賈宗文，耿亞楠，幸雪松，劉兆年

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028）①

根據(jù)國(guó)內(nèi)海上油氣井棄置行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［1］及中海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［2］規(guī)定，海上油氣井永久性棄置所有套管、樁腿或井口裝置等的切割位置應(yīng)深于海底泥面4 m，這就意味著棄井過(guò)程中需要在泥線(xiàn)以下進(jìn)行套管切割作業(yè)。根據(jù)目前海上油氣井的井身結(jié)構(gòu)情況，棄井過(guò)程中需要由內(nèi)而外對(duì)生產(chǎn)套管或技術(shù)套管至隔水導(dǎo)管進(jìn)行逐層切割，且大部分井表層套管及技術(shù)套管固井水泥塞均返泥面或井口，意味著需要泥線(xiàn)以下的多層帶水泥塞套管切割作業(yè)，面臨高效切割的技術(shù)難題。

目前，國(guó)內(nèi)海上油氣井多層帶水泥環(huán)套管切割的經(jīng)驗(yàn)還比較少，應(yīng)用較多的主要是單層套管的切割，單層套管切割難度小，技術(shù)選擇性較多，主要有水力割刀切割、化學(xué)（鎂粉）切割、水射流（或磨料射流）切割及鉆粒纜切割等，但當(dāng)需多層套管（3層及以上）整體切割或待切割套管尺寸較大時(shí)（720 mm及以上），可選擇的切割技術(shù)就非常有限。常用的多層套管整體切割技術(shù)主要為水力割刀技術(shù)及磨料射流技術(shù)，水力割刀技術(shù)服務(wù)費(fèi)用低、效率低［3］；磨料射流技術(shù)服務(wù)日費(fèi)高、效率也高［4］。兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要綜合考慮切割層數(shù)、切割尺寸、切割效率及經(jīng)濟(jì)性等開(kāi)展切割技術(shù)的比選及適用性分析工作，優(yōu)選最經(jīng)濟(jì)高效的多層套管整體切割技術(shù)，為海上油氣井棄井切割作業(yè)提供支持，實(shí)現(xiàn)棄井切割作業(yè)降本增效。

1 常用多層套管切割技術(shù)

1.1 磨料射流切割工具

1.1.1 切割原理及結(jié)構(gòu)

磨料射流是在水射流基礎(chǔ)上混入石英砂、陶粒等質(zhì)地堅(jiān)硬的固體顆粒［5-7］，通過(guò)高壓泵組形成高壓射流，切割原理是磨料射流通過(guò)噴嘴加速后沖擊到被切割物表面，實(shí)現(xiàn)高速?zèng)_蝕切割；磨料射流在3～30 r／min的轉(zhuǎn)速、幾十到數(shù)百兆帕的工作壓力下，從套管內(nèi)部將多層水泥封固套管（最大外徑可達(dá)914.4 mm）沿周向割斷，噴嘴射流速度可達(dá)600～700 m／s（可調(diào)節(jié)泵壓、排量等），滿(mǎn)足3層以上帶水泥環(huán)多層套管的一次性水下切割。主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1） 不受多層套管偏心限制［8］及復(fù)雜切割環(huán)境的影響。

2） 切割速度快，切割頭轉(zhuǎn)動(dòng)一周即可完成切割。陸地試驗(yàn)6～7 h完成4層偏心帶水泥塞套管（最外層914.4 mm 導(dǎo)管）的切割作業(yè)。

3） 由于切割噴嘴可更換，適用切割尺寸范圍大。

4） 切割振動(dòng)小、噪音低、無(wú)污染，無(wú)需動(dòng)火作業(yè)，適合海上防爆要求高的工作環(huán)境。

5） 切割質(zhì)量高，效果好，割口平整無(wú)棱刺。

6） 噴嘴型號(hào)可更換，可遠(yuǎn)程操控切割各種復(fù)雜形狀。

磨料射流切割系統(tǒng)［9-11］主要由高壓泵組、磨料混合罐、高壓管線(xiàn)、空氣壓縮機(jī)組、絞車(chē)、切割控制單元、井下扶正器、速度控制器及切割頭等組成，如圖1～2所示。套管切割頭有177.8、244.5及339.7 mm 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)切割頭，可根據(jù)需要在井口加變徑接頭。

圖1 磨料射流切割系統(tǒng)

圖2 磨料射流切割頭

1.1.2 磨料射流切割程序

1） 配套工具設(shè)備就位，連接調(diào)試合格，配備磨料。

2） 在切割作業(yè)之前，通井刮管至切割位置以下（泥面下4～5 m 切割位置處反復(fù)刮管至返出干凈），保證切割位置及井筒內(nèi)壁無(wú)水泥、油污等殘留物。

