一種液力膨脹式水泥環破碎器的研制及應用

陳國宏，吳占民，賀占國，王贊，陳立強

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司（天津 300450）

海上油田經過長期開發，原設計叢式井槽使用完后，為充分挖潛死油區、提高采收率，需對高含水、低產量的低效井進行處理，此后再次側鉆新井眼使其恢復產能。老井在側鉆前需對淺部套管進行處理回收，傳統手段一般有套銑、段銑、磨銑和水力切割等方法，在現場實際作業中多采用一種或幾種方法組合進行。通常根據老井套管固井質量評價結果，并結合油藏和套管套損情況，優選工序簡單、低風險、低費用作業方案。當前海上油田使用最多為套、磨銑一體化工藝，主要為分段切割+套銑+磨銑組合，工具常規、操作簡單，但經過多年使用也發現一些不足，尤其在復雜井況和提效方面問題突出，因此急需一種新的工具改變現狀[1]。

1 常規套銑技術現狀

套銑技術是目前比較常見的套管處理方式之一，其工作原理是通過套管與井壁之間的力學摩擦，以及切削刃的旋轉破碎巖屑和水泥環，主要工具有銑鞋、套銑筒、頂部接頭等。

套管套銑技術的優點在于其適用于各種井型和井深，可以處理不同尺寸的井筒，可在較短的時間內完成工作，可減少后續井口清除作業的時間，且有較好的經濟效益。然而，該技術也存在一定的弊端，在作業中常出現鐵屑返出困難、鉆具蹩扭矩、套劈套管、隔水導管鞋漏失、套管切割后拔不斷等問題，并且在下入套銑筒時建議一般不超過10 根，套銑筒越長摩阻越大，對鉆機和循環系統要求也越高[2]。由于套銑筒、套管和地層環空間隙較小，破碎后水泥塊和鐵屑返出困難，常發生蹩扭矩情況；當套管居中度較低時，還存在套劈套管甚至損傷鄰井套管風險，給后期回收套管造成困難，產生更多的處理費用。當套銑作業無法進行時，常采用平底磨鞋處理剩余套管，磨鞋不僅效率低且外徑大，如環空剝落水泥掉塊或積聚大量鐵屑時極易發生卡鉆。鑒于以上問題，現場作業僅能通過優化作業參數和增加工具強度等手段提高作業時效，但無法從根本上解決問題。

2 水泥環破壞器設計與測試

2.1 工具結構設計

為了解決套管套銑技術存在的問題，研發出了一種新型的套管水泥環破壞器—液力膨脹式水泥環破碎器，其主要由主軸、上下限位軸承、活塞、內襯套、內軸承、扶正塊、外套筒、下接頭等組成[3]，如圖1所示。

圖1 水泥環破壞器結構圖

1）主軸短節下部內腔被設計為兩部分，內腔上側用來排列活塞的液缸孔、下側用來安裝扶正塊，短節兩端為上下限位軸承，主軸從上至下為空心水眼，下部水眼與活塞液缸孔連通；在主軸徑向由內至外的方向上，活塞頂部安裝在內襯圈上。

2）內襯套裝在徑向內軸承上，當活塞產生側向力推動內襯套時，內襯套又把力傳遞給內軸承，此后又傳給了外套筒，這樣可以大大降低套筒之間的剛性和摩擦力，在活塞側向力的推動下整個偏心組件一起產生偏心運動。

3）上下限位軸承由內圈、外殼及滾子軸承組成，內圈套在主軸上其上鑲有滾軸，外殼則通過螺紋連接在主軸上，滾軸則在內圈和外殼之間滾動，從而實現限位軸承的旋轉。

液力膨脹式水泥環破碎器在使用時，接在鉆具下端，當通過泥漿泵建立正循環時，可更換噴嘴達到改變水眼截流面產生不同壓降，從而達到控制活塞的側向推力的目的，使活塞與套管水泥環緊密貼合并施加側向壓力，最終實現破壞水泥環的目的。

