雙層套管段銑工具研制*

趙傳偉 劉晗 吳仲華 霍衛東 王可可 陳銳 王衛

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

趙傳偉,劉晗,吳仲華,等.雙層套管段銑工具研制.石油機械,2022,50(11):43-49.

0 引言

隨著海上油氣田開采時間的延長,越來越多的油氣井陸續進入非生產狀態,需要對這些非生產井實施棄井作業,以消除其對環境的潛在威脅。國內海洋油氣勘探開發起步較晚,但南海、東海及渤海灣均不同程度地進入了永久棄井階段[1-3]。海洋永久棄井要求封隔生產層,防止流體從井內泄漏、流出[4-6]。這就需要在一定的位置段銑掉一定長度的套管,然后打水泥塞,封堵生產層,防止油氣泄漏。有些情況下,設計打水泥塞位置對應2層套管[7-9],這就需要將對應的2層套管全部段銑掉,再打水泥塞。采用常規套管段銑工具需要由內而外逐層段銑2層套管,至少需要2趟鉆。實際上,施工中常常需要在不同的深度打多個水泥塞,對于每一個深度,傳統作業都至少需要2趟鉆,效率低、成本高。在國外,威德福公司研發出了一種雙層套管段銑工具,可實現1趟鉆段銑2層套管,國內尚未見相關研究的報道。

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院經過3年的技術攻關,研制了一種雙層套管段銑工具。筆者主要介紹該工具的結構及工作原理,開窗刀具、磨銑刀具及套管割斷顯示機構等關鍵機構的設計,并通過室內切割試驗驗證工具功能的可靠性,旨在研發高效的海洋套管切割工具,以提高海洋棄井作業效率?，F場試驗結果表明,該工具可實現1趟鉆同時段銑?339.7 mm×?244.5 mm 2層套管,刀具磨銑效率高、壽命長,與常規段銑工具相比,可節約作業時間的49%。

1 工具結構與工作原理

1.1 工具結構

雙層套管段銑工具結構如圖1所示。雙層套管段銑工具由左至右(由上到下)依次由磨銑短節、開窗短節及扶正短節等3部分構成。開窗短節和磨銑短節的工具本體外徑210 mm,刀具完全伸出時外徑380 mm,總長度6.3 m,適用于段銑?339.7 mm×?244.5 mm的2層套管。

圖1 雙層套管段銑工具結構示意圖Fig.1 Schematic structure of dual-casing section milling tool

1.2 工作原理

開窗短節結構如圖2所示。井口鉆井液經過鉆桿到達雙層套管段銑工具的中心流道內,之后分為4路,流向如下:大部分鉆井液由開窗短節的心軸底部噴嘴排到井筒里;一部分鉆井液經過節流嘴A后,再通過節流嘴B進入上擋塊的圓形截面流道a;一部分鉆井液經過節流嘴A后,再通過節流嘴C進入殼體的刀具槽中,沖刷刀具槽內的鐵屑;最后一部分鉆井液由心軸的徑向通孔b進入液缸中,使得活塞右端壓力大于左端壓力。

圖2 開窗短節結構示意圖Fig.2 Schematic structure of window milling device

當鉆井液的排量達到設定值時,活塞在液壓力的作用下沿心軸向左運動,推板推動開窗刀具沿上擋塊的T型槽向外伸出,開始切割套管。當刀具的左端面與節流嘴C的右端面接觸時,刀具將完全伸出,此時2層套管全部被割斷,彈簧處于壓縮狀態。

套管割斷后,可加10～30 kN的鉆壓進行磨銑作業,磨銑一定的深度后,停泵;下放鉆具使磨銑短節的刀具位于已開窗口位置;井口投放鋼球,當鋼球到達磨銑短節時,坐入可變徑球座;當達到設定壓力時,可變徑球座與心軸間的銷釘剪斷,鋼球落到球籃中;此時,一部分鉆井液由心軸的徑向通孔c進入液缸中,使得活塞右端壓力大于左端壓力;當排量達到設定值時,活塞在液壓力的作用下沿心軸向左運動,推板推動磨銑刀具沿上擋塊的T型槽向外伸出至極限位置;然后,施加10～30 kN鉆壓,同時磨銑2層套管及水泥環;當磨銑作業完成后,減小泵排量至停泵,在彈簧恢復力作用下活塞復位;起鉆過程中,當磨銑刀具和開窗刀具碰到上窗口時,被推回刀具槽內,進而工具可通過內層套管回收至地面。

磨銑短節結構示意圖如圖3所示。

圖3 磨銑短節結構示意圖Fig.3 Schematic structure of milling device

2 關鍵機構設計

2.1 刀具設計

刀具包括1副開窗刀具和1副磨銑刀具。開窗刀具用于割斷2層套管,同時磨銑掉一定長度的套管及水泥環,為磨銑刀具的張開提供空間。磨銑刀具用于磨銑掉大部分雙層套管及水泥環。實際中,?339.7 mm×?244.5 mm 2層套管在井下并非同心[10-12],如圖4所示。