3） 將工具頭下放至井筒深度內(nèi)約5 m。

4） 液壓張緊固定至井筒內(nèi)，開(kāi)泵測(cè)試清洗管線(xiàn)并打壓至工作壓力，確保泵壓穩(wěn)定。

5） 解鎖張緊裝置，下放切割工具頭至泥面下4～5 m，張緊固定工具頭。

6） 開(kāi)泵起壓至工作壓力穩(wěn)定，開(kāi)啟混料單元，調(diào)整砂比，混沙并加砂切割。

7） 液壓驅(qū)動(dòng)切割頭旋轉(zhuǎn)，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整切割參數(shù)。

8） 切割一圈完成多層帶水泥套管切割。

9） 起出切割頭，鉆機(jī)上提多層帶水泥套管。

磨料射流切割配套系統(tǒng)需要占用較大的平臺(tái)空間，且在作業(yè)前設(shè)備安裝、連接及調(diào)試，占用較長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間，但當(dāng)棄置的井?dāng)?shù)較多時(shí)，平均到單井的準(zhǔn)備時(shí)間明顯降低。

1.2 水力割刀切割

1.2.1 切割原理及結(jié)構(gòu)

水力割刀是利用水馬力來(lái)推動(dòng)割刀進(jìn)行管內(nèi)切割的工具［12-13］，主要由上接頭、本體、活塞桿、割刀等組成［14-16］，如圖3。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)，通過(guò)內(nèi)部活塞推動(dòng)割刀片向外張開(kāi)與套管內(nèi)壁接觸，上部鉆具帶動(dòng)割刀旋轉(zhuǎn)切割套管。主要優(yōu)點(diǎn)如下：

1） 價(jià)格便宜，成本低。

2） 工具系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需額外的配套設(shè)備，不需占用平臺(tái)面積，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低。

3） 資源豐富，動(dòng)復(fù)員速度快。

圖3 水力割刀工具

目前水力割刀的刀片尺寸最大為520 mm，當(dāng)隔水導(dǎo)管尺寸較大且套管層數(shù)較多時(shí)，雖也可滿(mǎn)足切割需求，但也存在切割困難；內(nèi)層套管若尺寸較小，刀片無(wú)法完全打開(kāi)，切割效率低，切割工期長(zhǎng)；切割大尺寸導(dǎo)管時(shí)，轉(zhuǎn)矩大、刀片磨損嚴(yán)重，效率低。因此在多層套管切割通常先逐層套銑再進(jìn)行切割，作業(yè)工期長(zhǎng)。

1.2.2 水力割刀作業(yè)程序

1） 切割之前，切割位置附近通井刮管至返出干凈。

2） 組合水力割刀工具，下鉆至切割深度泥面下4～5 m。

3） 下井前，做功能試驗(yàn)。檢查刀片張開(kāi)角度，切割范圍和刀片張開(kāi)收縮靈活性，然后用細(xì)鐵絲將刀片固定好。

4） 下鉆到位前，測(cè)上提下放懸重，正向空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；到達(dá)預(yù)定切割位置后，緩慢開(kāi)泵至轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)始切割套管；期間嚴(yán)密監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)矩、泵壓等參數(shù)，判斷套管是否被割斷，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，優(yōu)化切割參數(shù)；如切割期間，出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩，泵壓變化比較大，立即停泵，停轉(zhuǎn)盤(pán)，起鉆，檢查管柱和工具。

5） 切割完畢，起鉆，檢查割刀磨痕，以判斷套管是否割斷，通常需多次起下以確定套管割斷。

6） 整體割斷后起出隔斷套管。

2 切割性能對(duì)比

2.1 切割效率對(duì)比

純切割時(shí)間方面，磨料射流切割效率（3層整體切割）為水力割刀切割效率（2層整體切割）的3倍以上。水力割刀工具通常需采用套銑、打撈等輔助作業(yè)才能完成3層及以上多層套管的切割作業(yè)。從應(yīng)用實(shí)例來(lái)看，水力割刀切割工期為磨料射流切割工期的6～7倍，如表1。

表1 切割機(jī)具切割效率對(duì)比

2.2 割口效果對(duì)比

磨料射流工具一次即可完成切割作業(yè)，割口平整，切割完成后套管無(wú)需額外修整及通井，可直接開(kāi)展下一步作業(yè)，如圖4；水力割刀需多次切割才能實(shí)現(xiàn)，割口呈現(xiàn)鋸齒狀，多次切割會(huì)導(dǎo)致割口棱刺或變形，需通井或額外的修整作業(yè)，如圖5。

圖4 磨料射流切割割口示意

圖5 水力割刀切割割口示意

2.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

目前海上水力割刀工具及配套服務(wù)根據(jù)套管切割層數(shù)計(jì)費(fèi)，切割層數(shù)越多，費(fèi)用越高；磨料射流配套服務(wù)按時(shí)間（天數(shù)）計(jì)費(fèi)，服務(wù)時(shí)間越長(zhǎng)，費(fèi)用越高。兩種切割技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比關(guān)系式為：