2.2 工作原理

圖2(a)為工具下入井筒內原始狀態，地面開泵鉆井液流經水眼形成壓差激活內腔活塞后，形成推靠力工具產生偏心，此時如圖2(b)所示，活塞伸出工具擠壓套管，破壞環空水泥環，同時在鉆具的旋轉作用下，工具在套管內壁進行周向運動；內襯套與外套筒間內軸承安裝有徑向軸承，軸承以滾動形式運動，不僅可以降低摩擦力還可有效對套管外水泥環“碾壓”。偏心工具在進行徑向運動的同時，在鉆具的上提下放中可以增加與套管內壁的接觸，從而大幅度破壞水泥環。

圖2 水泥環破壞器工作示意圖

當工具受到側向力偏心后，隨鉆具呈一螺旋狀運動，受力狀態分析如下：工具在偏心作用下給套管內壁一個側向力，同時套管則給工具一個反作用力，并依次由外套筒傳遞給內軸承、內襯套、活塞，而活塞只在橫向受一個徑向力；工具因鉆具上提受到來自套管的軸向摩擦力，摩擦力先作用于內軸承的外套筒，接著又傳給內軸承兩頭的上下限位軸承，限位軸承則在凸出塊的約束下將軸向摩擦力傳到主軸上；內襯套部件被作為一個緩沖件，用來承載工具旋轉時巨大的徑向扭矩，從而減緩活塞徑向高扭和軸向的抗拉力，以延長工具壽命，減少工具維修時間。

2.3 工具優點

棄井作業中，套管常規處理就是分段切割打撈、套/磨銑等手段，根據工況、時效和環保的要求進行單一或者組合施工。相比而言，分段切割最為簡單、高效，其余兩種次之，但由現場作業經驗可知即使套管水泥環為混漿時也難以一刀割斷順利提出套管，尤其當水泥環第二膠結面與地層吸附時，需多次分段切割、回收套管[4]。套銑作業時，也時有套劈套管或硬物卡鉆事故發生。磨銑不僅時效低有時還因鐵削難以返出而造成井口卡鉆。為了提高時效和降低事故率，工程師們也在割刀、套銑筒和磨銑的合金齒、工具結構上進行部分改進，但效果甚微，磨銑速度仍然在0.7～1.0 m/h。

與之相比，水泥環破壞器優勢明顯，環空水泥環被“碾壓”后不僅增加了自由套管長度，更利于套管的切割、回收；同時減少了切割工具起下鉆次數，大幅度縮短了處理和套管回收時間；也縮短了套管套銑、磨銑作業時間，降低了鐵屑阻卡鉆具風險；尤其在使用低配置鉆修機進行棄井作業時，降低了對作業機具鉤載的要求和作業操作費用；該工具為純機械原理，現場維護、保養和更換配件簡單，易于操作且成本低。

2.4 水力計算

由水泥環破壞器工作原理可知，水泥環非同心凸輪產生的“碾壓力”大小完全來源于內置噴嘴產生的壓差。水泥環破壞器壓降主要通過調整主軸下端噴嘴大小實現，當泥漿泵排量、噴嘴尺寸和鉆井液密度一定時，可由伯努利方程推導得到噴嘴壓降計算式[5]。

式中：ΔPb為噴嘴壓降，MPa；ρd為鉆井液密度，g/cm3；Q為通過噴嘴的鉆井液流量，L/s；C為噴嘴流量系數，無因次，與噴嘴的阻力系數有關，C的值總是小于1；A為噴嘴出口截面積，cm2。

通過上式可見，當鉆井液密度為常量時，增加排量或減小噴嘴尺寸可有效提高壓降，從而提高工具側向力和對水泥環的破壞效果。在進行淺層套管水泥環破壞前，更換泥漿泵缸套來增大排量是最簡單、有效的手段。根據作業實際情況優化合理水力參數和噴嘴尺寸非常重要，排量太大或者噴嘴太小都會破壞內置彈簧的強度和回彈力，較大的側向力引起的反作用力對井口和頂驅的震動也不可忽視，因此有必要建立排量優選工作。

