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        高鋼級(jí)套管段銑工具優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)

        2021-06-19 07:15:32娟,黃兵,謝力,湯
        特種油氣藏 2021年2期
        關(guān)鍵詞:鋼級(jí)刀尖菱形

        苗 娟,黃 兵,謝 力,湯 明

        (1.西南石油大學(xué)工程學(xué)院,四川 南充 611130;2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司,四川 廣漢 618300;3.中國(guó)石油華北油田分公司,河北 廊坊 065700;4.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院,四川 成都 610500)

        0 引 言

        套管段銑常用于老井側(cè)鉆和廢棄井作業(yè),每年大約有5%~7%的老井需通過(guò)特殊工藝手段,在老井眼的基礎(chǔ)上進(jìn)行段銑開(kāi)窗側(cè)鉆,實(shí)現(xiàn)老井挖潛[1-10];廢棄井作業(yè)需要對(duì)套管進(jìn)行多段段銑,注水泥漿封隔,以解決封井后的油氣上竄問(wèn)題[11-13]。套管段銑一般分2步實(shí)現(xiàn),首先是段銑工具(切削齒)入井至預(yù)定井深后,液壓撐開(kāi)刀片進(jìn)行套管切割,然后利用段銑工具(磨銑齒)對(duì)套管進(jìn)行設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的段銑作業(yè)[14]。傳統(tǒng)段銑工具切斷套管通常需要1.5~2.0 h,段銑速度為0.1~0.3 m/h,段銑30 m進(jìn)尺通常需要10~20 d,若段銑刀片無(wú)法回收可造成卡鉆事故,甚至1個(gè)月以上的作業(yè)周期,并且套管尺寸越小,井深越大、套管鋼級(jí)越高,套管段銑難度越大,嚴(yán)重影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用[15-19]。目前,中國(guó)段銑工具的核心切削齒主要依靠進(jìn)口,在切削齒形狀優(yōu)選和切削齒布局設(shè)計(jì)方面主要依賴于經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)致段銑工具切割速度、段銑速度和使用壽命等性能較差[20-22]。同時(shí),由于缺乏理論支撐和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià),現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)完全依靠工程師經(jīng)驗(yàn),套管的切割速度、段銑進(jìn)尺和速度受人為因素干擾大。Φ177.8 mm套管是當(dāng)前側(cè)鉆和廢棄井作業(yè)中常見(jiàn)的套管尺寸,為實(shí)現(xiàn)該尺寸套管的快速切割和高效段銑,通過(guò)切削齒形狀優(yōu)選和布齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化,設(shè)計(jì)了Φ177.8 mm高鋼級(jí)套管段銑工具,并開(kāi)展性能評(píng)價(jià)。

        1 現(xiàn)有Φ177.8 mm段銑工具介紹

        Φ177.8 mm套管段銑工具主要由上接頭、本體和下接頭組成(圖1)。其工作原理為:正常入井時(shí)刀片處于收攏狀態(tài),工具下入指定井深后,開(kāi)泵循環(huán)鉆井液,鉆井液流過(guò)盤閥,推動(dòng)活塞桿壓縮彈簧下行,頂開(kāi)刀片,進(jìn)行套管的切割和段銑作業(yè)。作業(yè)完成后,關(guān)泵,彈簧推動(dòng)活塞桿上行,刀片收攏,取出工具。

        圖1 Φ177.8mm套管段銑工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of Φ177.8 mm casing section milling tool

        Φ177.8 mm套管段銑工具本體外徑為144.0 mm,刀片張開(kāi)后最大外徑為210.0 mm,工具總長(zhǎng)度為1.47 m。為保證本體具有足夠的抗扭強(qiáng)度,段銑工具設(shè)計(jì)3個(gè)長(zhǎng)刀片和3個(gè)短刀片,刀片之間互成60 °夾角,長(zhǎng)刀片和短刀片采用相同的布齒結(jié)構(gòu)[23]。現(xiàn)有的刀片大都采用菱形、圓形或橢圓形齒形結(jié)構(gòu),刀片的尖端大都采用圓柱形或非銳化菱形齒齒形結(jié)構(gòu)(圖2),刀片與套管內(nèi)壁接觸為面接觸或圓弧接觸,套管內(nèi)壁接觸面較大,受力相對(duì)較小,切割時(shí)間長(zhǎng),并且在套管段銑過(guò)程中會(huì)形成細(xì)長(zhǎng)鐵屑,鐵屑纏繞工具本體,造成卡鉆、泵壓異常等復(fù)雜情況,不利于快速段銑。

