南海超深水井口系統(tǒng)切割回收技術(shù)研究與應(yīng)用

張武輦 ，賈銀鴿 ，劉正禮 ，陳 獎

(1.深圳市遠東石油鉆采工程有限公司，廣東 深圳518067； 2.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳518067)

我國海洋石油勘探開發(fā)正大步邁向深水和超深水區(qū)域，隨之而來的是1 500 m水深以下超深水探井的棄井作業(yè)，特別急需超深水水下井口系統(tǒng)切割回收作業(yè)的工藝技術(shù)[1-4]。該項技術(shù)從裝備到工藝技術(shù)，從深水到超深水，一直以來都被外國作業(yè)公司壟斷[5-7]。

隨著HYSY981平臺在超深水區(qū)域的作業(yè)， 國家科技重大專項“深水鉆完井工程技術(shù)”子課題(2011ZX05026-001-05) “深水外懸掛水下井口系統(tǒng)切割回收技術(shù)研究” 在中海油立項，深圳遠東石油鉆采工程有限公司承擔(dān)該項研究任務(wù)，從工具裝備系統(tǒng)到工藝技術(shù)措施開展了攻關(guān)。 2012年，自主研發(fā)的工具系統(tǒng)應(yīng)用在HYSY981平臺，完成了水深784 m水下井口系統(tǒng)切割回收作業(yè)[8]。接著承擔(dān)了國家“十三五”科技重大專項(2016ZX05028-001-002)，繼續(xù)科研攻關(guān)。2019-08，在藍鯨一號平臺完成了YL8-1-2井1 901 m超深水(切割處位于海平面以下1 942.82 m)的水下井口系統(tǒng)切割回收作業(yè)。

1 超深水水下井口系統(tǒng)切割回收技術(shù)難點

1) 作業(yè)環(huán)境條件是在無隔水導(dǎo)管約束、水下井口系統(tǒng)暴露在近2 000 m水深的空曠的海底中， 把工具系統(tǒng)下入到476.25 mm(18英寸)高壓井口頭內(nèi)，在無導(dǎo)引裝置協(xié)助下下入工具，切割工具易受海流影響而造成偏斜，對正井口下入難度大，需有ROV指引和協(xié)助對中才能把工具下入井內(nèi)[9-10]。

2) 在地面操作水下近2 000 m深的水下切割回收工具，要克服上涌浪下海流的影響，操作外懸掛器離合裝置，很難使卡爪抱住并鎖緊在476.25 mm(18英寸)高壓井口頭上，而在切割中途還需檢查刀具磨損情況，或需要換新刀具下井，都必須解脫離合器，使卡爪松開，經(jīng)伸縮補償系統(tǒng)調(diào)節(jié)，才能上提工具出井口，不易遠距離操控。然而，外懸掛器與井口的鎖緊在整個切割過程中都要保證不會脫開，以確保切割安全性。

3) 換刀后，要保證新下入的刀具刀片張開位置與原切割深度刀尖復(fù)位，BHA(下部鉆柱組合)配長再準確也很難保證這個軌跡的重合，可能形成重開新切口(二次切割)，影響切割效率。 為此，要求割刀片質(zhì)量必須確保至少能一刀割斷508 mm(20英寸)表層套管并可以開窗磨銑出一個開口，不出現(xiàn)在508 mm(20英寸)套管割斷前實施換刀作業(yè)，確保換刀后切割軌跡重合，這對刀片切削刃提出高質(zhì)量要求。

4) 根據(jù)不同的海況條件和井口系統(tǒng)狀況，確定對井口頭延伸管采用提拉切割或者下壓式切割。因此要有拉壓雙向離合器的設(shè)計，而且要保證作業(yè)工具加壓切割時鉆柱不彎的要求，中和點必須落在鉆鋌上，增加了BHA組合的復(fù)雜性。

5) 表層套管與導(dǎo)管外環(huán)空水泥返高情況不同，切割回收難度也不同。因水泥環(huán)造成套(導(dǎo))管割斷還提不起來或超提載荷大(甚至>3 000 kN)。除了對懸掛系統(tǒng)要求高強度外，如果914.4 mm (36英寸)導(dǎo)管和泥線墊板被水泥埋住，即使割斷了也不得不換用高壓井口頭下入工具來完成高拉力達5 000 kN以上的強拔，增加了作業(yè)難度。

6) 超深水水下井口系統(tǒng)高抗彎矩要求導(dǎo)管直徑大，導(dǎo)管和表層套管增加壁厚，一般508 mm(20英寸)表層套管壁厚25.4 mm(1英寸)以上，914.4 mm (36英寸)導(dǎo)管壁厚50.8 mm (2英寸)，材質(zhì)要求高鋼級Χ56以上。高級鋼切割要求切割正壓力要大，對工具強度要求更高，裝備的功率大，動力螺桿功率超過160 kW。

