朱國寧，和鵬飛，關(guān)賀坤，葛文臣，王瑞

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452

水力切割雙層套管一次作業(yè)式技術(shù)在海洋棄井中的應(yīng)用

朱國寧，和鵬飛，關(guān)賀坤，葛文臣，王瑞

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452

隨著海洋石油事業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的老齡油氣井失去了繼續(xù)生產(chǎn)的價值，需要采取永久性棄井措施，防止油氣泄漏造成環(huán)境污染。遼東灣某平臺整體棄井項(xiàng)目中創(chuàng)新研究并使用了一次作業(yè)式雙層套管水力切割技術(shù)，大大縮短棄井工期，達(dá)到降本增效的目的。

棄井；水力切割；雙層套管；海上油田

從1967年“海一井”見產(chǎn)出油拉開渤海油田大開發(fā)的序幕，截至“十二五”期間，渤海油田穩(wěn)產(chǎn)3 000萬m3/a，實(shí)現(xiàn)歷史跨越[1]。但是一批老油田或老開采平臺的開發(fā)使用已經(jīng)接近設(shè)計使用年限或者涉及軍企用海關(guān)系，需要按照操作程序進(jìn)行廢棄處置，老開采平臺的處置最主要的是對老井眼的永久性棄置作業(yè)[2-4]。對開采平臺及相關(guān)油氣井的永久棄置作業(yè)在國內(nèi)屬于首次[5]。

套管切割回收是棄井作業(yè)中的最后一道工序，也是最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。由于海洋石油作業(yè)成本高昂，如何使用合適的棄井工具，控制合理的切割參數(shù)，快速高效地切割回收套管變得尤為重要。一般棄井作業(yè)中使用對應(yīng)套管尺寸的水力割刀工具，采用逐級逐段進(jìn)行切割，雖然技術(shù)安全且工具性能穩(wěn)定，但是耗時較長，經(jīng)濟(jì)性有待提高。

1　海上油氣井棄井技術(shù)現(xiàn)狀

1.1棄井標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)Q/HS 2025-2010《中國海洋石油總公司棄井標(biāo)準(zhǔn)》和SY/T6845-2011《海洋棄井作業(yè)規(guī)范》等規(guī)定，永久棄井必須對海底泥面以下4.0 m范圍內(nèi)所有套管進(jìn)行切割及回收作業(yè)。

1.2水力式內(nèi)割刀切割技術(shù)

1.2.1結(jié)構(gòu)原理

海上石油作業(yè)常用的套管切割工具為AND-S型水力式內(nèi)割刀，其結(jié)構(gòu)由頂部接頭、本體、活塞、活塞管、彈簧耐磨襯套、割刀片、噴嘴、鉸鏈銷等部件組成，如圖1所示。

圖1　水力式內(nèi)割刀示意

1.2.2工作原理

泥漿泵將高壓液體（鉆井液或海水）泵入水力式內(nèi)割刀體內(nèi)，高壓液體通過活塞內(nèi)的噴嘴產(chǎn)生壓力降，推動活塞壓縮彈簧使活塞桿下行，活塞桿下端推動三個割刀片向外張開與套管內(nèi)壁接觸，張開的三個割刀片隨同切割鉆具順時針旋轉(zhuǎn)，三個割刀片周向同時切割套管，直到將套管割斷[6-9]。

1.2.3操作模式

切割鉆具組合：AND-S型水力式內(nèi)割刀+扶正器+鉆桿。參數(shù)控制：轉(zhuǎn)盤（或頂驅(qū)）轉(zhuǎn)速30～70 r/min，排量（泵速）30～80沖/min。AND-S型水力式內(nèi)割刀下入套管內(nèi)之前，先在鉆臺上進(jìn)行水力試驗(yàn)，在2 MPa壓力下三個刀片能張成水平狀態(tài)，卸壓到零，三個刀片能自動收縮到刀體內(nèi)。試驗(yàn)合格后，用粗約2～3 mm的白棕繩將刀片用內(nèi)綁方式捆綁到割刀體內(nèi)，以防刀片在下鉆途中張開。水力式內(nèi)割刀下到切割深度后，應(yīng)先進(jìn)行空負(fù)荷試驗(yàn)，即先不開泵，只轉(zhuǎn)動鉆柱，作30、50、70 r/min三種不同轉(zhuǎn)速下的扭矩試驗(yàn)，并做好懸重、鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩記錄。正式切割套管時采取先轉(zhuǎn)動鉆柱后開泵、轉(zhuǎn)速先低后高、排量先小后大的原則，逐漸加大轉(zhuǎn)速與排量，均勻平穩(wěn)切割套管，保護(hù)刀片不被先期損壞。判斷套管被割斷后，先停轉(zhuǎn)，把泵壓加大到10 MPa后，進(jìn)行過提50 kN左右，如能過提50 kN，則證明套管已被割斷，然后停泵，起出水力式內(nèi)割刀。

