多層套管切割技術(shù)及套管偏心影響分析

李國林, 黃開展*, 劉薇, 吳剛, 馮殿閣

(1.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 524057；2.中海石油 (中國) 有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524057)

0 引言

現(xiàn)階段國內(nèi)外對多層套管尤其帶水泥環(huán)的偏心套管切割技術(shù)研究較少，目前的研究主要集中在單層套管的切割技術(shù)。單層套管切割技術(shù)難度低，可選擇性較多，常見的技術(shù)主要包括聚能切割、化學(xué)切割、磨料水射流切割技術(shù)和機械切割技術(shù)[1-3]。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。目前機械式水力割刀切割技術(shù)因其經(jīng)濟便捷性被應(yīng)用較多。文章主要介紹機械式水力割刀在多層套管切割時的應(yīng)用及技術(shù)分析。

1 水力割刀簡介

目前我們使用的水力割刀普遍為ND-S型水力割刀，其刀體分為七種。

1.1 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，利用水馬力來推動割刀進行管內(nèi)切割的工具，在切割多層非同心套管時，能承受劇烈的震動。

1.2 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，開泵循環(huán)，泥漿泵將高壓液體（鉆井液或海水）泵入水力割刀內(nèi)部，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刀片，三個割刀片繞根部銷釘向外張開與套管內(nèi)壁接觸，張開的三個割刀片隨同切割鉆具順時針旋轉(zhuǎn)，三個割刀片周向同時切割套管，直到將套管割斷。

2 多層偏心套管切割

2.1 割刀選擇

在套管切割作業(yè)中，割刀的選擇至關(guān)重要，合適的割刀可以更快速有效地割開套管，反之如果割刀不匹配將影響套管切割的效率，甚至造成井下事故的發(fā)生。因此我們在套管切割作業(yè)時要根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境和要求選擇合適的割刀。

2.2 套管偏心對切割的影響

2.2.1 套管偏心模型

多層套管切割，由于割刀本體和最內(nèi)層套管內(nèi)徑差距較小，故割刀工具偏心概率不大，更多的是外層套管相對內(nèi)層套管的偏心情況。我們建立多層套管切割模型如圖1所示，割刀工具中軸線和內(nèi)層套管軸線重合，外層套管存在偏心情況。

圖1 多層偏心套管切割模型

由于割刀工具是從內(nèi)層套管下入至預(yù)定位置，割刀工具與內(nèi)層套管的軸線重合，內(nèi)層套管的割口呈現(xiàn)水平面，不存在軸向偏差。由于外層套管存在偏心情況，割刀伸入外層套管的尺寸隨著割刀的旋轉(zhuǎn)而周期往復(fù)地變化，外層套管的割口會存在軸向偏差，并且割口的偏差長度隨著內(nèi)外層套管間水平距離的增大而增大，整個割口呈現(xiàn)平整的傾斜面。外層套管的軸向偏差為：

式中：R為外層套管半徑；r為內(nèi)層套管半徑；a為割刀本體的半徑，2a也就是割刀頂點的水平距離；l為割刀的長度；hmax為外層套管割口與割刀頂部最大垂向距離；hmin為外層套管割口與割刀頂部最小垂向距離；lmax為內(nèi)外層套管最大水平距離,lmax= R + e?a；lmin為內(nèi)外層套管間最小水平距離，lmin= R ?e ?a；lmax?lmin= 2e，e為內(nèi)外層套管的偏心距。

2.2.2 套管偏心對刀片磨損長度的影響

根據(jù)前人對水力割刀技術(shù)研究的經(jīng)驗，現(xiàn)場作業(yè)人員往往會通過割刀刀片磨損長度來輔助判斷套管是否被割開。但是在套管偏心情況下，割刀刀片伸入套管各個方向的長度不一樣，通過刀片磨損長度判斷套管割開這種方法就會變得不準(zhǔn)確，因此我們建立極限偏心情況下的刀片磨損長度的數(shù)學(xué)模型，在套管極限偏心情況下，刀片的磨損長度l磨為：

由于此計算模型可以看出刀片的磨損長度隨著內(nèi)外層套管偏心距的增大而增大，l磨是在套管極限偏心情況下的切割最外層套管的最小刀片磨損長度，因此如果刀片磨損長度大于l磨，我們可以認(rèn)為套管被割開了。

2.3 套管切割過程中扭矩的變化

水力割刀切割過程中，我們需時刻關(guān)注扭矩、轉(zhuǎn)速、懸重和泵壓等參數(shù)的變化，用來判斷切割是否成功。

對于單層套管的切割，扭矩的變化可以比較準(zhǔn)確地反映切割的過程，割刀空轉(zhuǎn)時扭矩平穩(wěn)且較小，當(dāng)割刀伸展接觸套管內(nèi)壁時扭矩會突然的上升并且會有一個大的波動，隨著切割的進行，扭矩波動逐漸平穩(wěn)，當(dāng)套管被割開時，扭矩有一個明顯的突降，如圖2所示，此時可以明顯地判斷套管被切開。