7) 508 mm×914.4 mm (20英寸×36英寸)的井口結(jié)構(gòu)，兩者直徑差406.4 mm(16英寸)，總壁厚達76.2 mm，同時還要開窗磨銑300 mm以上長度，要實現(xiàn)一刀斷2層，難度大。開始只能小角度切割508 mm(20英寸)表層套管，割斷后要繼續(xù)磨銑開窗，使刀片往外擴大角度張開才能接觸到914.4 mm(36英寸)導(dǎo)管，擴大角度達17°，開窗磨銑AB段長度300 mm以上(如圖1)。當?shù)都饨佑|到914.4 mm (36英寸)導(dǎo)管內(nèi)壁開始切割，此時，刀片還必須保持完好的切削刃，才能完成914.4 mm (36英寸)導(dǎo)管厚壁切割，這對刀具質(zhì)量高提出極高的要求。

圖1 切割結(jié)構(gòu)尺寸分析

8) 切割動力選用C7LZ244×7.0型加長型螺桿鉆具(高扭矩低轉(zhuǎn)速)，額定排量42～70 L/s，壓降3.6 MPa，對下部割刀壓降要求控制在1.8～7.0 MPa，滿足這些技術(shù)參數(shù)下，在40～70 r/min轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩可達 22 500～36 000 N·m 。在1.8～7.0 MPa壓降割刀產(chǎn)生負壓，割刀活塞下行壓迫刀桿張開，使刀尖有足夠的切削正壓力(8 000～14 000 N)。割刀壓降形成取決于排量與噴嘴直徑的科學(xué)匹配，是工具系統(tǒng)設(shè)計研究的關(guān)鍵要點之一。匹配不合理，切割力不足，長時間割不斷，或者切割轉(zhuǎn)矩大于螺桿最大輸出轉(zhuǎn)矩，會產(chǎn)生蹩刀，甚至蹩停頂驅(qū)。

9) 因偏心造成割刀對中性差，形成偏斜切割的橢圓切口，可能形成一邊割斷另一邊沒割斷或是形成波浪形切割，而在超深水區(qū)域，鉆井平臺與井口存在一些偏差是很難避免的，或是切割過程平臺的偏移都會給作業(yè)帶來風(fēng)險和困難[11]。

10) 不可避免的振動將給螺桿和伸縮短節(jié)造成失效而無法作業(yè)。螺桿的振動與鉆井泵的大排量和泵沖的壓力波動直接相關(guān)。一旦刀片在不均勻的斷口因卡頓而被卡住，將使螺桿泵壓升高，甚至憋穿螺桿本身的密封線，螺桿失速不轉(zhuǎn)動，又不能及時卸載降壓，螺桿極易報廢。振動產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力會造成伸縮節(jié)內(nèi)軸斷裂。大排量大功率動力螺桿要消除工具振動難度很大，必須在技術(shù)措施制定和實際作業(yè)中去調(diào)整。

2 切割回收工具組合及主要參數(shù)

切割鉆具從下至上組合為：203.2 mm(8英寸)導(dǎo)引頭+444.5 mm(17英寸)非旋轉(zhuǎn)扶正器+C13水力割刀(安裝C13-8-48三刀片和活塞噴嘴)+241.3 mm(9英寸)伸縮短節(jié)+外懸掛螺桿動力總成+203.2 mm(8英寸)鉆鋌4柱+149.23 mm(5英寸)加重鉆桿4柱+149.23 mm(5英寸)鉆桿，再接頂驅(qū)或方鉆桿，如圖2所示。

圖2 切割鉆具組合

圖3 外懸掛螺桿動力水下井口系統(tǒng)切割回收工具

系統(tǒng)主要參數(shù)：

外懸掛器總成

外徑

卡爪抗拉力

≥1 000 kN

心軸抗拉力

≥2 500 kN

動力螺桿

型號

C7LZ244×7.0

排量

42～70 L/s

轉(zhuǎn)速

40～70 r/min

輸出轉(zhuǎn)矩

22.5～36 kN·m

輸出功率

94～165 kW

系統(tǒng)額定壓力

≥20 MPa

可拉壓切割/伸縮距

>0.3 m

作業(yè)水深

2 000 m

3 作業(yè)參數(shù)匹配研究

3.1 水力系統(tǒng)匹配要求

外懸掛動力切割回收水下井口系統(tǒng)是以泵的水功率驅(qū)動螺桿馬達旋轉(zhuǎn)，帶動水力割刀進行切割，同時活塞下行推動刀片張開，刀尖頂住套管內(nèi)壁并給予一定正壓力，形成對套(導(dǎo))管的旋轉(zhuǎn)切割，要保證螺桿馬達的正常運轉(zhuǎn)和功率輸出，必須同時滿足以下4個條件：