式中：Vh為水力割刀服務(wù)費(fèi)用，與套管層數(shù)有關(guān)，萬(wàn)元；n為需要的割刀數(shù)量；Vhd為水力割刀工具動(dòng)復(fù)員費(fèi)，萬(wàn)元；Vhs為水力割刀配套服務(wù)費(fèi)（含人員服務(wù)及套銑打撈服務(wù)等），萬(wàn)元／d；dh為水力割刀切割作業(yè)天數(shù)；Vj為磨料射流配套工具服務(wù)日費(fèi)，萬(wàn)元／d；Vjd為磨料射流配套工具動(dòng)復(fù)員費(fèi)，萬(wàn)元；Vjs為磨料射流人員服務(wù)費(fèi)，萬(wàn)元／d；dj為磨料射流切割天數(shù)（磨料射流工具可在1 d內(nèi)完成切割作業(yè)）。

結(jié)合兩種工具切割效率，根據(jù)上述對(duì)比關(guān)系式，當(dāng)切割層數(shù)＜3且最外層導(dǎo)管尺寸≤609.6 mm 時(shí)，均可在1～2 d內(nèi)完成切割，使用水力割刀工具經(jīng)濟(jì)性更好；當(dāng)切割層數(shù)≥3 層或最外層導(dǎo)管尺寸＞609.6 mm 時(shí)，水力割刀工具通常需2 次以上才能完成切割，且通常配合內(nèi)層套管的磨銑及打撈作業(yè)，工期需4～6 d 以上，使用磨料射流工具經(jīng)濟(jì)性更好。

2.4 適用性分析

通過(guò)切割工具的切割效果、切割效率及經(jīng)濟(jì)性分析，建立基于套管層次、尺寸等的多層帶水泥環(huán)套管切割適用原則，如圖6。

圖6 多層套管切割技術(shù)優(yōu)選原則

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以渤海某油田的棄置井為例，該油田主要為3層套管的切割，尺寸主要為339.7 mm 技術(shù)套管+508 mm 表 層 套 管+762 mm 隔 水 導(dǎo) 管、244.5 mm技術(shù)套管+339.7 mm 表層套管+762 mm 隔水導(dǎo)管及244.5 mm 技術(shù)套管+339.7 mm 表層套管+609.6 mm 隔水導(dǎo)管，且技術(shù)套管和表層套管外的水泥均返至泥線(xiàn)以上，棄井過(guò)程面臨多層帶水泥環(huán)套管的切割問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)海上棄井作業(yè)多層帶水泥環(huán)套管（尤其是3層以上）的切割經(jīng)驗(yàn)少，為優(yōu)選切割技術(shù)，針對(duì)該油田井的具體情況，2口井采用了水力割刀，3口井采用了磨料射流切割技術(shù)。兩種技術(shù)的應(yīng)用效果如表2～3。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐證明，當(dāng)套管切割層數(shù)較多（≥3層）時(shí)純切割時(shí)間，磨料射流切割效率為水力割刀切割效率的3倍以上；針對(duì)3層及以上套管，水力割刀工具切割效果差，需采用套銑、打撈等輔助作業(yè)才能切割作業(yè)，從應(yīng)用實(shí)例看水力割刀總切割工期為磨料射流總切工期的6～7 倍以上；采用水力割刀技術(shù)，考慮套銑、打撈等輔助作業(yè)情況下，費(fèi)用超過(guò)磨料射流工具切割費(fèi)用約數(shù)十萬(wàn)元，對(duì)3層及以上多層套管切割，水力割刀無(wú)價(jià)格優(yōu)勢(shì)；磨料射流工具一次即可完成切割作業(yè)，割口平整，水力割刀需多次切割才能實(shí)現(xiàn)，割口不規(guī)則。

表2 磨料射流切割技術(shù)應(yīng)用情況

表3 水力割刀切割技術(shù)應(yīng)用情況

4 結(jié)論

1） 對(duì)比了兩種常用多層套管切割技術(shù)的特點(diǎn)，磨料射流技術(shù)具有切割效率高、適用尺寸大的優(yōu)點(diǎn)，水力割刀技術(shù)具有費(fèi)用低、工具系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

2） 從切割效率、割口效果、經(jīng)濟(jì)性等方面詳細(xì)研究了兩種技術(shù)的適用性，建立了多層帶水泥環(huán)套管的切割技術(shù)適用原則，當(dāng)切割層數(shù)＜3且最外層導(dǎo)管尺寸≤609.6 mm 時(shí)，推薦使用水力割刀工具；當(dāng)切割層數(shù)≥3 層或最外層導(dǎo)管尺寸＞609.6 mm時(shí)，推薦使用磨料射流工具。

3） 針對(duì)兩種技術(shù)分別開(kāi)展了3層帶水泥環(huán)套管切割應(yīng)用，結(jié)果表明3層以上套管整體切割，磨料射流的適用性更好，驗(yàn)證了兩種切割技術(shù)的適用性。