機(jī)械式水力割刀在海洋棄井中的應(yīng)用

李國(guó)林，黃開展*，劉薇，吳剛，馮殿閣，李文(.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司，廣東 湛江 54057；.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 54057)

1 切割工具分類

1.1 常見的套管切割技術(shù)

現(xiàn)階段海洋石油棄井作業(yè)水下套管切割技術(shù)發(fā)展多種多樣，主要包括聚能切割、化學(xué)切割、磨料水射流切割技術(shù)和機(jī)械切割[1-5]。常用的切割工具主要有切割彈切割、高聚能鎂粉火炬切割系列工具(RCT)、水力自旋式可控磨料射流切割裝置和ND-S型水力式內(nèi)割刀切割工具[6-8]。在棄井作業(yè)中，我們要根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境、作業(yè)要求和費(fèi)用把控選用合適的切割技術(shù)和工具，這樣才能提高切割效率和效果，進(jìn)一步達(dá)到降本增效的目的。

1.2 切割工具分類

切割彈切割是屬于熱切割的一種，根據(jù)射孔彈聚焦原理，使炸藥爆炸產(chǎn)生金屬射流，切割油套管。優(yōu)點(diǎn)是組裝容易、操作簡(jiǎn)單并且價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是由于聚能爆炸，切割處呈現(xiàn)喇叭口現(xiàn)狀，影響后續(xù)的打撈作業(yè)，另外切割后，爆炸產(chǎn)生的碎屑容易堵塞管柱。

高聚能鎂粉火炬切割系列工具(RCT)是采用非爆炸品和非化學(xué)品進(jìn)行七切割的工具，它主要利用混合氧化物升溫噴射進(jìn)行切割。在地面安裝好工具串組合，用電纜下放至預(yù)定深度，通過(guò)電纜傳輸電流到熱發(fā)生器，導(dǎo)致熱發(fā)生器內(nèi)部混合粉末燃燒，產(chǎn)能聚能，形成高溫高壓的等離子流，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的噴嘴通道，噴射到被切割管柱內(nèi)壁，高溫高壓的等離子流像噴砂效果一樣，對(duì)管柱內(nèi)壁進(jìn)行沖蝕，進(jìn)而對(duì)管柱進(jìn)行切割。RCT切割技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)捷，安全性高，不受作業(yè)深度限制，被切割管柱無(wú)膨脹、無(wú)燃燒，不會(huì)對(duì)外層或鄰近管柱造成損壞。

磨料水射流技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展很迅速的一種新型技術(shù)，其原理是將一定粒度的磨料粒子(石英砂、石榴石和碳化硅等)混合到高壓水射流當(dāng)中，利用高速磨料顆粒的硬度和動(dòng)能沖蝕材料表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的切割[9]?？焖龠\(yùn)動(dòng)的磨料水射流具有極大的動(dòng)能，當(dāng)它接觸到被切割的材料時(shí)，磨料水射流的動(dòng)能瞬間就會(huì)為被切割材料吸收，具體表現(xiàn)為：第一是磨粒和水滴對(duì)被切割材料的沖擊作用；第二是磨粒和水滴沿被切割材料表面的剪切破斷作用(即切削作用)；第三是磨料水射流中的氣體對(duì)被切割材料的侵蝕作用。在以上三點(diǎn)的共同作用下，被切割材料破碎形成割縫，達(dá)到切割分離的目的[10-11]。

機(jī)械式水力內(nèi)割刀切割相比爆炸切割和化學(xué)切割，安全性能和經(jīng)濟(jì)性都更高，因此在更換回收防砂管柱和棄井等大修作業(yè)中，機(jī)械式水力內(nèi)割刀的應(yīng)用更為掛廣泛，該技術(shù)有助于降低大修作業(yè)難度，降低作業(yè)成本[12]。

目前使用的水力割刀普遍為ND-S型水力割刀，其刀體分為七種[13]，如表1所示。本文主要介紹ND-S型水力割刀切割技術(shù)。

表1 ND-S型水力割刀型號(hào)

2 水力割刀技術(shù)研究

2.1 ND-S型水力割刀結(jié)構(gòu)組成

ND-S型水力式內(nèi)割刀是一種內(nèi)切割工具，利用水馬力來(lái)推動(dòng)割刀進(jìn)行管內(nèi)切割的工具，在切割多層非同心套管時(shí)，能承受劇烈的震動(dòng)。ND-S型水力式內(nèi)割刀主要由以下部件組成：上接頭、活塞、彈簧、本體、活塞管體、噴嘴、銷軸、刀臂及引鞋等，如圖1所示。