        圖2 現(xiàn)有段銑工具刀片的2種布齒結(jié)構(gòu)Fig.2 The two teeth structures of existing section milling tool blades

        2 Φ177.8 mm高鋼級(jí)套管段銑工具

        為提高Φ177.8 mm套管切割和段銑效率,主要從段銑刀片切削齒材質(zhì)、形狀、排布和仰角等方面對(duì)段銑工具刀片進(jìn)行了改進(jìn)。

        (1) 為了提高段銑速度和使用壽命,切削齒采用進(jìn)口碳化鎢材質(zhì),其硬度為9.04 HRA,密度為13.05 g/cm3,膨脹系數(shù)為6.0×10-6/K,具有高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn),在高溫條件下產(chǎn)生崩齒現(xiàn)象的幾率低[24-26]。

        (2) 切削齒采用內(nèi)凹齒+銳化菱形齒齒形結(jié)構(gòu)。刀片尖端采用銳化菱形切削齒結(jié)構(gòu),銳化角度為5~10 °(圖3)。常規(guī)段銑工具在切割套管時(shí),刀片尖端與套管內(nèi)部為面接觸或圓弧接觸[27],接觸的線性長(zhǎng)度大于40 mm(圖4a),導(dǎo)致切割時(shí)間長(zhǎng)、效率低。為提高切割效率,對(duì)刀片尖端最外側(cè)碳化鎢切削齒進(jìn)行銳化處理。當(dāng)液壓撐開(kāi)切割刀片時(shí),銳化菱形切削齒尖端首先與套管內(nèi)壁切割部位點(diǎn)接觸,接觸點(diǎn)線性長(zhǎng)度小于2 mm(圖4b);切割時(shí)刀尖更容易刺入套管內(nèi)壁,最終形成長(zhǎng)度小于50 mm的楔形切削口(圖5),僅為非銳化菱形切削齒切削口長(zhǎng)度的1/2。菱形切削齒切割完套管之后,在液壓的作用下,刀片尖端會(huì)進(jìn)一步切削套管外的水泥環(huán),直至刀片本體下端限位頂住套管內(nèi)壁,此時(shí),切削齒的內(nèi)凹齒部分置于套管頂部,對(duì)套管進(jìn)行磨銑作業(yè)(圖3),內(nèi)凹齒結(jié)構(gòu)與套管是點(diǎn)接觸形式,優(yōu)于菱形齒的面接觸形式,磨銑效率更高。

        圖3 內(nèi)凹齒+銳化菱形切削齒布齒結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of concave teeth + sharpened diamond teeth

        圖4 非銳化菱形切削齒與銳化菱形切削齒與套管接觸線性長(zhǎng)度Fig.4 The linear length of non-sharpened diamond andsharpened diamond teeth in contact with casing

        圖5 完成地面切割實(shí)驗(yàn)后的套管實(shí)物圖Fig.5 The casing photo after the ground cuttingexperiment was completed

        (3) 磨銑刀片采用內(nèi)凹齒+非均勻布齒結(jié)構(gòu)。下入磨銑齒進(jìn)行段銑作業(yè)時(shí),為防止段銑時(shí)形成連續(xù)的長(zhǎng)鐵屑纏繞工具,引起卡鉆,同時(shí)也有利于鐵屑返排,磨銑刀片上的內(nèi)凹齒布齒設(shè)計(jì)了18 °仰角。為進(jìn)一步增強(qiáng)斷屑效率,降低連續(xù)切削幾率,將刀片上的完整齒、1/2齒、1/3齒、1/4齒以相同的布齒仰角不均勻的、非對(duì)稱的布置每一副刀片上(圖6,僅以其中2副刀片為例)。當(dāng)鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),每轉(zhuǎn)過(guò)1/6的套管周長(zhǎng),改變一種刮削方式,降低產(chǎn)生長(zhǎng)鐵屑纏繞的風(fēng)險(xiǎn)。