1.3磨料水力射流內(nèi)切割技術(shù)

1.3.1技術(shù)原理

高壓水射流技術(shù)是近30年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，磨料水力射流是在純水射流中混入石英砂、金剛砂、石榴石、陶粒等高硬度的固體顆粒而形成的一類高壓射流。其切割原理是通過噴嘴加速后沖擊到被切割物表面，利用磨料顆粒對材料的沖蝕作用實(shí)現(xiàn)切割。同等壓力條件下磨料射流的切割能力大大超過純水射流。

1.3.2渤海油田應(yīng)用情況

2014年在渤海遼東海域L區(qū)塊整體開采平臺棄置中使用了磨料水力射流技術(shù)。對于井筒情況正常的井使用該技術(shù)可一次從泥面以下4.0 m左右整體切割內(nèi)層套管以及外層隔水導(dǎo)管。但是對于部分出現(xiàn)油套同壓情況的井（如S3井），該設(shè)備不足以完全滿足作業(yè)需要。

2　遼東L區(qū)塊S3井棄井難點(diǎn)

2.1S3井基本情況

（1）S3井井身結(jié)構(gòu)：φ762.0 mm隔水導(dǎo)管+ φ508.0 mm套管+φ339.7 mm套管+φ244.5 mm套管+φ177.8 mm尾管。

（2）防凍措施。S3井位于渤海遼東L區(qū)塊，冬季天氣寒冷，海冰是該區(qū)域鉆完井作業(yè)的主要?dú)庀鬄?zāi)害。該井于上世紀(jì)90年代初期完鉆投產(chǎn)，距今已近30年。1991-12-07報告顯示：“棄井，φ508.0 mm套管和φ339.7mm套管間注柴油12桶，油水交界面低于海面5.7m，φ339.7mm套管和φ244.5mm套管之間注柴油2.7桶，油水交界面高于海面2.3 m”；1991-12-08報告顯示：“棄井，φ762.0 mm隔水導(dǎo)管與φ508.0 mm套管之間注水泥1.9m3，密度1.8g/cm3”。

2.2棄井難點(diǎn)分析

（1）環(huán)保問題。該井于1991年棄置，鑒于當(dāng)時的作業(yè)技術(shù)，該井在套管環(huán)空內(nèi)注入了柴油混合物作為防凍液體。如果在棄井時直接下入磨料水力射流工具一次性切割，勢必導(dǎo)致防凍液體流落海中，對海洋環(huán)境造成影響。而在切割前進(jìn)行回收的可能性也極低，因?yàn)樯袩o有效工具進(jìn)入環(huán)空進(jìn)行循環(huán)驅(qū)替清洗。

（2）常規(guī)方案耗時長。若不能使用磨料水力射流切割，按照常規(guī)作業(yè)方案需由內(nèi)向外逐層套銑、水力內(nèi)切割導(dǎo)管。即先分段套銑、起出φ244.5 mm套管，然后套銑、起出φ339.7 mm套管至泥面以下4.0 m（總長約80.0 m）。按一次套銑8.0 m，每層需要10次套銑+切割，之后循環(huán)清洗井筒，再次整體切割，如此工期耗時極長。

（3）重復(fù)切割的故障率高。如果切割過程中出現(xiàn)割刀磨損嚴(yán)重，需要起鉆更換，更換后的割刀一般很難再準(zhǔn)確進(jìn)入上次切割的位置及狀態(tài)，造成時效浪費(fèi)。

