海上油氣井套管拔樁工具能力分析及試驗驗證*

賈宗文 劉兆年 鄧賀 徐鴻飛

(1.中海油研究總院有限責任公司鉆采研究院 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

隨著海上油氣田開發(fā)年限的增長，多數(shù)平臺處于生產(chǎn)中后期，不可避免地面臨減產(chǎn)和關(guān)停等問題。為彌補產(chǎn)能不足，通常采取增設(shè)調(diào)整井方式挖掘潛力，受限于平臺空間及井槽資源，老井側(cè)鉆和井槽重入等[1-2]是實現(xiàn)調(diào)整井功能的主要方式。對于老井側(cè)鉆，為實現(xiàn)軌跡最優(yōu)化，降低作業(yè)難度，海上作業(yè)的常用做法是先對待回收套管進行套銑作業(yè)除掉環(huán)空水泥[3-5]，再下切割工具及打撈工具進行切割、回收套管，為側(cè)鉆作業(yè)提供良好的井筒條件。根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗，套銑速率一般為1～5 m/h(復雜情況下甚至低于1 m/h)，效率極低，對于幾十米的套銑長度，即便在作業(yè)順利的情況下，也需要數(shù)天甚至十幾天的工期[6-7]，對于海上動輒上百萬元的綜合作業(yè)日費來說，意味著常規(guī)的回收作業(yè)需上百萬甚至上千萬的費用；同時在套銑或切割不完全的情況下，海上平臺修井機(多為HXJ180及以下級別)的載荷能力存在不能將套管順利拔出的問題[8-10]，若動用鉆井船作業(yè)將帶來更高的費用支出(僅動復員費就達(600～700)萬元)，導致經(jīng)濟性更差。因此，亟需開發(fā)一種兼顧效率和費用的工具，解決海上常規(guī)套銑回收作業(yè)耗時長、費用高、經(jīng)濟性差的問題，同時解決平臺修井機具拔樁載荷限制。

針對上述常規(guī)套銑回收套管作業(yè)的問題，研制了一種基于液壓原理的輕便型套管拔樁工具。該工具由多級液壓缸、錨定結(jié)構(gòu)和活塞拉桿等組成，通過多級液壓缸串聯(lián)組成液壓增力器，由地面泵組加壓產(chǎn)生回收膠結(jié)套管所需的高強拔樁力?；诶碚撗芯?，計算了3個液壓缸串聯(lián)方式驅(qū)動、額定工作壓力下工具可產(chǎn)生的理論拔樁力；同時考慮套管膠結(jié)條件，建立了可拔出套管長度與拔樁力、水泥膠結(jié)強度、待拔樁套管外徑及套管自重等的關(guān)系模型，對于現(xiàn)場常用的?244.5 mm生產(chǎn)套管，計算了工具額定工作壓力下的可拔出套管理論長度。在室內(nèi)條件下開展了針對?244.5 mm套管拔樁的全尺寸模擬試驗，并將試驗結(jié)果與理論模型計算結(jié)果進行了符合性檢驗。理論分析并結(jié)合全尺寸模擬試驗，驗證了液壓拔樁工具的可行性，所得結(jié)果可為拔樁工具的現(xiàn)場應用提供理論及試驗依據(jù)。

1 技術(shù)分析

1.1 工具結(jié)構(gòu)

液壓拔樁工具由多級液壓缸、平衡開關(guān)、行程開關(guān)、錨定結(jié)構(gòu)和活塞拉桿等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。液壓拔樁工具錨定在外層套管內(nèi)壁(拔內(nèi)層套管)或鉆臺上(拔隔水導管或多層套管)，下部接高強度打撈錨，通過平臺泵組向液壓缸組加壓，實現(xiàn)為工具提供向上的拔樁力。液壓拔樁工具外徑308.0 mm，可錨定在?339.7 mm套管內(nèi)部，下部連接高強度套管撈矛，可回收井筒內(nèi)被水泥膠結(jié)的?244.5或?177.8 mm套管，或用于鉆、修井作業(yè)解卡。

1—平衡開關(guān)；2—行程開關(guān)；3—一級液壓缸；4—二級液壓缸；5—三級液壓缸；6—卡瓦錨定機構(gòu)；7—活塞拉桿。圖1 液壓拔樁工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Main components of hydraulic casing pulling tool