2.5 軟件模擬分析

一般水泥石破壞形式為受壓和受拉破壞，當前國內研究大多以Mohor-coulomb 破壞準則為依據判斷水泥石是否發生破壞[6]。常用水泥漿性能要求為強度高、彈性模量低、泊松比小的體系，主要目的是降低套管和水泥環所承受的外部載荷[7]，根據圣維南原理，距離井筒半徑5～6倍之外的地應力對井壁影響力很小。理論分析認為良好的水泥環能增強套管抗擠壓強度[8]。實驗室分析時，建立單層套管水泥環和圍巖的組合體井筒模型，利用彈性力學理論進行套管水泥環力學分析；目前，關于水泥環完整性研究，加入了溫度應力、初始應力及微環隙發展等影響因素，并已在一定程度上能夠考慮現場實際工況，為固井工藝及水泥漿體系設計提供指導和依據。可采用有限元分析軟件對244.5 mm 和339.7 mm套管環空水泥環進行模擬（圖3），由模型可看出側向力由水泥環傳至外層套管時有較大衰減，當244.5 mm套管固井質量越好時這種現象越明顯；當套管外水泥環膠結差或混漿嚴重時，側向力則無法有效傳遞，外層套管受力微弱，從而確保了井筒的安全性。

圖3 井筒側向力受力分析示意圖

2.6 測試結果

為確保工具入井可靠性和有效性，按照工具研發程序需在實驗室進行性能測試。實驗室選取2個長度2 m，47磅級/英尺鋼級Q125的244.5 mm套管，分別插入2 段同樣長度339.7 mm 套管內，在其環空注入G 級水泥，常溫環境下放置約3 個月后進行上拔力測試。結果如下：對樣品1直接進行拔出測試，最大需要97 t 力將244.5 mm 套管從339.7 mm 套管中拔出；對樣品2 使用水泥環破碎器先對其樣本水泥環進行破碎作業，運轉3 min 后，僅需27 t 拉力即可將244.5 mm套管從339.7 mm套管拔出，上拔力降低約72%，從圖4可明顯觀察到破碎水泥環（此地面測試結果存在局限性，由于兩端未受限，不能完全代表井下情況）。

圖4 水泥環破壞測試圖

通過實驗測試可見，側向力通過水泥環傳遞至外層339.7 mm 套管時，受力面積擴大了5 倍，則339.7 mm 套管受力壓強減少了80%，不會引起外層套管的塑性形變。

與井下實際情況相比實驗室測試還存在一定的局限性，一方面在測試期間未對外套管兩端進行固定，另外也未在外層套管四周加載圍壓。后一階段實驗可以考慮將套管埋入人工土堆中，從四周加持圍壓，套管與地層環空灌入水泥混漿，下入鉆具對套管壁旋轉震蕩使水泥環產生微裂縫后再使用水泥環破壞器“碾壓”套管，進一步檢測水泥環破壞規律和套管形變情況。在實際工程作業中，通常對于硬地層使用彈性模量小的水泥、軟地層使用彈性模量大的水泥[9]，且不同沉積地層和開/閉路循環方式也會導致井眼擴大不同，因此為提高適用性還需模擬不同水泥漿體系、水泥環厚度進行多輪實驗。