        圖6 非對(duì)稱布齒磨銑刀片F(xiàn)ig.6 The milling blade with asymmetrical teeth layout

        3 地面實(shí)驗(yàn)

        為評(píng)價(jià)高鋼級(jí)套管段銑工具的切斷套管的時(shí)間以及段銑速度等性能指標(biāo),開(kāi)展了高鋼級(jí)套管段銑工具的切割和段銑評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

        3.1 切割實(shí)驗(yàn)

        采用ZJ30鉆機(jī)進(jìn)行高鋼級(jí)段銑工具套管切割實(shí)驗(yàn),為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性,進(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn)。套管切割操作流程:固定套管,轉(zhuǎn)盤測(cè)試后下入段銑工具,開(kāi)泵開(kāi)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行套管切割并記錄切割時(shí)間。切割參數(shù):轉(zhuǎn)速為50 r/min,鉆井液密度為1.2 g/cm3,鉆井液排量為15 L/s;Φ177.8 mm套管鋼級(jí)為P110,壁厚為11.51 mm。3次測(cè)試的切割時(shí)間分別為4.50、4.67、4.92 min,平均切割時(shí)間為4.70 min。與威德福和斯倫貝謝公司的套管段銑工具切割時(shí)間(30.00 min以上)相比[28],高鋼級(jí)套管段銑工具切割時(shí)間控制在5.00 min以內(nèi),且切割的楔形套管段長(zhǎng)度小于50 mm(圖5),可實(shí)現(xiàn)高鋼級(jí)Φ177.8 mm套管快速切割。

        3.2 段銑實(shí)驗(yàn)

        采用ZJ30鉆機(jī)進(jìn)行P110鋼級(jí)Φ177.8 mm套管段銑實(shí)驗(yàn)。套管段銑的具體操作流程為:固定套管,下入段銑工具,開(kāi)泵開(kāi)轉(zhuǎn)盤并施加鉆壓進(jìn)行套管段銑。段銑參數(shù):轉(zhuǎn)速為50 r/min,鉆壓為5 kN,鉆井液密度為1.2 g/cm3,排量為15 L/s。段銑實(shí)驗(yàn)結(jié)果:3次平行測(cè)試的段銑速度分別為0.86、0.89、0.92 m/h,平均段銑速度為0.89 m/h。

        同時(shí)完成P110鋼級(jí)Φ177.8 mm套管切割和段銑0.5 m后的刀片如圖7所示,可見(jiàn)刀片幾乎無(wú)磨損。與國(guó)外Φ177.8 mm套管的段銑速度(0.20~0.30 m/h)相比[29],高鋼級(jí)套管段銑工具段銑速度超過(guò)0.80 m/h,證明高鋼級(jí)套管段銑工具能夠大幅提高段銑速度和工具使用壽命,還能有效斷屑,防止鐵屑纏繞卡鉆,提高排屑效率,為井下安全段銑作業(yè)提供保障。

        圖7 套管切割刀片(左)和套管段銑后的鐵屑(右)Fig.7 Casing cutting blade (left) and iron dust after casing section milling (right)

        結(jié)合Φ177.8 mm套管段銑工具地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推薦段銑工具的施工參數(shù)為:轉(zhuǎn)速為40~60 r/min,鉆壓為5~20 kN,排量為13~17 L/s。

        3.3 套管切割仿真模擬

        為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同接觸類刀尖的切割效率,采用LS-DYNA軟件進(jìn)行了點(diǎn)接觸、面接觸和圓弧接觸類型刀尖的套管切割仿真模擬,仿真模擬的參數(shù)與地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同。

        圖8為點(diǎn)接觸類刀尖的段銑工具切割P110鋼級(jí)Φ177.8 mm套管的仿真模擬結(jié)果。由圖8可知:在套管切割過(guò)程中,刀片主體逐漸張開(kāi),實(shí)現(xiàn)套管的切割,隨著套管切割的進(jìn)行,套管所受的塑性應(yīng)變也越來(lái)越大,應(yīng)變最大值主要分布在刀尖與套管的接觸位置處。點(diǎn)接觸類刀片仿真模擬割斷套管用時(shí)為4.86 min,切口端面較為規(guī)則、整齊,與地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好(圖5)。

