深水棄井作業(yè)套管切斷的判斷方法

馮　 定，盧漢斌，夏成宇，王　 鵬，錢利勤，涂憶柳，魏世忠

（長江大學(xué)a．機械工程學(xué)院；b．油氣鉆完井工具研究中心，湖北　荊州434023）

深水棄井作業(yè)套管切斷的判斷方法

馮 定a，b，盧漢斌a，b，夏成宇a，b，王 鵬a，b，錢利勤a，b，涂憶柳b，魏世忠b

（長江大學(xué)a．機械工程學(xué)院；b．油氣鉆完井工具研究中心，湖北荊州434023）

在進行海洋石油棄井作業(yè)后，必須把水下井口系統(tǒng)從泥線以下切割回收到地面。目前主要采用水力機械內(nèi)切割技術(shù)進行套管拆除。在深水棄井作業(yè)中，判斷套管是否被切斷是提高棄井作業(yè)效率的關(guān)鍵。如果套管未被切斷，將造成取不出套管甚至出現(xiàn)打撈工具被拉斷等井下事故。針對這個問題，提出了一種通過沖次和立管壓力現(xiàn)場數(shù)據(jù)來判定套管是否被切斷的方法，并通過現(xiàn)場試驗驗證此方法的可靠性。

深水切割；棄井作業(yè)；套管；方法

近年來，隨著海洋石油相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，在海洋范圍內(nèi)新建的石油生產(chǎn)設(shè)施越來越多。根據(jù)我國相關(guān)法規(guī)規(guī)定［1］，海洋石油作業(yè)棄井以后，未經(jīng)相關(guān)部門批準，不得在泥線以上留下任何海底建筑物。因此，棄井以后必須進行套管切割［2-4］。針對如何及時判斷套管被切斷的問題，通常采用轉(zhuǎn)矩突然變小來判定套管已經(jīng)被切斷的方法，當水深超過500m之后出現(xiàn)新的問題：套管被切斷，轉(zhuǎn)矩不會出現(xiàn)變小的情況［5］。因此，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的變化已不能判斷深水套管是否被切斷。本文結(jié)合流體力學(xué)、閥門理論和現(xiàn)場試驗，提出了一種根據(jù)泵沖次和立管壓力現(xiàn)場數(shù)據(jù)來判定套管是否被切斷的方法，并通過現(xiàn)場試驗驗證了此方法的可靠性。

1 通過立管壓力和沖次判斷套管是否被切斷方法的建立

泥漿或水通過鉆柱內(nèi)孔進入水力內(nèi)切割工具，利用壓力撐開割刀，通過旋轉(zhuǎn)鉆柱實現(xiàn)套管切割［6］，如圖1所示。當泥漿通過水力內(nèi)切割工具時，由于溢流閥、閥座所造成的流通面積的局部縮小，形成局部阻力，與調(diào)節(jié)閥類似，使流體的壓力和速度產(chǎn)生變化［7］。流體流過調(diào)節(jié)閥時產(chǎn)生能量損失，通常用閥前后的壓差來表示阻力損失的大小。

圖1 水力內(nèi)切割工具工作原理示意

當割刀張開角θ不變，即調(diào)節(jié)閥的開度不變，假設(shè)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流體不可壓縮，流體的密度不變，調(diào)節(jié)閥的流量為式中：p1為工具調(diào)節(jié)閥閥前的壓力；m Pa；p2為工具調(diào)節(jié)閥閥后的壓力；m Pa；ρ為流體密度；kg／m3；g為重力加速度；m／s2；ξ為調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)，與閥門的結(jié)構(gòu)形式、流體的性質(zhì)和開度（即割刀的偏轉(zhuǎn)角）有關(guān)。

將上述Q、p1、p2采用工程單位，Q取m3／h；p1、p2取m Pa；重度γ取N／m3。式（1）變?yōu)?/p>

令流量系數(shù)Kv＝5．04A／■ξ，代入式（2）得泥漿泵流量與沖次的關(guān)系為式中：q為排量，m3；n為泥漿泵的沖次，min－1。

將式（4）代入式（3）得

式中：定義K為判定系數(shù)，K＝qρgK2v

1．1 內(nèi)切割工具調(diào)節(jié)閥閥前壓力

2g；L為鉆桿長度，m；λ是與流態(tài)有關(guān)的系數(shù)。

由于鉆桿到閥門處截面積A不變，不考慮流體壓縮性，則v1＝v2，即：式中：L1為平臺到水力內(nèi)割刀處的距離，m。

圖2 深水套管切割工具示意圖

1．2 內(nèi)切割工具調(diào)節(jié)閥閥后壓力p2

同理可得

式中：p3是海底壓力，mPa。

1．3 立管壓力與泵沖次和判定系數(shù)K關(guān)系

由式（7）、（8）代入式（5），得到由圖2得則式（9）可化為式中：K為判定系數(shù)；n為泥漿泵的沖次，min－1；p0為立管壓力，mPa；γ＝ρg，N／m3；hf1為鉆桿內(nèi)沿程水力摩阻，m Pa；hf2為工具底部到海底沿程阻力損失，m Pa。

1．4 套管是否被切斷判斷方法的建立

由于判定系數(shù)K＝q2ρg與排量、流體密度、工具Kv2調(diào)節(jié)閥開度相關(guān)［11］。閥門的開度與工具的割刀張開角θ相關(guān)，排量和流體密度為常量，隨著張開角θ增加，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Kv減小，判定系數(shù)K增大。通過試驗確定臨界判定系數(shù)K0。如果K大于臨界判定系數(shù)K0，則套管被切斷，反之。因此，可以利用判定系數(shù)值的大小判定套管是否被切斷。