1.2 工作原理

工具的作業(yè)工藝流程如圖2所示。

圖2 液壓拔樁工具套管回收作業(yè)工藝流程Fig.2 Process of casing recovery with hydraulic casing pulling tool

錨定套管：地面泵組加壓，高壓液流通過錨定機構(gòu)水眼進入液壓空腔再向上擠壓錨定機構(gòu)活塞，推動活塞及卡瓦向上移動；卡瓦沿著殼體斜面運動，外徑變大、擴張，完成液壓拔樁工具及下部高強度打撈矛與套管的錨定。

加壓拔樁：地面泵組加壓進入液壓缸，為活塞拉桿提供拔樁拉力，同時將拔樁力傳遞給高強度打撈矛，高強度打撈矛通過卡瓦咬合套管，帶動套管克服待拔出套管自身重力及與水泥環(huán)的膠結(jié)強度，實現(xiàn)將膠結(jié)套管從井筒中拔出；拔樁產(chǎn)生的反向作用力由錨定的外層套管承擔。

解脫套管：地面泵組泄壓，錨定機構(gòu)活塞壓力釋放，在復位彈簧的拉伸下活塞帶動卡瓦返回至原定位置，實現(xiàn)解脫。

2 工具拔樁能力理論計算

拔樁工具的液壓增力器采用三級液壓缸串聯(lián)，可產(chǎn)生的總拉力如下：

F=f1+f2+f3-f0

(1)

f=(S-S′)p

(2)

式中：F為液壓拔樁工具總拉力，kN；f1、f2和f3分別為一級、二級和三級液壓缸產(chǎn)生的拉力，kN；f0為液壓錨定機構(gòu)活塞產(chǎn)生的反作用力，kN；S為活塞橫截面積，m2；S′為拉桿橫截面積，m2；p為鉆臺泵組提供的液壓力，液壓缸組的額定工作壓力為20 MPa；f為拔樁力，kN。

由式(2)可知，在工具尺寸及液壓缸組數(shù)量不變的情況下，液壓拔樁工具產(chǎn)生的拔樁力與鉆臺泵組向液壓缸組提供的液壓力呈線性關(guān)系，如圖3所示。每1 MPa的液壓力能產(chǎn)生約151.3 kN的拔樁力，當給予液壓缸20 MPa的額定壓力時，工具可產(chǎn)生約3 025.5 kN的拔樁力。

圖3 工具拔樁力與鉆臺泵組提供的液壓力的關(guān)系Fig.3 Relationship between pull-out force and hydraulic pressure provided by pump set on drill floor

基于套管與水泥環(huán)膠結(jié)強度理論，以膠結(jié)面失效時的壓力為最大拔樁阻力[11-13]，建立了水泥完全膠結(jié)條件下，可拔出套管長度與拔樁力、水泥膠結(jié)強度、待拔樁套管外徑及套管自重的關(guān)系模型，即有：

(3)

式中：l為待拔出套管長度，mm；d為套管外徑或水泥環(huán)內(nèi)徑，mm；σs為套管與水泥環(huán)的界面膠結(jié)強度，MPa；w為套管線質(zhì)量，kg/m；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

根據(jù)膠結(jié)強度理論，在固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的條件下，套管與水泥環(huán)的最大膠結(jié)強度約為1.42 MPa[14-15]。以鋼級N80、線質(zhì)量70.01 kg/m的?244.5 mm套管為例，根據(jù)上述公式，在液壓缸額定工作壓力條件下，單次理論可拔出的套管長度約為2.772 m；在固井質(zhì)量一般或較差的情況下，單次可拔出幾米到十幾米長度的套管。

3 拔樁驗證模擬試驗

3.1 試驗過程

在室內(nèi)條件下建立了全尺寸的套管拔樁模擬試驗平臺?？紤]安全性、場地空間及試驗便利性等因素，本次建立的試驗平臺為橫向拔樁試驗平臺，未體現(xiàn)待拔樁套管自重影響，可在橫向試驗拔樁力結(jié)果的基礎(chǔ)上附加套管自重來體現(xiàn)。拔樁模擬試驗平臺主要由錨定用液壓缸、手動試壓泵、壓力表、液壓泵、液壓罐、液壓拔樁工具及待拔樁套管等組成。手動液壓泵為錨定用液壓缸提供液壓力，錨定用液壓缸為工具提供錨定機構(gòu)脹開卡瓦咬合套管的擴張力，壓力表1監(jiān)測錨定用液壓缸的液壓力，液壓泵為深部拔樁工具的串聯(lián)液壓缸提供液壓驅(qū)動力，壓力表2監(jiān)測工具內(nèi)部液壓缸的液壓力。試驗平臺如圖4所示。