（4）在常規(guī)單井棄井切割時，分層切割未顯示明顯的時效差，但是對于整個平臺數(shù)量較多井的棄置切割，累加時效影響較大。

鑒于上述問題，決定在不改變切割工具的情況下，借助割刀長度的優(yōu)選，嘗試多層一次式切割。

3　雙層套管一次式切割的可行性分析

3.1套管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

套管基本數(shù)據(jù)見表1。

表1　套管基本數(shù)據(jù)

3.2一次雙層切割可行性分析

同時切割φ244.5 mm和φ339.7 mm套管，割刀刀體尺寸選擇φ209.5 mm。對于刀片型號的選擇，首先要保證刀片完全張開時能滿足割開φ339.7 mm套管的要求。對于多層套管切割，由于套管都存在偏心的情況，同時水力割刀在割開偏心邊φ339.7 mm套管后，割刀也會偏向內(nèi)層φ244.5 mm套管，因此刀片的最小尺寸要滿足套管極限偏心狀態(tài)下（如圖2為某4井套管偏心情況）能切割開隔水套管。用φ209.5 mm水力割刀，同時切割φ244.5 mm套管和φ339.7 mm套管，極限偏心狀況如圖3。經(jīng)計算在極限偏心狀態(tài)下，切割半徑為212.0 mm。

圖2　某4井套管偏心情況

圖3　套管偏心狀態(tài)示意

3.3試驗(yàn)

在試驗(yàn)場地首先利用廢棄套管短節(jié)充填水泥方式，模擬套管相對偏心狀態(tài)。選用的φ240.0 mm刀片做功能試驗(yàn)，最大張開半徑大于212.0 mm，滿足極限偏心下全部割開管徑φ339.7 mm套管的要求。論證一次切割技術(shù)措施可行。

4　現(xiàn)場應(yīng)用

S3井共進(jìn)行3次雙層套管切割作業(yè)，刀體均采用φ209.5 mm水力割刀，刀片分別選取C9-8-12、C9-8-21、C9-8-24。

4.1第一次切割作業(yè)

刀片選擇：C9-8-24。

切割參數(shù)：轉(zhuǎn)速50～70 r/min，排量400 L/min，泵壓8.8 MPa，扭矩3～6 kN·m，切割8 h，未見割斷跡象。

起鉆檢查刀片，刀片刀尖已磨掉，更換新C9-8-24刀片后下鉆至原切割位置繼續(xù)切割，切割參數(shù)維持原值，切割5 h后，懸重突然增加了50 kN，扭矩波動較大，最后扭矩維持在1.0 kN·m，鉆具晃動明顯，確定割斷雙層套管。本次切割累計時間13.0 h。

刀片出井后，發(fā)現(xiàn)刀尖磨損，本體磨損較小，如圖4所示，更換相同刀片第二次入井切割后磨損較大，但割斷了套管。說明C9-8-24刀片較長，在切割過程中大部分時間處于擴(kuò)開切割空間的狀態(tài)，縱向受力大于橫向受力，即便是點(diǎn)放鉆具也無法使刀片充分伸展，導(dǎo)致切割效率較低。

圖4　C9-8-24刀片出井情況

4.2第二次切割作業(yè)

刀片選擇：C9-8-12/C9-8-21。

C9-8-12刀片切割參數(shù)：轉(zhuǎn)速30～60 r/min，排量400L/min，泵壓9.0MPa，扭矩6.0～10.0kN·m，切割2.0 h，懸重增加10 kN，起鉆更換刀片。

C9-8-21刀片切割參數(shù)：轉(zhuǎn)速30～60 r/min，排量400 L/min，泵壓9.0 MPa，扭矩5.0～8.5 kN·m，切割9.0 h，切割過程中最大扭矩11 kN·m，懸重突增40 kN，扭矩逐降至2.0～4.0 kN·m，確定割斷雙層套管。本次切割累計時間11.0 h。

第二次切割作業(yè)選擇首先使用C9-8-12短刀片切開切割空間，再使用C9-8-21長刀片切割，短刀片和長刀片磨損都較小，說明兩種割刀都沒有提供較多切割力，且刀口位置上下不一，短刀片的割口不一定被長刀片對準(zhǔn)，影響了切割效率。