3 現場應用

3.1 應用井基本情況

渤海某油田A23S5 井因出砂和高含水而關停，現需處理回收244.5 mm套管后進行側鉆新井位，使其復產。該井基本情況為：槽口為單筒單井，300 m以上井段井斜小于10°，井身結構為508 mm 隔水管鞋深約125 m，表層339.7 mm 套管下深為250 m，244.5 mm套管下深為2 000 m；244.5 mm套管磅級為47ppf，內徑為220.49 mm，材質為13Cr L80，扣型FOX；在老井起出生產管柱、棄井后對上部600 m井段244.5 mm套管進行了固井質量檢測，以便有針對性處理套管，最大程度提高作業時效。套損和固井質量檢測評價結果如下：套損檢測平均壁厚11.93 mm，與標準壁厚11.98 mm基本一致，測量段內套管基本不存在損傷；固井質量解釋結論，36.0～67.8 m井段套為自由套管，套后為氣體，67.8～450.4 m 井段套后絕大部分為液體填充，僅零星分布少量固體，固井質量評價為差，450.4～600.0 m 井段套后固體與液體呈“段塞”式分布，整體套后固體占比較上井段明顯上升，綜合固井質量評價以好、中等為主。

3.2 244.5 mm套管處理程序

1）下入割刀鉆具組合至200 m左右對套管進行切割（避開接箍）。

2）下入打撈鉆具組合（帶密封矛頭），進入套管內嘗試建立套管外循環，并嘗試進行套管回收。

3）如果無法順利回收套管，可使用液力膨脹式水泥環破碎器對此段套管進行水泥環破碎操作，然后回收此段套管。操作順序為：下入刮管器對244.5 mm套管內部進行清潔，下入液力膨脹式水泥環破碎器至水泥環膠結處，從下至上進行水泥環破碎操作；然后下入水力割刀組合對套管進行分段切割（避開接箍），接著下入打撈鉆具組合（帶密封矛頭），進入套管內嘗試建立套管外循環，并嘗試進行套管回收；下入刮管器鉆具組合進行清潔；繼續下入打撈鉆具組合進行套管回收。

4）水泥環破壞器作業程序：組合、下鉆、利用提升短節將工具調至鉆臺，檢查工具狀態。①組合鉆鋌，加重鉆桿，根據扣型上扭矩到位。②下鉆，如果下鉆時需要進入切割套管魚頭，要緩慢通過；下鉆至水泥破碎井段的底部；灌漿、打通循環；開始旋轉（轉速20～30 r/min），緩慢開泵（25～28 MPa），水泥破碎扭矩控制范圍為2～3 kN·m；緩慢上提，上提速度小于0.6 m/min，上提至需要水泥破碎井段頂部;當全部需要水泥破碎的井段全部操作完成，繼續停泵旋轉一段時間讓膨脹滾輪收縮，停止旋轉。③起鉆，檢查鉆具，進入切割套管、打撈套管環節。如再次使用水泥環破壞器，重復以上步驟。

3.3 應用效果

通過與5 口常規套管處理結果對比可見，如套管外水泥環膠結質量差則可一刀割斷，順利回收，操作簡單、省事省力。如水泥環膠結良好，傳統方法采用水力切割+套磨銑組合才能處理完套管，不僅工期長費用高，且在套銑老套管時還易因掉塊卡鉆或套劈套管，給處理套管帶來不確定風險。由表1 可知其中3 口井切割套管后最大上提達到170～200 t 仍無法提斷套管，后只能通過磨銑完成施工。在最后一口井A23S5 井作業中采用水泥環破壞器，效果明顯，5 h即完成了244.5 mm套管的處理，且拔斷套管最大上提力僅為55 t，安全可靠，大大降低了對機具的要求[10]。因此，水泥環破壞器的使用不僅為今后處理套管增加了一種手段，更是為老油田棄置、側鉆調整拓寬了思路、降低了工程費用。

表1 A23S5井與5口井處理244.5 mm套管時效對比

4 結論

1）新型水泥環破壞器的研制，設計科學、操作簡單，有效提高了套管處理時效；通過軟件有限元分析可見，該工具在進行水泥環破壞的同時并未對外層套管造成破壞，這一點在實驗室模擬中也得到了印證。

2）該工具在渤海某油田A23S5井的成功應用效果明顯，大大節省了套管處理時間，節約了鉆井平臺棄井費用，與常規工藝相比減少了拆裝井口次數、解決了處理井口堆積鐵屑難題，降低了井控和卡鉆風險。