圖4 2層套管相對位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of relative position of two layers of casing

為了確保開窗刀具能夠將2層套管全部割斷,開窗刀具完全伸出時,回轉半徑的設計要考慮2層套管的偏心問題。刀具相對于段銑工具本體偏心布置時,回轉半徑最大。因此,開窗刀具和磨銑刀具均采用偏心布置。綜合考慮2層套管的偏心情況和刀具的抗彎強度,確定刀具完全張開時的回轉半徑為380 mm。

現有的開窗刀具大都采用菱形、圓形或橢圓形齒形結構,刀具的尖端大都采用圓柱形或非銳化菱形齒齒形結構[13-15]。刀具與套管內壁接觸為面接觸或圓弧接觸,接觸面較大,套管內壁受力相對較小,切割時間長;并且在套管段銑過程中會形成細長鐵屑,鐵屑纏繞工具本體,造成卡鉆和泵壓異常等復雜情況,不利于快速段銑。

為提高雙層套管的切割和段銑效率,主要從切削元件的材質、形狀和排布以及刀具的角度等方面對段銑工具的刀具進行改進。圖5為開窗刀具結構示意圖。

圖5 開窗刀具結構示意圖Fig.5 Schematic structure of window milling cutter

(1)開窗刀具和磨銑刀具的切削元件選用塊狀帶牙硬質合金,密度為13 050 kg/m3,硬度為9.04 HRA,膨脹系數為6.0×10-6K-1,強度高、穩定性好,高溫條件下不易崩齒[16-17]。塊狀帶牙硬質合金鑲焊在刀具矩形槽內,且帶牙的一面朝向外側。

(2)常規段銑工具在切割套管時,刀具的尖端與套管內壁為面接觸或圓弧接觸[18],接觸的線性長度大于50 mm,導致切割效率低。為了提高切割效率,對開窗刀具的角度進行了優化,切削刃角為12°,刀背角為15°,磨銑角為10°(見圖5)。當刀具尖端剛與套管內壁接觸時為點接觸,接觸的線性長度小于2 mm;刀尖鋒利,切割時更容易刺入套管內壁,最終形成的楔形切割口長度小于45 mm,為非優化刀尖切割口長度的60%。

(3)考慮到磨銑刀具(見圖6)承擔了主要的磨銑工作,為保證刀具一次性磨銑長度大于30 m,增加了鑲焊切削元件部分的長度,同時切削刃角減小為4°。磨銑刀具對套管磨銑作業時,塊狀帶牙硬質合金與套管是線接觸,磨銑效率高。通過優化塊狀帶牙硬質合金之間的間距(1.6～1.9 mm),提高了斷屑效率,能夠有效防止段銑時形成連續的長鐵屑纏繞工具引起的卡鉆事故。

圖6 磨銑刀具結構示意圖Fig.6 Schematic structure of milling cutter

此外,2種刀具的刀柄處均設有硬質合金條。當刀具完全伸出時,硬質合金條與套管內壁接觸,用于扶正段銑工具,使段銑作業更平穩。

2.2 套管割斷顯示機構設計

當刀具完全伸出時(見圖7),鉆井液由中心流道進入殼體刀具槽的通道被封閉,而經過節流嘴A、節流嘴B和圓形截面流道a,再進入殼體刀具槽的通道打開。通過合理地設計節流嘴A、節流嘴B的大小可以實現下述功能:在相同排量條件下,刀具開始伸出和完全伸出時,對應井口立管壓力增加或減小一定數值,以此作為外層套管是否完全割斷的判斷依據。

圖7 刀具完全伸出時結構示意圖Fig.7 Schematic structure of the cutter fully extended

采用計算流體動力學軟件進行流場仿真分析,優化節流嘴A和節流嘴B的大小,共進行了10組模擬,結果如圖8所示。由圖8可知,在節流嘴B內徑為4 mm、節流嘴A內徑為8 mm的條件下,當刀具完全伸出時,立管壓力增大2.6 MPa,即排量為28 L/s條件下,當2層套管完全切斷后,地面立管壓力增加2.6 MPa。

圖8 刀具伸出前、后工具內部壓力云圖Fig.8 Cloud chart of the internal pressure of the toolbefore and after the cutter is extended