圖1 ND-S型水力式內(nèi)割刀結(jié)構(gòu)組成

2.2 ND-S型水力割刀工作原理

當(dāng)割刀下入到預(yù)定切割位置時(shí)，開泵循環(huán)，泥漿泵將高壓液體(鉆井液或海水)泵入水力割刀體內(nèi)，高壓液體流經(jīng)割刀內(nèi)指示器內(nèi)部噴嘴，上下形成明顯的壓力差，調(diào)節(jié)泵壓形成足夠大的壓力差，當(dāng)壓差達(dá)到活塞下行的固定值，活塞壓縮彈簧使活塞桿下行，從而活塞桿下端推動(dòng)刀片，三個(gè)割刀片繞根部銷釘向外張開與套管內(nèi)壁接觸，張開的三個(gè)割刀片隨同切割鉆具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，三個(gè)割刀片周向同時(shí)切割套管，直到將套管割斷。

2.3 割刀尺寸選擇和管柱組合

(1)切割9-5/8″套管：8-1/8″水力割刀(刀片C9-8-23)+變扣(411*310)+3-1/2″短鉆桿+3-1/2″鉆桿。

(2)切割13-3/8″套管：11-3/4″水力割刀(刀片C13-8-19)+變扣(411*310)變扣(411*310)+3-1/2″短鉆桿+3-1/2″鉆桿。

(3)切割20″套管/30″隔水套管：11-3/4″水力割刀(刀片C13-8-53)變扣(611*410)+扶正器(降低晃動(dòng)幅度)。

刀片參數(shù)代表意義：最小切割套管尺寸+鋼級(jí)+長(zhǎng)度，其中常見有(刀片C13-8-23，13-3/8″)(刀片C13-8-36，20″-24″)(刀片C13-8-52，30″-36″)(刀片C9-8-33，13-3/8″)。

棄井作業(yè)中涉及到9-5/8″、13-3/8″、20″和30″套管切割，因此在管柱組合中要清楚切割套管對(duì)應(yīng)的水力割刀型號(hào)，開泵后刀片撐開后的長(zhǎng)度，以及水力割刀工作中的相關(guān)參數(shù)。

2.4 ND-S型水力割刀操作方法

(1)下井前測(cè)試：連接正循環(huán)管線，開泵循環(huán)，觀察刀片是否正常張開，測(cè)量刀片張開長(zhǎng)度以及記錄排量和泵壓；測(cè)試目的：①測(cè)試刀片張開的排量、泵壓；②觀察刀片能否正常張開，測(cè)量刀片張開長(zhǎng)度；③觀察停泵后刀片能否正常收回。

(2)將割刀工具串下到預(yù)定井深，空轉(zhuǎn)割刀，開泵循環(huán)，記下空轉(zhuǎn)扭矩。逐漸加大排量，使活塞上、下產(chǎn)生2～3 MPa 的壓力差，用水力自動(dòng)進(jìn)刀切割，直至割斷套管。當(dāng)扭矩值復(fù)原(即無(wú)反扭矩出現(xiàn))，表明切割完成。

(3)停泵，停止轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具，使割刀恢復(fù)初始狀態(tài)。應(yīng)先緩慢上提30～50 mm，再將割刀起出井外。

2.5 切割判斷方法

(1)直接判斷法：通過(guò)泵壓和扭矩變化，剛下入割刀至預(yù)定位置并開始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)為空轉(zhuǎn)扭矩，當(dāng)割刀開始接觸套管內(nèi)壁時(shí)，扭矩開始增大，并出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象；隨著切割的進(jìn)行，當(dāng)套管剛被切割時(shí)，此時(shí)扭矩會(huì)突然增大，并出現(xiàn)明顯波動(dòng)，泵壓隨之下降，并且外層套管環(huán)空有泥漿返出；最后套管被完全切割時(shí)，泵壓和扭矩恢復(fù)正常，小于初始切割扭矩和泵壓，此時(shí)應(yīng)保持此狀態(tài)繼續(xù)切割一段時(shí)間，以保證套管被完全切開。

(2)輔助判斷法：當(dāng)切割完成后，起出割刀并觀察刀片磨損程度，若刀背和刀腹部均有明顯的磨損痕跡(如圖2所示，由于不斷點(diǎn)放管柱，刀片伸出套管壁，并在刀背和刀腹留下摩擦齒痕)，則表明該套管被切開。

圖2 割刀明顯磨損痕跡

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

南海西部某棄井平臺(tái)采用的機(jī)械式水力式割刀，該平臺(tái)廢棄井套管基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 南海西部某棄井平臺(tái)生產(chǎn)井套管數(shù)據(jù)