2 工程實例

2．1 現(xiàn)場從刀具磨損判斷套管是否切斷分析

海上某井的339．7mm（13英寸）套管切割深度850m，泵沖0～85min－1，鉆具懸重1 040 000 N，下壓力50 000 N，切割時間2．5 h，轉(zhuǎn)矩為7～13 k N·m，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩突然降低現(xiàn)象。起鉆完成，檢查割刀，發(fā)現(xiàn)三幅刀片磨損均十分嚴重，刀尖基本磨圓，刀背上崩齒較嚴重。從刀背上的痕跡來看，距離刀尖30mm的范圍內(nèi)磨損十分嚴重，30～70mm間磨損情況略微輕一點，距離刀尖120mm處有2副刀片上有較明顯的圓弧形劃痕。由刀具情況推斷套管完全割斷的幾率在80%以上。

2．2 本文方法分析

1） 現(xiàn)場地面試驗確定臨界判定系數(shù)K0。地面試驗如圖3左圖，測得工具入口處壓力p1和沖次n的數(shù)據(jù)如表1。臨界判定系數(shù)為K0。

表1 工具入口壓力和沖次

2） 根據(jù)現(xiàn)場測試的立管壓力和沖次，計算判定系數(shù)?，F(xiàn)場切割數(shù)據(jù)如表2。

表2立管壓力和沖次

由表1套管切斷的判定系數(shù)K0在［0．29，0．306］范圍內(nèi)波動，而現(xiàn)場數(shù)據(jù)計算的判定系數(shù)K在［0．146，0．2］范圍內(nèi)波動，由K＜K0判定套管沒有完全被切斷。

3） 現(xiàn)場驗證。現(xiàn)場取出套管如圖3所示，割斷套管切口不整齊，且存在明顯的拉斷痕跡，說明本文方法判斷正確。

圖3 取出套管切口圖片

3 結(jié)語

對于海洋石油棄井作業(yè)，在淺水區(qū)域可以由轉(zhuǎn)矩是否突然變小判斷套管是否被切斷。隨著水深增加，現(xiàn)場無法根據(jù)轉(zhuǎn)矩變化準確判斷套管是否被切斷。本文針對該問題，結(jié)合流體力學(xué)和閥門基本知識提出一種用于深水棄井判定套管是否被切斷的方法，并得到現(xiàn)場驗證，可以用于指導(dǎo)棄井切割套管現(xiàn)場作業(yè)。

［1］ 歐陽鑫，竇玉珍．國際海洋環(huán)境保護法［m］．北京：海洋出版社，1994：23．

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［4］ 馮定，晏健，張紅，等．某海上油井隔水管斷裂原因分析［J］．石油礦場機械，2014，43（2）：33-38．

［5］ Thornton W，Wiseman J．Current trends and future technologies for the decommissioning of offshore platforms．The32ndAnnualOffshoreTechnologyConference ［C］．U SA．

［6］ 趙壽元，李勇，高軍偉，等．水下切割技術(shù)的研究［J］．機械研究與應(yīng)用，2007，20（5）：26-28．

［7］ A n assessment of techniques for rem oving offshore structures［m］．National Academ y Press，W ashington， D C，1996：47-68．

［8］ 季鵬，李亞方，馬魁魁，等．淺談機械水力割刀套管切割技術(shù)［J］，中國石油和化工標準與質(zhì)量，2013（9）：67．

［9］ 李羅鵬．磨料射流切割水下套管技術(shù)研究［D］．東營：中國石油大學(xué)，2010．

［10］ 袁恩熙．工程流體力學(xué)［m］．北京：石油工業(yè)出版社，1986：81-120．

［11］ 孫愛軍，徐英娜，李洪洌，等．注水管柱的受力分析及理論計算［J］．鉆采工藝，2003（5）：55-57．

m ethod for Deep W ell Abandonment Operation to Judge the Cut Casing

F E N G Dinga，b，L U H anbina，b，XIA Chengyua，b，
W A N G Penga，b，QIA N Liqina，b，T U Yiliub，W EI Shizhongb
（a．School ofmechanical Engineering；b．Oil and Gas Drilling and Com pletion Research Center，Yangtze University，Jingzhou434023，China）

In the offshore oil operations，the subsea wellhead systemmust be cut and sent to the ground in the abandoned wells．The cutting technologymainly is used in hydraulicmachinery in the abandoned wells casing dem olition technology at present．A nd in the deep water abandonment operations，judging w hether the casing is cut off is the key to im prove the working efficiency of the abandoned wells．If the casing has not been cut off，the casing can’t be pulled out and even the casing salvage is pulled off．Aiming at this problem，it establishes cutting tools casing cutting simulationmodel using the Bernoulli equation in combination with hydraulic experiment，and judge w hether the casing was cut off according to the flow and riser of wellhead pressure numerical value．The field test proves to be valid，it can be used to guide the w ork．

deep cutting；abandonment operation；casing；method

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．018

2014-11-17

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”（51405032）；國家科技重大專項“深水鉆完井工程技術(shù)”子課題“深水鉆完井及其救援井設(shè)計應(yīng)用技術(shù)”（2011Z X05026-001-04-05）

馮 定（1963-），男，安徽東至人，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，E-mail：fengd0861＠163．com。

2014-11-27

教育部博士點基金項目“海相碳酸鹽巖地層的地層壓力預(yù)測方法研究”（2009422011003）

胡家森（1986-），男，廣西南寧人，碩士，主要從事工程技術(shù)管理工作，E-mail：309189846＠qq．com。