4.3第三次切割作業(yè)及認(rèn)識

刀片選擇：C9-8-21。

切割參數(shù)：轉(zhuǎn)速40 r/min，排量400 L/min，泵壓8.5 MPa，扭矩3.0～8.0 kN·m，切割3.5 h，扭矩波動大，由10.0 kN·m降至1.0～4.0 kN·m，懸重緩慢增加40 kN，判斷已經(jīng)割斷，見圖5。本次切割累計時間為3.5 h。

圖5　切割后的套管情況

5　效果對比

對于常規(guī)一次單層切割技術(shù)和S3井所用的一次式雙層切割技術(shù)結(jié)果對比如下：

（1）時效性。相對于一次式單層切割，一次式雙層切割具有提高時效近1/2的優(yōu)勢，這對于海上日費(fèi)較高的情況來說，無疑是最大的優(yōu)勢。

（2）選擇性。由于一次式雙層切割之前未曾有類似作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，初期對于水力內(nèi)割刀尺寸的選擇有一定的困難，通過理論計算、試驗(yàn)分析以及應(yīng)用改善，最終得出合理的選擇。而對于一次單層切割，割刀的尺寸選擇較為簡單。

（3）故障率。一次式單層切割對于刀刃等強(qiáng)度要求較低，但是對于一次式雙層切割強(qiáng)度成倍增加，對于割刀的強(qiáng)度要求也隨之提高。實(shí)踐證明使用常規(guī)強(qiáng)度割刀，可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)，但磨損情況比較明顯。

6　結(jié)論

（1）水力切割套管技術(shù)在棄井作業(yè)中使用較多，對于大規(guī)模平臺棄置作業(yè)，磨料水力射流內(nèi)切割對于常規(guī)井具有絕對的技術(shù)先進(jìn)性，但是對于類似S3井油套同壓的情況卻無法實(shí)現(xiàn)作業(yè)。

（2）在滿足能割開雙層套管的尺寸要求下，盡量選擇較短的刀片，保證初始張開角度盡量大，減少切割時間，提高切割效率。

（3）一次式雙層套管切割注意事項(xiàng)：切割初始，由于刀片張開角度較小，切割扭矩一般也比較小，切割一段時間后，扭矩會逐漸增大，懸重會增加，說明內(nèi)層φ244.5 mm套管已經(jīng)割開，此時可以點(diǎn)放鉆具（控制懸重增加量10 kN左右），扭矩也會增加，繼續(xù)切割扭矩逐漸平穩(wěn)，懸重逐漸增加，重復(fù)操作點(diǎn)放鉆具至雙層套管割斷。過程不宜操之過急，避免高扭矩高泵壓造成刀片提前損壞。

（4）雙層套管割斷判斷方法：理想割斷情況是鉆具出現(xiàn)晃動增大，懸重增加，扭矩大幅度減小等情況；有時割斷情況不理想，如扭矩?zé)o明顯減小但出現(xiàn)有規(guī)律波動，懸重?zé)o明顯變化，遇到這種情況，可以適當(dāng)增加切割時間，保證雙層套管的割斷。

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Application of Hydraulic Cutting Technique with One-time Operation Mode for Cutting Double Casings in Offshore Abandonment Operation

ZHU Guoning，HE Pengfei，GUAN Hekun，GE Wenchen，WANG Rui
CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Tianjin 300452，China

As the development of the offshore petroleum industry，more and more old oil and gas wells lost the value of continuous production，these wells need to take a permanent abandon in order to prevent environmental pollution caused by oiland gas leakage.In the wells abandonment project of a platform in Liaodong Bay，the new developed hydraulic cutting technique to cut double casings with one-time operation mode is used.It reduces the abandonment time period and cost significantly.

wellabandonment；hydraulic cutting；double casings；offshore oilfield

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.007

朱國寧（1985-），男，山東濟(jì)寧人，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），主要從事海洋石油鉆井技術(shù)監(jiān)督與管理工作。Email：zhugn@cnooc.com.cn

2016-04-15