馮 定 黃 鍇 王 鵬 張 紅 施 雷

(1. 長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖北荊州 434023； 2. 長江大學(xué)油氣鉆完井工具研究中心 湖北荊州 434023)

海洋棄井套管切割作業(yè)偏心工況分析*

馮 定1,2黃 鍇1,2王 鵬1,2張 紅1,2施 雷1,2

(1. 長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖北荊州 434023； 2. 長江大學(xué)油氣鉆完井工具研究中心 湖北荊州 434023)

馮定，黃鍇，王鵬，等.海洋棄井套管切割作業(yè)偏心工況分析[J].中國海上油氣，2017,29(2)：103-108.

FENG Ding，HUANG Kai，WANG Peng,et al.Analysis of the eccentric scenario in casing-cutting operations for offshore well abandonment[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):103-108.

套管切割是海洋平臺實(shí)施永久棄井時原井口裝置切割回收的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，偏心工況切割套管時易形成不規(guī)則切口或?qū)е绿坠芪辞袛?，造成刀片磨損嚴(yán)重、切割效率降低甚至導(dǎo)致井下事故。根據(jù)套管偏心切割受力模型，建立了切割面位置、割刀磨損長度及偏心切割扭矩的計算模型，并結(jié)合LH29-2-1井φ339.725 mm套管切割實(shí)例進(jìn)行了計算分析，結(jié)果表明：割刀磨損長度隨偏心距增大而增大；偏心工況時割刀切入套管各個方向的深度不一致，將導(dǎo)致套管切割作業(yè)失敗；偏心切割工況時3個割刀切割總扭矩波動較大,隨著切割的進(jìn)行，單個割刀切割扭矩變化逐漸趨近正弦曲線波形，切割總扭矩波動幅度逐漸減小并最終趨于直線。上述認(rèn)識可為判斷套管切割工況及切割結(jié)果提供指導(dǎo)。

套管切割；偏心工況；偏心距；切割扭矩；棄井作業(yè)

根據(jù)海洋石油棄井規(guī)范，海洋石油平臺退役后若無其他用途，需要及時廢棄拆除，以保護(hù)海洋環(huán)境。按照國家海洋局要求，永久棄井中所有套管、樁、井口裝置等的切割位置應(yīng)深于海底泥面4 m[1-2]。拆除廢棄井口時需要使用切割回收工具，快速高效地切割回收套管[3-5]，但由于固井施工作業(yè)及井斜等原因會導(dǎo)致套管偏心或切割工具偏心。偏心切割工況會導(dǎo)致套管切割過程中刀具擺動，不能保證刀片在同一水平面切割，易形成不規(guī)則切口或?qū)е绿坠芪辞袛?，同時造成刀片磨損嚴(yán)重，切割效率嚴(yán)重降低[6-8]。目前，對于套管偏心切割工況的相關(guān)研究較少，在現(xiàn)場實(shí)際切割過程中無法判斷割刀是否偏心。本文根據(jù)套管偏心切割受力模型，建立了切割面位置、割刀磨損長度及偏心切割扭矩的計算模型，并結(jié)合LH29-2-1井套管切割實(shí)例分析，提出了套管發(fā)生偏心切割的判斷方法，對現(xiàn)場切割作業(yè)具有一定指導(dǎo)意義。

1 套管偏心切割計算模型建立

偏心工況可分為2類，即套管偏心和切割工具偏心。套管偏心時，兩層套管間的距離隨周向角度的變化而變化；切割工具偏心時，切割工具與套管間的距離隨周向角度的變化而變化。假設(shè)切割工具為剛性，不考慮受切割工具受切割力彎曲變形的情況，研究上述2種偏心工況導(dǎo)致的切割位置軸向偏差與偏心距的關(guān)系。

1.1 套管偏心模型

在套管偏心工況下，外層套管軸線與內(nèi)層套管軸線存在偏心距e，切割工具通過外懸掛器從內(nèi)層套管下入，故其軸線與內(nèi)層套管軸線重合，如圖1所示。

圖1 套管偏心示意Fig .1 Schematic diagram of casing eccentricity

由于切割工具軸線與內(nèi)層套管軸線重合，故內(nèi)層套管切割面為水平狀態(tài)，不存在軸向偏差；外層套管由于偏心，其切割面與水平面存在夾角，軸向偏差為

(1)

式(1)中：e為偏心距，mm；a為割刀支點(diǎn)位置距切割工具軸線距離，mm；R為外層套管半徑，mm；r為內(nèi)層套管半徑，mm；l為割刀長度，mm；b1為割刀切割外層套管時切割面軸向最下位置與割刀頂部距離，mm；b2為割刀切割外層套管時切割面軸向最上位置與割刀頂部距離，mm。