1—錨定用液壓缸；2—壓力表1；3—錨定卡瓦；4—?339.7 mm套管；5—水泥環(huán)；6—?244.5 mm套管；7—高強度打撈矛；8—液壓拔樁工具；9—液壓罐；10—電動液壓泵；11—壓力表2；12—手動試壓泵。圖4 液壓拔樁工具模擬試驗平臺Fig.4 Simulation experiment platform for hydraulic casing pulling tool

采用現(xiàn)場常用的?339.7和?244.5 mm套管開展全尺寸模擬試驗，將?244.5與?339.7 mm套管利用固井水泥環(huán)固結(jié)，模擬套管在地層中的狀態(tài)，使用液壓拔樁工具將?244.5 mm套管從?339.7 mm套管中拔出；為保證試驗成功率，封固長度設(shè)計為2.000 m(不超過理論計算的2.772 m)；將液壓拔樁工具錨定在?339.7 mm套管內(nèi)部，下部連接錨定于?244.5 mm套管的高強度打撈矛以模擬拔樁作業(yè)。通過模擬試驗，驗證了液壓拔樁工具拔樁能力及拔樁的可行性，同時檢驗了拔樁工具是否會對外層套管造成破壞。

根據(jù)理論分析，液壓拔樁工具的拔樁力與液壓力(試驗泵壓)呈線性關(guān)系，可通過泵壓來計算液壓拔樁工具實時產(chǎn)生的拔樁力。試驗過程中泵壓不超過拔樁工具液壓缸的額定工作壓力20 MPa。

試驗時，電動液壓泵按照逐級加壓的方式緩慢加壓，每加壓5 MPa穩(wěn)壓5 min，這期間時刻觀察壓力表2是否出現(xiàn)壓力降低或?244.5 mm套管是否出現(xiàn)滑動。若在加壓或穩(wěn)壓過程中壓力表2出現(xiàn)壓力降低或觀察到?244.5 mm套管出現(xiàn)滑動跡象，則表示套管與水泥的膠結(jié)面發(fā)生破壞，?244.5 mm套管與固井水泥環(huán)發(fā)生脫離。套管拔出后，泄壓拆除工具，觀察?339.7 mm套管內(nèi)壁錨定位置是否有明顯破損，同時觀察錨定機構(gòu)及卡瓦是否發(fā)生滑移。

試驗步驟如下：

(1)在?339.7 mm套管中套入?244.5 mm套管，在環(huán)空注入長度2 m的固井水泥漿，候凝不少于48 h，候凝完成后測量驗證水泥膠結(jié)的長度，若不足2 m則補水泥直至滿足2 m封固長度要求；

(2)將完成候凝的套管安置在模擬試驗平臺；

(3)連接可退式套管撈矛及液壓拔樁工具，將可退式撈矛下入至?244.5 mm套管內(nèi)，液壓拔樁工具下入至?339.7 mm套管內(nèi)；

(4)液壓拔樁工具上接頭與錨定用液壓缸、壓力泵和壓力表等設(shè)備連接；

(5)連接好所有試驗設(shè)備及工具(本次試驗拉拔力與錨定卡瓦坐封力為兩個相互的作用力與反作用力，互相制約，套管不會移動，無需特殊固定)，連接加壓管線；

(6)向可退式撈矛工具加壓脹開卡瓦，完成撈矛與?244.5 mm套管的錨定；

(7)手動試壓泵加壓使拔樁工具卡瓦產(chǎn)生錨定擴張力，克服錨定機構(gòu)卡瓦錨定套管初始力，使卡瓦脹開咬緊?339.7 mm套管內(nèi)壁；

(8)電動液壓泵向液壓拔樁工具的串聯(lián)液壓缸加壓，逐級加壓，觀察泵壓，泵壓分別在5、10、15和20 MPa下穩(wěn)壓5 min；若在加壓期間出現(xiàn)泵壓下降，則停止加壓，同時檢查井筒及工具狀態(tài)；

