泥線下多層套管切割技術研究及適用性優(yōu)選

賈宗文，耿亞楠，幸雪松，劉兆年

（中海油研究總院有限責任公司，北京100028）①

根據(jù)國內(nèi)海上油氣井棄置行業(yè)標準［1］及中海油企業(yè)標準［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深于海底泥面4 m，這就意味著棄井過程中需要在泥線以下進行套管切割作業(yè)。根據(jù)目前海上油氣井的井身結構情況，棄井過程中需要由內(nèi)而外對生產(chǎn)套管或技術套管至隔水導管進行逐層切割，且大部分井表層套管及技術套管固井水泥塞均返泥面或井口，意味著需要泥線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難題。

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

1 常用多層套管切割技術

1.1 磨料射流切割工具

1.1.1 切割原理及結構

磨料射流是在水射流基礎上混入石英砂、陶粒等質(zhì)地堅硬的固體顆粒［5-7］，通過高壓泵組形成高壓射流，切割原理是磨料射流通過噴嘴加速后沖擊到被切割物表面，實現(xiàn)高速沖蝕切割；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914.4 mm）沿周向割斷，噴嘴射流速度可達600～700 m／s（可調(diào)節(jié)泵壓、排量等），滿足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)點如下：

1） 不受多層套管偏心限制［8］及復雜切割環(huán)境的影響。

2） 切割速度快，切割頭轉(zhuǎn)動一周即可完成切割。陸地試驗6～7 h完成4層偏心帶水泥塞套管（最外層914.4 mm 導管）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） 切割振動小、噪音低、無污染，無需動火作業(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，割口平整無棱刺。

6） 噴嘴型號可更換，可遠程操控切割各種復雜形狀。

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、空氣壓縮機組、絞車、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個標準切割頭，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 切割位置處反復刮管至返出干凈），保證切割位置及井筒內(nèi)壁無水泥、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)，開泵測試清洗管線并打壓至工作壓力，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） 開泵起壓至工作壓力穩(wěn)定，開啟混料單元，調(diào)整砂比，混沙并加砂切割。

7） 液壓驅(qū)動切割頭旋轉(zhuǎn)，通過控制系統(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空間，且在作業(yè)前設備安裝、連接及調(diào)試，占用較長的準備時間，但當棄置的井數(shù)較多時，平均到單井的準備時間明顯降低。

1.2 水力割刀切割

1.2.1 切割原理及結構

水力割刀是利用水馬力來推動割刀進行管內(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)，通過內(nèi)部活塞推動割刀片向外張開與套管內(nèi)壁接觸，上部鉆具帶動割刀旋轉(zhuǎn)切割套管。主要優(yōu)點如下：

1） 價格便宜，成本低。

2） 工具系統(tǒng)簡單，不需額外的配套設備，不需占用平臺面積，作業(yè)風險低。

3） 資源豐富，動復員速度快。

圖3 水力割刀工具

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

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。檢查刀片張開角度，切割范圍和刀片張開收縮靈活性，然后用細鐵絲將刀片固定好。

4） 下鉆到位前，測上提下放懸重，正向空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；到達預定切割位置后，緩慢開泵至轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定時，開始切割套管；期間嚴密監(jiān)測轉(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，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 切割性能對比

2.1 切割效率對比

純切割時間方面，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)。從應用實例來看，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 切割機具切割效率對比

2.2 割口效果對比

磨料射流工具一次即可完成切割作業(yè)，割口平整，切割完成后套管無需額外修整及通井，可直接開展下一步作業(yè)，如圖4；水力割刀需多次切割才能實現(xiàn)，割口呈現(xiàn)鋸齒狀，多次切割會導致割口棱刺或變形，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)濟性對比

目前海上水力割刀工具及配套服務根據(jù)套管切割層數(shù)計費，切割層數(shù)越多，費用越高；磨料射流配套服務按時間（天數(shù)）計費，服務時間越長，費用越高。兩種切割技術經(jīng)濟性對比關系式為：

式中：Vh為水力割刀服務費用，與套管層數(shù)有關，萬元；n為需要的割刀數(shù)量；Vhd為水力割刀工具動復員費，萬元；Vhs為水力割刀配套服務費（含人員服務及套銑打撈服務等），萬元／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日費，萬元／d；Vjd為磨料射流配套工具動復員費，萬元；Vjs為磨料射流人員服務費，萬元／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)）。

結合兩種工具切割效率，根據(jù)上述對比關系式，當切割層數(shù)＜3且最外層導管尺寸≤609.6 mm 時，均可在1～2 d內(nèi)完成切割，使用水力割刀工具經(jīng)濟性更好；當切割層數(shù)≥3 層或最外層導管尺寸＞609.6 mm 時，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)濟性更好。

2.4 適用性分析

通過切割工具的切割效果、切割效率及經(jīng)濟性分析，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 多層套管切割技術優(yōu)選原則

3 現(xiàn)場應用

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 技術套管+508 mm 表 層 套 管+762 mm 隔 水 導 管、244.5 mm技術套管+339.7 mm 表層套管+762 mm 隔水導管及244.5 mm 技術套管+339.7 mm 表層套管+609.6 mm 隔水導管，且技術套管和表層套管外的水泥均返至泥線以上，棄井過程面臨多層帶水泥環(huán)套管的切割問題。

國內(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)驗少，為優(yōu)選切割技術，針對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。兩種技術的應用效果如表2～3。

現(xiàn)場應用實踐證明，當套管切割層數(shù)較多（≥3層）時純切割時間，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)，從應用實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，考慮套銑、打撈等輔助作業(yè)情況下，費用超過磨料射流工具切割費用約數(shù)十萬元，對3層及以上多層套管切割，水力割刀無價格優(yōu)勢；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現(xiàn)，割口不規(guī)則。

表2 磨料射流切割技術應用情況

表3 水力割刀切割技術應用情況

4 結論

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

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

3） 針對兩種技術分別開展了3層帶水泥環(huán)套管切割應用，結果表明3層以上套管整體切割，磨料射流的適用性更好，驗證了兩種切割技術的適用性。