海上油田棄井作業中水力內割刀結構優化與應用

張新平，李勇，方濤，陳劍鋒，馮世佳

(中海油田服務股份有限公司一體化和新能源事業部，天津 300459)

0 引言

隨著海上油氣田開發年限的逐步增長，越來越多早期投入生產的油氣井已經進入低產期，不具備繼續開采的經濟價值，此類油氣井棄置作業被逐步提上日程。其中套管的切割回收是棄置作業中必不可少的一項步驟，目前在海上棄井作業中普遍使用套管水力內割刀進行13-3/8"、20"、30"套管的切割回收，但常用的套管水力內割刀作業時存在著扭矩大、震動強烈、刀片損耗大等問題，且在切割過程中無法直接判斷井下套管切割完成情況，易在切割過程中產生橢圓形切割，導致套管出現一側被割斷而另一側未被割斷的現象。這些問題的出現會嚴重影響到套管切割作業的安全與效率。因此，本文通過對水力內割刀切割機理進行研究，依據當前內割刀的現場棄井資料與存在問題，提出各尺寸割刀改進方法，建立新型水力內割刀參數數據模型與公式，確保水力內割刀即使在套管偏心的狀態下也能夠高效率完成套管切割作業。

1 常用水力內割刀結構

目前海上石油棄置作業常用的水力式內割刀主要由上接頭、噴嘴、活塞、中筒體、彈簧、切割刀、下接頭、O型圈等零件組成[1]。

其工作原理為：將水力式內割刀下放至所需的任意切割位置(避開套管接箍)，接頂驅，通過鉆柱轉動帶動割刀旋轉，記錄空轉扭矩。降低轉速開泵循環并逐漸加大排量，由于噴嘴的切流作用，使活塞的上半部形成相對的高壓腔，在活塞兩側壓力差的作用下活塞被推動下行，活塞下端又同時推出割刀刀片，使得刀尖頂向套管內壁，保持合適的泵壓和排量，使割刀刀片與套管內壁研磨，隨著彼此相對轉動進行切割作業。當完成切割后，停泵停轉，活塞上下兩側的壓差消除，給予活塞向下的推力消失，被壓縮的彈簧復位推動活塞復位上行，同時活塞下端的復位割刀刀片也因自身重力收回至刀槽內。作業結束，上提鉆具，起出水力式內割刀。

2 目前關鍵技術問題

目前國內海上常用套管水力式內割刀工具存在以下問題：(1)進入套管預定切割位置進行切割作業后不能一次性割斷套管；(2)切割完成后，割刀刀片不能順利復位收回至刀槽內，產生卡鉆；(3)割刀刀片斷裂卡住工具及鉆柱，無法通過地面參數監測，判斷割刀井下切割情況；(4)井下切割雙層及多層套管只完成了內層套管的切割，外層套管切割困難，甚至需要起鉆更換刀片[2]。

以上問題會造成作業工期延長、增加作業成本，在本就屬于純投入的棄置作業中產生不利因素，因此亟需對目前海上常規套管水力式內割刀工具進行改進，提高套管切割效率，本文重點對水力式內割刀結構以及對應刀片長度進行了分析與改進。

3 套管偏心對刀片長度的改進

對本體最大外徑5-3/4′′的水力內割刀切割7”偏心的套管管柱進行作業分析，割刀與套管位置模擬圖如圖1和圖2所示。

圖1 割刀打開處于套管居中狀態位置圖

圖2 割刀打開處于套管最大偏心位置圖

模擬不同刀體長度與不同刀體對應套管切割尺寸，推薦切割參數如表1所示。

表1 各尺寸割刀所配刀片長度與對應切割套管配套表

4 水力內割刀結構改進

改進后水力式內割刀主要由上接頭、配流板、活塞、筒體、轉銷、噴嘴、刀頭、彈簧、下接頭、密封件等組成。其作業原理與普通割刀相同，通過活塞兩側的壓力差作用，推動活塞下行，利用活塞下端推動割刀刀片張開，刀尖與套管內壁接觸，利用鉆柱旋轉帶動割刀進行切割作業。相較于目前海上石油作業常用割刀，其工具內部新增了泄壓結構，能準確判斷井下工具作業情況。在所有套管切割完成后，地面可以通過泵壓監測設備觀察到鉆具內部泵壓驟降現象。