(9)拆除工具，觀察套管內(nèi)壁錨定位置的破損情況。

3.2 試驗結(jié)果

試驗平臺及工具連接完成后，按照設(shè)計方案開始加壓，當泵壓達到13 MPa時，觀察到壓力表2的泵壓波動，停止繼續(xù)加壓，穩(wěn)壓觀察，壓力表2出現(xiàn)壓力降低，同時聽到套管滑動發(fā)出的摩擦聲，并觀察到?244.5 mm套管與水泥之間膠結(jié)面已被破壞，?244.5 mm套管出現(xiàn)錯動位移；緩慢降低泵壓，同時可聽到井筒出現(xiàn)持續(xù)的摩擦聲。維持泵壓5 MPa穩(wěn)壓8 min，觀察到?244.5 mm套管出現(xiàn)明顯位移，最終?244.5 mm套管被完全拔出，如圖5所示。拆除工具后檢查?339.7 mm套管工具錨定位置處的內(nèi)壁，僅有較淺的卡瓦齒咬合痕跡，無明顯破損痕跡及卡瓦齒滑動痕跡(見圖6)，說明工具與套管錨定咬合良好，不影響套管后續(xù)作業(yè)使用。模擬試驗結(jié)果如表1所示。試驗過程中的泵壓及拔樁力隨時間的變化關(guān)系如圖7所示。

圖5 ?244.5 mm套管被拔出井筒Fig.5 ?244.5 mm casing being pulled out of wellbore

圖6 液壓拔樁工具在?339.7 mm套管內(nèi)壁卡瓦咬合痕跡Fig.6 Slip bite marks of hydraulic casing pulling tool on the inner wall of ?339.7 mm casing

圖7 試驗過程中泵壓及拔樁力隨時間的變化關(guān)系Fig.7 Variations of pump pressure and pull-out force with time during experiment

表1 液壓拔樁工具拔樁模擬試驗結(jié)果Table 1 Simulation experiment results of hydraulic casing pulling tool

試驗結(jié)果表明：水泥膠結(jié)面被破壞時泵壓出現(xiàn)明顯下降，可作為作業(yè)時的判斷依據(jù)；水泥與套管之間的膠結(jié)力破壞后拔樁阻力顯著降低，所需的液壓力及拔樁力也顯著降低?；诮⒌目砂纬鎏坠荛L度理論模型，拔出2 m長度水泥膠結(jié)的?244.5 mm套管，需要的理論拔樁力為2 182.61 kN。根據(jù)全尺寸模擬試驗，拔出同尺寸、同長度膠結(jié)套管需要的拔樁力為2 027.09 kN，與理論計算結(jié)果誤差約7.13 %，符合性良好。若試驗中考慮2 m長度套管自重產(chǎn)生的重力(約1.372 kN)，總的拔樁力約為2 028.46 kN，與理論計算結(jié)果誤差降為7.06 %，差異很小，說明在拔樁過程中套管自重的影響很?。灰簤喊螛豆ぞ吲c套管錨定咬合良好，拔樁試驗過程中未出現(xiàn)滑移，卡瓦齒對套管損傷較?。凰嗯c套管完全膠結(jié)條件下，僅30 min就完成了2 m套管的拔樁工作，效率大幅提升。

4 結(jié) 論

(1)研制了一種3個液壓缸串聯(lián)驅(qū)動的套管拔樁工具，工具拔樁力與液壓力呈線性關(guān)系，在液壓缸額定工作壓力20 MPa下，工具可產(chǎn)生3 025.5 kN的拔樁力。

(2)在套管與水泥完全膠結(jié)條件下，建立了可拔出套管長度與拔樁力、水泥膠結(jié)強度、待拔樁套管外徑及套管自重等的關(guān)系模型；對于常用的?244.5 mm套管，在液壓缸額定工作壓力20 MPa下，可拔出長度為2.772 m。

(3)開展了全尺寸套管拔樁模擬試驗，對于拔出同尺寸、同長度的水泥膠結(jié)套管，理論計算結(jié)果與模擬試驗結(jié)果誤差僅為7.13 %，符合性良好。

(4)理論分析與全尺寸拔樁試驗結(jié)合，驗證了液壓拔樁工具的可靠性及可行性。所得結(jié)果可為工具的現(xiàn)場應用提供理論及試驗依據(jù)。