3 室內試驗

為了測試工具功能的可靠性及切割雙層套管的性能,對工具進行了套管切割試驗,試驗流程如圖9所示。試驗主要設備和儀器包括:鉆井泵、螺桿馬達、雙層套管段銑工具、雙層套管工裝(?339.7 mm套管長3 m、鋼級N80、壁厚12.19 m,?244.5 mm套管長3 m、鋼級N80、壁厚11.95 mm)、壓力傳感器、電磁流量傳感器、控制及顯示終端、試驗臺架以及液罐等。具體試驗流程如下:鉆井泵將水箱中的水泵入螺桿馬達內;螺桿馬達驅動段銑工具旋轉,提供切割套管的動力;壓力傳感器及電磁流量傳感器位于泵的出口端;壓力及流量數據通過數據采集系統傳輸到顯示終端,并由相應的終端軟件顯示。試驗介質為清水。

圖9 套管切割試驗流程圖Fig.9 Flow chart of casing cutting test

經測試,排量15 L/s時銷釘剪斷,開窗刀具伸出;投球后,排量為16 L/s時銷釘剪斷,磨銑刀具伸出。工具割斷2層套管用時43 min。排量為28 L/s條件下,2層套管完全割斷后,泵壓增加了2.7 MPa(見表1)。切割完成后,刀具碰到開窗套管的上窗口時可順利收回。

表1 套管割斷前、后壓力和扭矩變化Table 1 Change of pressure and torquebefore and after casing cutting

試驗結果表明,工具能夠完成預定的設計動作,可順利割斷2層套管,通過壓降的變化來判斷雙層套管是否割斷可行。

4 現場試驗

2021年7月17—22日,雙層套管段銑工具在PLX-3油田A05STX井進行了現場應用。A05STX井是一口生產井,井深1 341 m。該井?244.5 mm套管下入深度228 m、鋼級K55,壁厚12.20 mm;?339.7 mm套管下入深度624 m、鋼級13Cr-80,壁厚11.95 mm。段銑目的:處理?244.5 mm套管至179 m,處 理?339.7 mm套管 至178 m,在?508.0 mm隔水導管以下裸眼側鉆。段銑井段38～70 m,井斜0°。鉆具 組 合:?216.0 mm扶 正器(帶引鞋)+SDX-340×245+?178.0 mm鉆鋌×3根+?139.7 mm加重鉆桿。鉆井液密度為1.16 g/cm3。

工具入井至預定位置,啟動頂驅旋轉,轉速10～20 r/min,記錄空轉扭矩;開泵逐漸提高排量,注意扭矩變化,通過扭矩變化判斷刀具是否接觸套管內壁;當排量為14 L/s時,開窗刀具伸出,接觸套管內壁;逐漸提高轉速至60 r/min,提高泵排量至28 L/s,此時立管壓力11 MPa。經過54 min切割,立管壓力變為14 MPa,同時扭矩接近空轉扭矩,現場判斷2層套管已割斷。此時,加鉆壓10～30 kN開始磨銑套管,磨銑3.6 m后放空,同時扭矩較正常段銑扭矩大大減小,判斷開窗刀具切削元件已磨損殆盡;停泵,上提工具1.5 m,井口投球;開泵,逐漸提高排量至28 L/s;下放工具,加鉆壓10～30 kN開始磨銑,直至磨銑到70 m處停泵,順利起鉆。

雙層套管段銑工具入井工作98.40 h,其中段銑作業用時94.17 h,進尺31.9 m,平均段銑速度0.34 m/h。同平臺的A01HX井(套管規格及技術參數與A05STX井相同)采用常規套管段銑工具,分2趟鉆段銑井段38.0～71.0 m(先采用?244.5 mm套管段銑工具段銑?244.5 mm套管,然后起鉆更換?339.7 mm套管段銑工具段銑?339.7 mm套管),總用時193.00 h。由此可見,雙層套管段銑工具能夠節約作業時間49%。此外,經過優化的刀具磨銑效率高、壽命長,1趟鉆段銑進尺不小于30.0 m,同時具有較強的斷屑能力,有利于鐵屑返排。

5 結論與建議

(1)研制的雙層套管段銑工具適用于段銑?339.7 mm×?244.5 mm 2層套管,工具最大外徑210.0 mm,最大切割直徑380.0 mm,總長6.3 m;工具可實現1趟鉆段銑2層套管,作業效率高。

(2)工具室內試驗結果表明,刀具伸出與收回動作可靠,可順利割斷2層套管,通過壓降的變化來判斷雙層套管是否割斷可行。

(3)現場試驗結果表明,雙層套管段銑工具工作可靠,刀具磨銑效率高、壽命長,1趟鉆段銑進尺不小于30.0 m,與常規段銑工具相比,可節約作業時間49%。

(4)在推薦排量范圍內(25～30 L/s),該工具壓耗較大,隨著井深的增加環空壓耗會逐漸增大,立管壓力也逐漸增大,容易導致憋泵。建議下一步通過優化工具內部流道以降低工具壓耗,以此適用于深井段銑作業。