對于同一切割工具，其割刀連接位置距切割工具軸線距離a一般不變，故其外層套管的軸向偏差是關(guān)于偏心距的函數(shù)。

1.2 切割工具偏心模型

在切割工具偏心工況下，外層套管軸線與內(nèi)層套管軸線重合，與切割工具軸線存在偏心距e，如圖2所示。

圖2 切割工具偏心示意Fig .2 Schematic diagram of cutting tool eccentricity

由于切割工具軸線與內(nèi)外層套管軸線存在偏心，故內(nèi)外層套管的切割面不處于水平狀態(tài)，其軸向偏差為

(2)

式(2)中：c1為割刀切割內(nèi)層套管時切割面軸向最下位置與割刀頂部距離，mm；c2為割刀切割內(nèi)層套管時切割面軸向最上位置與割刀頂部距離，mm。

由此可知，在套管偏心與切割工具偏心2種工況下，軸向偏差隨偏心距的增大而增大，且2種偏心工況對切割面軸向偏差影響一致。因此，不論是套管偏心還是切割工具偏心，或是2種偏心同時存在，都可視作切割工具相對于套管偏心，從而將上述2種偏心工況簡化為一種偏心工況。對于多層套管，只須分析與切割工具存在偏心的套管對切割的影響，其余套管忽略不計。

1.3 切割面位置計算模型

在偏心切割工況下，由于切割工具與套管軸線不重合，在切割工具旋轉(zhuǎn)切割過程中，割刀切入套管長度不一樣，從而導(dǎo)致切割面不處于水平面。如圖3所示，設(shè)O為割刀切割圓中心，O1為套管圓心，dt為割刀中心到套管距離，則

(3)

進(jìn)而得出

(4)

圖3 切割面位置示意Fig .3 Cut face position calculation

割刀的實(shí)際切割位置lt以及切割位置與割刀安裝位置間距離bt分別為

(5)

(6)

結(jié)合式(4)，可得

(7)

(8)

割刀磨損長度lm為

lm=l-minlt

1.4 切割扭矩計算模型

割刀通過旋轉(zhuǎn)提供切割動力[9-13]，據(jù)此建立切割物理模型如圖4所示。套管切割時，圓周切割力作用于硬質(zhì)合金上，其大小取決于切削的截面積和套管材料的硬度，計算公式為

(9)

式(9)中：F切為圓周切削力，N；F為切削壓力，N；B為切削弧長，mm；h為切削深度，mm；Sz為每齒進(jìn)給量，可取0.12～0.20 mm；Z為硬質(zhì)合金切削刃個數(shù)；D為割刀直徑，mm；A為切削刃接觸套管面積，mm2。

圖4 割刀受力力學(xué)模型Fig .4 The mechanical model of cutting

根據(jù)圖4所示的割刀受力模型及幾何關(guān)系，可得

(10)

(11)

式(10)、(11)中：b為割刀寬，mm；F0為活塞作用在割刀頂端的力,N；l1為割刀支點(diǎn)位置上部刀體長度，mm；l2為割刀支點(diǎn)位置下部刀體長度，mm；α為上部刀體與水平面夾角，(°)；β為下部刀體與豎直面夾角，(°)；Δl為割刀切入套管長度，mm。

由此可得單個割刀的切割扭矩為

(12)

在不偏心工況下切割時，dt等于套管半徑r,所以切割總扭矩保持不變。而在偏心工況下，dt隨工具旋轉(zhuǎn)角度θ而變化，每個割刀相差120°相位角，所以其與套管內(nèi)壁的距離為

(13)

偏心工況下的切割總扭矩為

(14)

2 實(shí)例分析

以LH29-2-1井切割φ339.725 mm套管為例。該井套管切割過程中高架槽收集到返出鐵屑，說明套管已部分切斷。隨后完成起鉆作業(yè)，發(fā)現(xiàn)三幅刀片磨損嚴(yán)重，特別是距離刀尖30 mm內(nèi)磨損非常嚴(yán)重，其中2副刀片在距離刀尖120 mm處有明顯圓弧形劃痕，據(jù)此判斷套管可能完全割斷。然而，從套管出井的照片(圖5)可以看出，套管切口不整齊，且存在明顯的拉斷痕跡，說明套管并未完全割斷，與割刀磨損情況判斷結(jié)果不一致。綜合返漿和割刀磨損情況可以判斷該井套管處于偏心切割工況，因此利用本文建立的套管切割模型分析套管切割過程中的偏心距、切割面位置及切割扭矩的變化情況。

圖5 LH29-2-1井割斷套管出井照片F(xiàn)ig .5 The picture of out-well cut casing from Well LH29-2-1

C13割刀體外徑297.993 mm，切割套管的內(nèi)徑為313.614 mm，可以得到切割工具偏心距最大為15.621 mm。圖6為本文模型計算的該井套管割刀磨損長度和切割面軸向偏差隨偏心距的變化關(guān)系，可以看出，割刀磨損長度和切割面軸向偏差隨偏心距的增大而增大，因此割刀磨損長度的增大有可能是偏心距增大導(dǎo)致的，據(jù)此判斷套管是否割斷并不準(zhǔn)確。

