雙層套管段銑工具研制*

趙傳偉 劉晗 吳仲華 霍衛(wèi)東 王可可 陳銳 王衛(wèi)

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院)

趙傳偉,劉晗,吳仲華,等.雙層套管段銑工具研制.石油機(jī)械,2022,50(11):43-49.

0 引言

隨著海上油氣田開采時(shí)間的延長(zhǎng),越來越多的油氣井陸續(xù)進(jìn)入非生產(chǎn)狀態(tài),需要對(duì)這些非生產(chǎn)井實(shí)施棄井作業(yè),以消除其對(duì)環(huán)境的潛在威脅。國(guó)內(nèi)海洋油氣勘探開發(fā)起步較晚,但南海、東海及渤海灣均不同程度地進(jìn)入了永久棄井階段[1-3]。海洋永久棄井要求封隔生產(chǎn)層,防止流體從井內(nèi)泄漏、流出[4-6]。這就需要在一定的位置段銑掉一定長(zhǎng)度的套管,然后打水泥塞,封堵生產(chǎn)層,防止油氣泄漏。有些情況下,設(shè)計(jì)打水泥塞位置對(duì)應(yīng)2層套管[7-9],這就需要將對(duì)應(yīng)的2層套管全部段銑掉,再打水泥塞。采用常規(guī)套管段銑工具需要由內(nèi)而外逐層段銑2層套管,至少需要2趟鉆。實(shí)際上,施工中常常需要在不同的深度打多個(gè)水泥塞,對(duì)于每一個(gè)深度,傳統(tǒng)作業(yè)都至少需要2趟鉆,效率低、成本高。在國(guó)外,威德福公司研發(fā)出了一種雙層套管段銑工具,可實(shí)現(xiàn)1趟鉆段銑2層套管,國(guó)內(nèi)尚未見相關(guān)研究的報(bào)道。

中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院經(jīng)過3年的技術(shù)攻關(guān),研制了一種雙層套管段銑工具。筆者主要介紹該工具的結(jié)構(gòu)及工作原理,開窗刀具、磨銑刀具及套管割斷顯示機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),并通過室內(nèi)切割試驗(yàn)驗(yàn)證工具功能的可靠性,旨在研發(fā)高效的海洋套管切割工具,以提高海洋棄井作業(yè)效率?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,該工具可實(shí)現(xiàn)1趟鉆同時(shí)段銑?339.7 mm×?244.5 mm 2層套管,刀具磨銑效率高、壽命長(zhǎng),與常規(guī)段銑工具相比,可節(jié)約作業(yè)時(shí)間的49%。

1 工具結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)

雙層套管段銑工具結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙層套管段銑工具由左至右(由上到下)依次由磨銑短節(jié)、開窗短節(jié)及扶正短節(jié)等3部分構(gòu)成。開窗短節(jié)和磨銑短節(jié)的工具本體外徑210 mm,刀具完全伸出時(shí)外徑380 mm,總長(zhǎng)度6.3 m,適用于段銑?339.7 mm×?244.5 mm的2層套管。

圖1 雙層套管段銑工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of dual-casing section milling tool

1.2 工作原理

開窗短節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示。井口鉆井液經(jīng)過鉆桿到達(dá)雙層套管段銑工具的中心流道內(nèi),之后分為4路,流向如下:大部分鉆井液由開窗短節(jié)的心軸底部噴嘴排到井筒里;一部分鉆井液經(jīng)過節(jié)流嘴A后,再通過節(jié)流嘴B進(jìn)入上擋塊的圓形截面流道a;一部分鉆井液經(jīng)過節(jié)流嘴A后,再通過節(jié)流嘴C進(jìn)入殼體的刀具槽中,沖刷刀具槽內(nèi)的鐵屑;最后一部分鉆井液由心軸的徑向通孔b進(jìn)入液缸中,使得活塞右端壓力大于左端壓力。

圖2 開窗短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structure of window milling device

當(dāng)鉆井液的排量達(dá)到設(shè)定值時(shí),活塞在液壓力的作用下沿心軸向左運(yùn)動(dòng),推板推動(dòng)開窗刀具沿上擋塊的T型槽向外伸出,開始切割套管。當(dāng)?shù)毒叩淖蠖嗣媾c節(jié)流嘴C的右端面接觸時(shí),刀具將完全伸出,此時(shí)2層套管全部被割斷,彈簧處于壓縮狀態(tài)。