        圖8 點(diǎn)接觸類型刀尖的套管切割仿真模擬結(jié)果Fig.8 The simulation results of casing cutting with point-contact tool tip

        圖9和圖10分別為面接觸和圓弧接觸類刀尖的套管切割仿真模擬結(jié)果。由圖9、10可知:面接觸和圓弧接觸割斷套管的時(shí)間分別為35.30 min和46.20 min,遠(yuǎn)大于點(diǎn)接觸類刀片的割斷時(shí)間;面接觸和圓弧接觸類刀尖切割套管的塑性應(yīng)變遠(yuǎn)大于點(diǎn)接觸類刀片,表明割斷套管的難度更大;面接觸和圓弧接觸類刀片割斷套管楔形口長(zhǎng)度更長(zhǎng),且端面規(guī)則性差,套管切割過(guò)程中的安全性小于點(diǎn)接觸類刀片。綜上所述,點(diǎn)接觸類刀片不僅切割套管時(shí)間短,而且斷口也更為規(guī)則和平滑,證明采用銳化刀尖的改進(jìn)方法是科學(xué)合理的,能夠?qū)崿F(xiàn)高鋼級(jí)套管的高效切割。

        圖9 面接觸類型刀尖的套管切割仿真模擬結(jié)果圖Fig.9 The simulation results of casing cutting with plane-contact tool tip

        圖10 圓弧接觸類型刀尖的套管切割仿真模擬結(jié)果Fig.10 The simulation results of casing cutting with arc-contact tool tip

        4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        為進(jìn)一步驗(yàn)證高鋼級(jí)段銑工具效果,在四川盆地、鄂爾多斯盆地和塔里木盆地進(jìn)行了Φ177.8 mm套管段銑工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用(表1)。套管鋼級(jí)為L(zhǎng)80、P110、Q125,壁厚為9.19~12.65 mm。由表1可知:套管段銑成功率為100%,段銑速度為0.61~1.00 m/s,平均段銑速度為0.83 m/h,與地面測(cè)試結(jié)果基本吻合。

        表1 Φ177.8mm套管高性能段銑工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 The statistical results of field application of high-performance Φ177.8mm casing section milling tools

        與斯倫貝謝公司段銑工具段銑效果對(duì)比:斯倫貝謝公司段銑工具平均單趟段銑長(zhǎng)度和最大段銑長(zhǎng)度分別為5.8 m和8.5 m,高鋼級(jí)段銑工具平均單趟段銑長(zhǎng)度和最大段銑長(zhǎng)度分別為6.1 m和10.0 m。表明該工具達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,但價(jià)格不足斯倫貝謝同類產(chǎn)品的1/3,價(jià)格優(yōu)勢(shì)顯著。

        5 結(jié)論及建議

        (1) 高鋼級(jí)套管段銑工具切削齒采用了進(jìn)口高強(qiáng)度高穩(wěn)定性型碳化鎢材質(zhì),切削刀片齒形結(jié)構(gòu)優(yōu)化為內(nèi)凹齒+銳化菱形齒,磨銑刀片齒形結(jié)構(gòu)優(yōu)化為內(nèi)凹齒+非均勻布齒結(jié)構(gòu),地面實(shí)驗(yàn)割斷套管時(shí)間小于5.00 min,段銑速度大于0.8 m/h。

        (2) LS-DYNA仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)段銑工具相比采用銳化菱形切削齒能大幅提高套管切割效率。

        (3) 高鋼級(jí)段銑工具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品性能,且具有顯著的價(jià)格優(yōu)勢(shì),推廣應(yīng)用前景廣闊。

        (4) 下步計(jì)劃加強(qiáng)段銑工具刀片的強(qiáng)度,并進(jìn)行Φ139.7 mm套管段銑工具的研發(fā),為小尺寸套管段銑作業(yè)和老井治理提供技術(shù)支持。

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