1) 排量要滿足切割過程中切屑及時清洗和排出，及對刀片的冷卻要求。

2) 外懸掛總成配置C7LZ244×7.0型加長螺桿，要求工作排量在42～70 L/s。

3) 在排量42～70 L/s，選擇水力割刀(圖3中的割刀體)噴嘴直徑，使該排量流經(jīng)選配噴嘴形成的壓降在1.8～7.0 MPa；而且該壓降驅(qū)使活塞下行，壓迫刀片張開，切割管壁刀尖的正壓力在8 000～14 000 N，太小或太大都將使馬達不能正常工作。

4) 對應(yīng)選定排量值，整個切割系統(tǒng)產(chǎn)生的總壓降(包括：地面管匯壓降，切割管柱內(nèi)壓降，螺桿馬達壓降，水力割刀壓降的總和)必須小于泥漿泵對應(yīng)排量下安全壓力值，以保證泵作業(yè)的安全。

C7LZ244×7.0型螺桿馬達組成的外懸掛動力總成，配套C13水力割刀，用203.2 mm(8英寸)鉆鋌+149.23 mm(5英寸)加重鉆桿+149.23 mm(5英寸)鉆桿送入。配置?25～?28 mm噴嘴，正常切割條件下，達到65～70 L/s排量對應(yīng)的壓降不會超過18 MPa，即使在近2 000 m超深水切割914.4 mm(36英寸)導(dǎo)管，總壓降也在20～22 MPa。對深水平臺配置3臺F1600型泥漿泵，配?158.8 mm缸套，2臺泵額定排量可達70 L/s, 允許泵壓可達29.6 MPa，保證安全作業(yè)要求。

3.2 切削力分析

水力割刀切割套(導(dǎo))管過程是切削和磨削的混合過程，參考切割幾何模型切削力和磨削力的經(jīng)驗公式，綜合分析切割主要影響因素有：切割速度、給進量、切割深度、刀片張開直徑和張開角度等[12-13]，這些因素與切削力都成冪指數(shù)關(guān)系，割刀切割數(shù)學(xué)模型為：

Fc=C·[v]b1·[f]b2·[ac]b3·[ds]b4·[α]b5

(1)

式中：Fc為切削力，N；C為修正系數(shù)；v為切割速度，m/s；f為進給量，mm/min；ac為切割深度，mm；ds為刀片張開直徑，mm；α為刀片張開角度，rad；b1、b2、b3、b4、b5為分別為v、f、ac、ds、α對應(yīng)的影響指數(shù)。

根據(jù)實際切割數(shù)據(jù)綜合分析，對上述數(shù)學(xué)模型方程回歸，進行系數(shù)求解，得到混合切割508 mm(20英寸)套管和914 mm(36英寸)導(dǎo)管計算式。

1) 用于508 mm(20英寸)表層套管切割與開窗階段的切削力

(2)

2) 用于914 mm(36英寸)導(dǎo)管切割階段的切削力：

(3)

由(2)～(3)可以看出，切割508 mm(20英寸)套管是單純的切削和磨削綜合過程，而切割914 mm(36英寸)導(dǎo)管時，除了切割導(dǎo)管的切削磨削力之外，同時刀桿還要對508 mm(20英寸)套管斷口的繼續(xù)磨銑切削，加上刀尖的磨鈍加厚，切削力必須大于切割508 mm(20英寸)套管，此時，應(yīng)減小給進量和切割深度,而且要有更大的切削力，切割轉(zhuǎn)矩和所需螺桿功率也隨之變化。

3.3 作業(yè)參數(shù)配置

根據(jù)上述配置要求、切削功率、切割系統(tǒng)幾何尺寸配置，經(jīng)過計算比配，形成了4套參數(shù)配置，如表1，以指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。

1) 工具組裝?25 mm噴嘴。當?shù)捅脡焊畛鰟澓垡院螅R上以42 L/s的排量在9 000 N 正壓力切割508 mm(20英寸)表層套管，割斷后用排量42～46 L/s開窗切割508 mm(20英寸)管，使刀片張開，當?shù)都獾肿?14.4 mm (36英寸)導(dǎo)管，切割3 min后，即可提高排量至50 L/s繼續(xù)切割，后期可以加大排量到55 L/s割斷大導(dǎo)管。

2) 工具組裝?26 mm噴嘴。42 L/s排量對應(yīng)的正常切割力小了一些，劃痕后應(yīng)立即提高排量到45～55 L/s切割508 mm(20英寸)表層套管并開窗磨削，張開割刀后用排量55 L/s切割914.4 mm (36英寸)導(dǎo)管，后期加大到58 L/s即可。