圖2 南海西部某油田棄井平臺套管切割扭矩變化曲線

對于多層套管的切割，為了提高切割效率，我們一般對內(nèi)層套管進行鍛銑開窗，以保證刀片可以伸開足夠的長度保持一定的切削力。切割初期，泵壓不能太高，防止刀片的合金齒崩壞切削力下降，在刀片張開接觸到環(huán)空水泥環(huán)（如圖3①所示），扭矩會有一個較大的幅度隨后慢慢平穩(wěn)，此時扭矩較小；切割中期，刀片繼續(xù)張開并接觸外層套管內(nèi)壁（如圖3②所示），此時扭矩增大且波動幅度變大，隨著切割進行，套管偏心一層逐漸被切開（如圖3③所示），扭矩波動幅度減小并且環(huán)空開始無返出；切割后期，隨著刀片進一步伸展，扭矩逐漸增大。切割偏心工況多層套管時，在切割初期，扭矩的變化幅度較大，隨著切割的進行，扭矩變化幅度逐漸減小，最后趨于平緩，總體上扭矩逐漸增大，因此可以通過扭矩的變化來判斷切割的過程。在切割多層套管時，由于偏心工況和水泥返高存在水泥環(huán)等復(fù)雜情況，因此僅以切割過程中扭矩的變化判斷切割是否成功就變得比較困難。現(xiàn)場工程師需要根據(jù)懸重泵壓以及多種因素綜合判斷套管是否切割成功。套管切割成功兩個最明顯的標(biāo)志：一是套管與鉆具環(huán)空無返出或液面下降；二是起出刀片觀察刀片的磨損長度滿足極限偏心下套管切開的最小磨損長度。

圖3 切割過程示意圖

3 現(xiàn)場案例分析

南海西部某井棄置過程中，切割13-3/8″和30″帶水泥環(huán)套管，存在偏心情況，為防止割刀因套管內(nèi)徑較小無法張開提供有效的切削力，本次作業(yè)采用先鍛銑再切割的模式，減少作業(yè)時效。下至82.422 m探得鍛銑位，開始鍛銑13-3/8″套管，起出鍛銑管柱，檢查鍛銑刀片磨痕明顯。組合下入切割管柱11-3/4″水力割刀和30″刀片，下至83.2 m，管柱懸重上提下放6 T，測轉(zhuǎn)盤空轉(zhuǎn)4～5 KN·m鉆速30～60 rpm，開泵排量24～34 m3/h，泵壓2～6 MPa，切割13-3/8″、30″帶水泥環(huán)套管，扭矩15.2～25 KN·m，持續(xù)切割2 h后，觀察13-3/8″套管環(huán)空液面下降，判斷30″隔水管已切開，繼續(xù)切割0.5 h。最后累計回收5根帶水泥環(huán)13-3/8″及30″隔水管，共66.615 m，確認(rèn)最終切割深度為82.93 m，泥線深度78 m。現(xiàn)場記錄了該井切割13-3/8″和30″帶水泥環(huán)套管扭矩變化曲線，由結(jié)果可以看出，剛開始開泵，刀片未接觸到水泥環(huán)，此時割刀處于空轉(zhuǎn)扭矩，當(dāng)?shù)镀佑|到水泥環(huán)，扭矩迅速上升，并出現(xiàn)明顯的波動幅度，在切割半小時左右，刀片割穿水泥環(huán)，開始接觸到30″套管偏心一側(cè)，由于套管的偏心工況，扭矩波動幅度進一步增大，隨著切割的進行，扭矩變化逐漸平穩(wěn)，最后趨于一條直線，扭矩總體呈上升趨勢[4]。

4 結(jié)語

文章建立了多層偏心套管的切割模型、刀片磨損長度數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合南海西部某棄井作業(yè)實際案例研究分析，結(jié)果表明：偏心套管割口的垂直距離隨著偏心距的增大而增大；刀片磨損長度隨著偏心距的增大而增大，只有當(dāng)?shù)镀p長度大于偏心工況下割開套管的最小磨損長度，這樣根據(jù)刀片磨損長度判斷套管是否被割斷才有意義；當(dāng)套管存在偏心時，扭矩由空轉(zhuǎn)扭矩突然增大，波動幅度隨著切割進行逐漸減小，最后當(dāng)套管割斷時，扭矩逐漸平穩(wěn)，總體上扭矩呈上升趨勢；判斷套管是否被割斷需要考慮扭矩、泵壓、懸重和返出情況等多種因素。