圖6 LH29-2-1井φ339.725 mm套管切割面軸向偏差及 割刀磨損長度隨偏心距變化關(guān)系Fig .6 The change of relationship between cut face axial deviation and cutter wear with eccentricity of caseφ339.725 mm of Well LH29-2-1

分別計算偏心距為0和15.621 mm時的切割面位置，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，偏心距為15.621 mm時，切割面軸向最大偏差為36.87 mm。由此可知，偏心工況時割刀切入套管各個方向深度不一致，隨著切割作業(yè)的進(jìn)行，導(dǎo)致套管部分割斷，部分未割斷，使切割作業(yè)失敗。

利用本文建立的模型模擬計算了該井套管在正常工況及偏心工況下不同時段單個割刀的扭矩及3個割刀的總扭矩，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，偏心工況時單個割刀的切割扭矩變化呈正弦曲線波形，切割扭矩為0時表明該時間段割刀未與套管接觸；正常工況時3個割刀的切割總扭矩是一條直線，偏心工況時3個割刀的切割總扭矩在切割初期變化波動較大，隨著切割的進(jìn)行波動幅度逐漸變小，最終趨于直線，據(jù)此可以判斷切割工況及切割結(jié)果。

圖7 LH29-2-1井φ339.725 mm套管正常工況及偏心工況下切割面位置Fig .7 Eccentric cut surface location under normal condition and eccentric condition of case φ339.725 mm of Well LH29-2-1

圖8 LH29-2-1井φ339.725mm套管不同時段切割扭矩波形Fig .8 The cutting torque waveform in the different periods of case φ339.725mm of Well LH29-2-1

3 結(jié)論

根據(jù)套管偏心切割受力模型，建立了切割面位置、割刀磨損長度及偏心切割扭矩的計算模型，并結(jié)合LH29-2-1井φ339.725 mm套管切割實(shí)例進(jìn)行了計算分析，結(jié)果表明：割刀磨損長度隨偏心距增大而增大，因此根據(jù)割刀磨損長度來判斷套管是否割斷并不準(zhǔn)確；偏心工況時割刀切入套管各個方向的深度不一致，將導(dǎo)致套管部分割斷，部分未割斷，使切割作業(yè)失敗。偏心工況時，單個割刀切割扭矩變化呈正弦曲線波形，3個割刀切割總扭矩波動較大，隨著切割的進(jìn)行波動幅度逐漸減小，最終趨于直線，據(jù)此可以判斷套管切割工況及切割結(jié)果。

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(編輯：孫豐成)

Analysis of the eccentric scenario in casing-cutting operations for offshore well abandonment

FENG Ding1,2HUANG Kai1,2WANG Peng1,2ZHANG Hong1,2SHI Lei1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434023,China;2.OilandGasDrillingandCompletionResearchCenter,YangtzeUniversity,Jingzhou,Hubei434023,China)

Casing-cutting is the key link in the original wellhead equipment retrieval operations for permanent abandonment of offshore wells. The eccentric scenario in cutting operations will easily lead to irregular incision or the casing not being cut off. This kind of situation will cause severe blade wear and even lead to downhole accidents. According to the mechanical model of eccentric cutting scenario, a calculation model of cut face position, the length of the cutter worn out, and eccentric cutting torque was established. Then based on this models some calculations and analyses were carried out taking the cutting operation of theφ339.725 mm casing in Well LH 29-2-1 as an example. The result shows that the length of the cutter worn out increases with the increase in eccentricity. And moreover, the penetration depths in various directions are different under the eccentric scenario, which will cause the failure of cutting operation. Under eccentric scenarios, the total cutting torque of the three cutters fluctuates dramatically. With the cutting operation going on, the individual cutter's torque gradually approaches to the sine curve, and the wave amplitude of the total cutting torque gradually decreases, eventually tending to be a straight line. The above understandings will provide a guidance for judging casing cutting scenario and hence the operation consequence.

casing cutting; eccentric scenario; eccentricity; cutting torque; abandonment operation

*國家自然科學(xué)基金“深水無隔水管鉆井渦動對鉆柱動態(tài)響應(yīng)研究(編號：51405032)”、“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“深水鉆井裝置安全作業(yè)與深水棄井工程應(yīng)用技術(shù)及測試分析(編號：2011ZX05026-001-04-05)”部分研究成果。

馮定，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣裝備及井下工具的設(shè)計、診斷及動態(tài)仿真。地址：湖北省荊州市長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(郵編：434023)。E-mail:fengd0861@163.com。

1673-1506(2017)02-0103-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.014

TE952

A

2016-05-10 改回日期：2016-07-20