表1 作業(yè)參數(shù)配置

3) 工具組裝?27 mm噴嘴，以流量46～55 L/s割508 mm(20英寸)表層套管并開窗，以流量55～65 L/s割914.4 mm (36英寸)導(dǎo)管，后期加大到64 L/s。

4) 工具組裝?28 mm噴嘴，以流量50～60 L/s割508 mm(20英寸)表層套管并開窗，以流量55～60 L/s割914.4 mm (36英寸)導(dǎo)管，后期可短期到70 L/s。排量大時特別要防止螺桿強烈振動。

綜合分析，?26 mm噴嘴配置好，?25 mm、?27 mm次之。?28 mm差，最好不選擇該配置。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 基本資料

平臺名

藍鯨一號

井號

YL8-1-2

水深

1 901 m

切割處井深

1 942.82 m

割刀型號

C13-4-48

噴嘴直徑

?26 mm

井口結(jié)構(gòu)

508 mm套管×914.4 mm導(dǎo)管

壁厚

均為50.8 mm (2英寸)

鋼級

X56

4.2 地面試刀

地面試刀的參數(shù)[14]如表2。試驗情況如圖4。

表2 地面試刀參數(shù)

圖4 動力切割地面試刀

4.3 現(xiàn)場作業(yè)

1) 卡爪卡住井口頭后，超提力200 kN，鎖緊井口頭后將懸重降至上提力100 kN，實施提拉式切割。

2) 緩慢開泵，以16 L/s小排量張開割刀，刀尖劃痕3～5 min,將排量逐步增加到43 L/s,使刀尖正壓力達8 000 N，切割508 mm(20英寸)表層套管。30 min后增大排量到50 L/s，再割30 min，將排量增大到55 L/s，2 h左右割斷508 mm(20英寸)表層套管(如圖5)。進入正常切割后，排量的變化為43-50-55 L/s，泵壓變化為8.3-11.2-13.5 MPa,刀尖正壓力8 750～13 560 N，噴嘴壓降3.74～6.12 MPa，完全符合螺桿特性和作業(yè)要求。

圖5 508 mm( 20英寸)套管割斷

3) 保持55 L/s 排量，開窗磨銑508 mm(20英寸)套管斷口， 長約300 mm，使刀片增大張開角度，直到三刀尖頂住914.4 mm (36英寸)導(dǎo)管，準備開始切割導(dǎo)管，這段磨銑時間約5.5 h。

4) 在流量50～60 L/s下切割914.4 mm導(dǎo)管，泵壓11.2～16.97 MPa(1 620～2 460 psi)，刀尖正壓力10 240～13 560 N，用時3.5 h割斷導(dǎo)管。

5) 總共用時11 h，一趟鉆安全高效完成508 mm×914.4 mm(20英寸×36英寸)超深水水下井口切割作業(yè)。此時，超提懸重降低至50 kN左右，證實割斷(如圖6)。

圖6 914.4 mm(36英寸)導(dǎo)管割斷

6) 安全起出水下井口系統(tǒng)到甲板上，并坐在轉(zhuǎn)盤上(如圖7)，解鎖外懸掛器卡爪，取出切割工具，完成回收作業(yè)[15]。從斷口平整可見，切割時割刀對中性很好，達到平穩(wěn)切割，振動小，圓周切割而非波浪、非偏斜橢圓切割，實現(xiàn)了高效切割(如圖8)。

圖7 上平臺解鎖

圖8 套管切割斷口

5 結(jié)語

1) 分析了超深水水下井口系統(tǒng)切割回收技術(shù)難點，為工具系統(tǒng)研發(fā)和相關(guān)工藝技術(shù)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

2) 介紹了國產(chǎn)化的外懸掛螺桿動力水下井口系統(tǒng)切割回收工具組合，利用各切割管段切削力數(shù)學(xué)模型求解切削力，結(jié)合割刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算出切割轉(zhuǎn)矩，得出動力螺桿需輸出的功率，做為配套螺桿研制和工具系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。

3) 編制了動力工具系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)配置表，根據(jù)技術(shù)措施科學(xué)選配割刀噴嘴直徑和排量的合理組配。推薦該系統(tǒng)中?26 mm噴嘴，配合排量不超過60 L/s，可以使動力螺桿平穩(wěn)切割而不發(fā)生振動，即達到清除切屑，又滿足切割刀尖正壓力要求，是一組優(yōu)選組合。

4) 超深水水下井口系統(tǒng)切割回收技術(shù)在 YL8-1-2井成功應(yīng)用，在水深1 901 m僅用11 h完成了508 mm×914.4 mm (20英寸×36英寸)超深水水下井口的切割，切割處井深1 942.82 m，并順利回收。表明國產(chǎn)化的切割回收工具系統(tǒng)完全可以滿足2 000 m水深級安全高效棄井作業(yè)要求。