)在小尺寸套管鍛銑工具方面的缺陷，研發(fā)了高性能177.8mm套管鍛銑工具，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

2 177.8mm套管高性能鍛銑工具

傳統(tǒng)套管鍛銑工具刀片張開后，與套管內(nèi)壁接觸通常為面接觸（圖1左），這是導(dǎo)致套管切割效率低的主要原因。為提高套管切割的效率，將鍛銑工具刀片尖端進(jìn)行銳化處理（圖1中和右），使在套管切割刀片尖端與套管內(nèi)壁為點(diǎn)接觸，更有利于刀片吃入套管，提高套管切割效率。

圖1 鍛銑工具刀片實(shí)物圖

為提高套管鍛銑速度和鍛銑進(jìn)尺，每個(gè)刀片采用非均勻布齒，同時(shí)引入內(nèi)凹圓柱形切削齒（圖1中和右），防止形成細(xì)長鐵絲，更有利于斷屑和攜屑，從而實(shí)現(xiàn)提高套管鍛銑速度和進(jìn)尺。

圖2給出了新研發(fā)的高性能177.8mm套管鍛銑工具結(jié)構(gòu)示意圖，該工具主要由上接頭、本體和下接頭組成。工具本體外徑140mm，刀片張開后最大外徑210mm，工具總長度1.4m。為保證本體具有足夠的抗扭強(qiáng)度，工具采用三長刀片和三短刀片，刀片之間互成60°夾角。刀板采用高強(qiáng)度的42CrMo，切削齒采用碳化鎢，保證刀板和切削齒都具有足夠的強(qiáng)度，避免在套管切割和鍛銑時(shí)刀板變形和切削齒快速磨損，提高套管切割速度、鍛銑進(jìn)尺和鍛銑速度。

圖2 177.8mm套管段銑工具結(jié)構(gòu)示意圖

3 威陽89井177.8mm套管鍛銑應(yīng)用

3.1 威陽89井基本情況

威陽89井位于自貢市榮縣雙古鎮(zhèn)水井灣，1988年6月24日開鉆，1988年7月26日完鉆，完鉆層位茅二c，井深1684m，1988年7月28日先期裸眼完井。本井無人值守井，井口裝置為KQ65-35，僅有1、2、3號閥，銹蝕嚴(yán)重，表層套管長期連續(xù)漏氣，方井內(nèi)積液且見連續(xù)氣泡，本井天然氣中不含硫化氫。為了對威陽89井實(shí)施棄井，需對177.8mm套管進(jìn)行鍛銑作業(yè)，以便于順利打水泥塞進(jìn)行封井。

3.2 177.8mm套管鍛銑施工情況

威陽89井套管鍛銑一共進(jìn)行了三趟鉆，其中一趟為套管切割+鍛銑，另外兩趟為純鍛銑。

（1）第一趟鉆（切割+鍛銑）。鉆具組合：?140mm鍛銑工具+?120mm鉆鋌10根+?88.9mm鉆桿+方保接頭+下旋塞，鉆井參數(shù)：鉆壓1～2t、排量800～1600L/min、轉(zhuǎn)速100r/min、泵壓5～8MPa，坂土漿基鉆井液，密度1.03g/cm3。5月 15日 12：30開泵定點(diǎn)切割，泵壓12MPa，排量 600L/min，轉(zhuǎn)速 60r/min，12：40 泵壓從12MPa下降到5MPa，判斷套管被割斷。旋轉(zhuǎn)工具15min以上，修整切割斷面。為驗(yàn)證套管被切割斷，停轉(zhuǎn)盤慢慢下放，遇阻10～20kN，同時(shí)觀察到振動(dòng)篩返出的鐵屑形狀，確定套管已割斷。

（2）第二趟和第三趟鉆（鍛銑）。鉆具組合：?140mm鍛銑工具+?120mm鉆鋌10根+?88.9mm鉆桿+方保接頭+下旋塞，鉆井參數(shù)：復(fù)合鉆進(jìn)：鉆壓1～3t、排量1100～1600L/min、轉(zhuǎn)速 60～70r/min、泵壓 3～7MPa，鉆井液密度1.03g/cm3。

圖3和圖4分別給出了第一趟鉆—第三趟鉆的入井鍛銑工具和鐵削返出情況，由圖可知：鐵削返出正常，最長鐵削一般在4～5cm之間。圖5給出了第一—第三趟鉆出井后的鍛銑工具刀片磨損情況，由圖可知：第一趟和第二趟中，刀片基本上全部磨損，第三趟鉆刀片輕微磨損，三趟鉆中刀片均無明顯變形。

圖3 第一趟—第三趟鉆入井前鍛銑工具實(shí)物圖

表1給出了威陽89井177.8mm套管切割和鍛銑結(jié)果，由表可知：套管切割時(shí)間10min，與常規(guī)工具相比，套管切割效率提高400%以上[7]。平均單趟鍛銑進(jìn)尺10m，單趟鍛銑最大進(jìn)尺13.3m，平均套管鍛銑速度0.6m/h，單趟最大鍛銑速度0.7m/h。

4 結(jié)論

（1）通過刀片尖端切削齒銳化，使刀片與套管為點(diǎn)接觸，提高套管切割效率，套管切割時(shí)間控制在10min左右，與常規(guī)工具相比，套管切割效率提高400%以上。

（2）采用非均勻布齒+內(nèi)凹齒，防止形成細(xì)長鐵絲，有利于鐵削返排。

（3）威陽89井平均單趟套管鍛銑進(jìn)尺10m，最大進(jìn)尺13.3m，平均鍛銑速度0.6m/h，最大速度0.7m/h，表明該工具能夠?qū)崿F(xiàn)177.8mm套管的快速切割和高效鍛銑。

圖4 第一趟—第三趟鉆返出鉆鐵削情況

圖5 第一趟—第三趟鍛銑工具出井后刀片磨損情況

表1 威陽89井177.8mm套管切割和鍛銑結(jié)果