3.1 第一次切割作業(yè)

(1)作業(yè)目的：切割回收9-5/8″套管。

(2)切割工具選擇：8-1/8″單管割刀，刀片型號(hào)C9-8-23，切割工具串為8-1/8″水力割刀+變扣(411*310)+3-1/2″短鉆桿+3-1/2″鉆桿。

(3)切割過(guò)程參數(shù)變化：首先在割刀入井前進(jìn)行功能測(cè)試，排量達(dá)到20 m3/h，泵壓0.3 MPa時(shí)，刀片完全張開，測(cè)試合格，開始下入切割工具串至預(yù)定深度418 m，測(cè)管柱懸重：上提11 t，下放10 t，測(cè)轉(zhuǎn)盤空轉(zhuǎn)扭矩1 kN·m，轉(zhuǎn)速40 r/min；開泵并逐級(jí)提高排量至33 m3/h泵壓3.7 MPa，扭矩3～8 kN·m轉(zhuǎn)速40 r/min，持續(xù)切割45 min，泵壓降至1.5 MPa，扭矩降至1～2 kN·m，觀察13-3/8″套管環(huán)空有油基泥漿返出，繼續(xù)切割10 min，停泵、停轉(zhuǎn)盤。

起出割刀工具串后，觀察單管割刀刀尖磨損嚴(yán)重，如圖3(a)所示，加上扭矩變化和環(huán)空返出，初步判斷9-5/8″套管已被割開，開始打撈回收套管，確認(rèn)切割深度417.905 m，觀察割口平穩(wěn)，如圖3(b)所示。

圖3 割刀磨損情況和9-5/8″套口割口

3.2 第二次切割作業(yè)

(1)作業(yè)目的：切割回收13-3/8″套管。

(2)切割工具選擇：11-3/4″水力割刀(刀片C13-8-19)+變扣(411*310)變扣(411*310)+3-1/2″短鉆桿+3-1/2″鉆桿。

(3)切割過(guò)程參數(shù)變化：水力割刀功能測(cè)試，排量達(dá)到20 m3/h、泵壓0.3 MPa時(shí)，刀片完全張開，測(cè)試合格，下切割管柱至87 m。切割管柱懸重上提5 t，下放5 t，開泵逐漸提高排量至30 m3/h泵壓6.1 MPa，3～7 kN·m@45 r/min，切割13-3/8″套管，持續(xù)切割4 h，懸重增加1 t，觀察13-3/8″套管有明顯轉(zhuǎn)動(dòng)，判斷套管切開，停泵、停轉(zhuǎn)盤。

起出割刀工具，觀察刀片腹部磨損明顯，如圖4(a)所示，13-3/8″套管割口平整規(guī)則，如圖4(b)所示。

圖4 割刀磨損情況和13-3/8″套口割口

3.3 兩次切割的異同

(1)相同點(diǎn)：兩次切割過(guò)程中均有明顯的扭矩波動(dòng)然后下降的過(guò)程，泵壓下降，觀察扭矩和泵壓兩個(gè)參數(shù)的變化可以初步判斷切割是否成功。

(2)不同點(diǎn)：①割刀不同：第一次切割作業(yè)使用單管割刀；②判斷方式不同：第一次切割作業(yè)觀察扭矩和泵壓下降，并且外層套管環(huán)空有返出，第二次切割作業(yè)除了扭矩和泵壓下降，還觀察到懸重增加，套管明顯轉(zhuǎn)動(dòng)，表明套管完全被切開并有壓刀現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)套管切割技術(shù)是海洋棄井中的關(guān)鍵，目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展多種先進(jìn)的切割技術(shù)，作業(yè)人員需根據(jù)作業(yè)環(huán)境和要求選用合適的切割工具。

(2)本文主要介紹ND-S型水力割刀切割工具結(jié)構(gòu)組成和工作原理，另外要根據(jù)被切割套管選取合適的割刀尺寸和管柱組合。

(3) ND-S型水力割刀切割操作時(shí)，注意首先進(jìn)行地面功能測(cè)試，記錄刀片完全張開時(shí)的扭矩和泵壓，固定好刀片后注意緩慢下至預(yù)定位置，并測(cè)空轉(zhuǎn)扭矩，開始用小排量低泵壓切割，待切割穩(wěn)定后逐級(jí)提高排量和泵壓，直至割斷套管。

(4)切割成功的判斷方法主要有：扭矩和泵壓下降；液面下降，外層套管環(huán)空有返出液；懸重增加，套管明顯轉(zhuǎn)動(dòng)；刀片背部和腹部有明顯的磨痕；套管切割時(shí)需多種方法綜合判斷切割是否成功。