割刀活塞推力計算：

新式水力內割刀是利用泥漿流過其噴嘴的壓降作用在其活塞上產生推力。設活塞面積為S，壓力降為ΔP，割刀產生的推力為F[3]。

因此，割刀內部活塞受到推力的大小只與活塞的面積和兩側的壓力降有關，當活塞面積一定時，可以通過調整鉆井參數中泵壓的大小改變活塞兩側壓力降ΔP，從而得到套管切割最佳的活塞推力。

選取本體最大外徑11-3/4′′水力式內割刀切割20′′套管切割參數進行套管切割作業數值模擬計算：

活塞推力F：7～12 t

排量Q：12～14 L/s

噴嘴d：φ1.6 cm

泥漿密度ρ：1.08 g/cm3

其活塞面積[4]：S=

活塞外徑：D=25 cm

活塞內徑：d=1.6 cm

活塞面積：S=488.86 cm2

壓力降：ΔP=0.082

其中：C為流量系數，取0.98；de為噴嘴當量直徑[5]。

F=ΔP·S=2.37 MPa×488.86 cm2=115.8 kN，在合理范圍之內，活塞推力合格。

進行雙層套管切割實驗時，根據模擬實驗數據中扭矩分析，當切割時間在2.0～2.5 h之間，雙層套管已經切開。

模擬實驗數據圖如圖3所示。

圖3 雙層套管切割實驗數值模擬圖

5 實例應用

X井9-5/8′′套管與13-3/8′′套管之間環空均為滿眼水泥，13-3/8′′套管與36′′隔水導管之間200 m以上無水泥，且9-5/8′′套管偏心問題較為嚴重。現需要將9-5/8′′和13-3/8′′雙層套管切割打撈處理至155 m，使其滿足后續裸眼側鉆要求。

X井套管下入基本信息如表2所示。

表2 下入套管信息表

雙層套管切割管柱組合：引鞋+8-1/4′′水力式內割刀(刀片長度3.5′′)+變扣+5.5′′鉆桿+5.5′′鉆桿。

現場8-1/4′′水力內割刀雙層套管切割作業參數記錄如表3所示。

表3 現場切割參數記錄表

其作業過程為：組合套管切割鉆具接頂驅，進行新型水力內割刀地面測試。緩慢開泵，記錄刀片張開排量與張開角度，計算割刀切割范圍。記錄完畢后，關泵，刀片復位收回刀槽內，下鉆。割刀下鉆到位，以30 r/min開轉，測工具空轉扭矩。降轉速至20 r/min后，以10 沖/min開泵，緩慢提高泵沖數與轉速，保持9-5/8′′套管推薦切割參數，在純切割時間達到45 min后觀察到扭矩下降后又迅速恢復，判斷9-5/8′′套管已切割完成。降低轉速至30 r/min后，緩慢提高泵沖數與轉速至13-3/8"套管推薦切割參數，在純切割時長達到2.1 h后，通過地面監測設備觀察到泵壓驟降、扭矩變小現象，判斷井下雙層套管已切割完成，停泵停轉，起甩工具與套管。

6 結語

(1)改進后的棄井水力式內割刀能夠改善原有割刀切割扭矩大、震動強烈、刀片損耗大的缺陷，顯著增加刀片壽命；

(2)改進后的棄井水力式內割刀結構合理，能輔助判斷井下作業情況，切割效率高，能夠滿足多層套管切割要求，避免多層套管切割作業中只割斷一層套管的情況出現；

(3)改進方法簡單、易于實施，且成本較低，具有很好的經濟性。