套管割斷后,可加10～30 kN的鉆壓進(jìn)行磨銑作業(yè),磨銑一定的深度后,停泵;下放鉆具使磨銑短節(jié)的刀具位于已開窗口位置;井口投放鋼球,當(dāng)鋼球到達(dá)磨銑短節(jié)時(shí),坐入可變徑球座;當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí),可變徑球座與心軸間的銷釘剪斷,鋼球落到球籃中;此時(shí),一部分鉆井液由心軸的徑向通孔c進(jìn)入液缸中,使得活塞右端壓力大于左端壓力;當(dāng)排量達(dá)到設(shè)定值時(shí),活塞在液壓力的作用下沿心軸向左運(yùn)動(dòng),推板推動(dòng)磨銑刀具沿上擋塊的T型槽向外伸出至極限位置;然后,施加10～30 kN鉆壓,同時(shí)磨銑2層套管及水泥環(huán);當(dāng)磨銑作業(yè)完成后,減小泵排量至停泵,在彈簧恢復(fù)力作用下活塞復(fù)位;起鉆過程中,當(dāng)磨銑刀具和開窗刀具碰到上窗口時(shí),被推回刀具槽內(nèi),進(jìn)而工具可通過內(nèi)層套管回收至地面。

磨銑短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 磨銑短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic structure of milling device

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 刀具設(shè)計(jì)

刀具包括1副開窗刀具和1副磨銑刀具。開窗刀具用于割斷2層套管,同時(shí)磨銑掉一定長(zhǎng)度的套管及水泥環(huán),為磨銑刀具的張開提供空間。磨銑刀具用于磨銑掉大部分雙層套管及水泥環(huán)。實(shí)際中,?339.7 mm×?244.5 mm 2層套管在井下并非同心[10-12],如圖4所示。

圖4 2層套管相對(duì)位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of relative position of two layers of casing

為了確保開窗刀具能夠?qū)?層套管全部割斷,開窗刀具完全伸出時(shí),回轉(zhuǎn)半徑的設(shè)計(jì)要考慮2層套管的偏心問題。刀具相對(duì)于段銑工具本體偏心布置時(shí),回轉(zhuǎn)半徑最大。因此,開窗刀具和磨銑刀具均采用偏心布置。綜合考慮2層套管的偏心情況和刀具的抗彎強(qiáng)度,確定刀具完全張開時(shí)的回轉(zhuǎn)半徑為380 mm。

現(xiàn)有的開窗刀具大都采用菱形、圓形或橢圓形齒形結(jié)構(gòu),刀具的尖端大都采用圓柱形或非銳化菱形齒齒形結(jié)構(gòu)[13-15]。刀具與套管內(nèi)壁接觸為面接觸或圓弧接觸,接觸面較大,套管內(nèi)壁受力相對(duì)較小,切割時(shí)間長(zhǎng);并且在套管段銑過程中會(huì)形成細(xì)長(zhǎng)鐵屑,鐵屑纏繞工具本體,造成卡鉆和泵壓異常等復(fù)雜情況,不利于快速段銑。

為提高雙層套管的切割和段銑效率,主要從切削元件的材質(zhì)、形狀和排布以及刀具的角度等方面對(duì)段銑工具的刀具進(jìn)行改進(jìn)。圖5為開窗刀具結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 開窗刀具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic structure of window milling cutter

(1)開窗刀具和磨銑刀具的切削元件選用塊狀帶牙硬質(zhì)合金,密度為13 050 kg/m3,硬度為9.04 HRA,膨脹系數(shù)為6.0×10-6K-1,強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好,高溫條件下不易崩齒[16-17]。塊狀帶牙硬質(zhì)合金鑲焊在刀具矩形槽內(nèi),且?guī)а赖囊幻娉蛲鈧?cè)。

(2)常規(guī)段銑工具在切割套管時(shí),刀具的尖端與套管內(nèi)壁為面接觸或圓弧接觸[18],接觸的線性長(zhǎng)度大于50 mm,導(dǎo)致切割效率低。為了提高切割效率,對(duì)開窗刀具的角度進(jìn)行了優(yōu)化,切削刃角為12°,刀背角為15°,磨銑角為10°(見圖5)。當(dāng)?shù)毒呒舛藙偱c套管內(nèi)壁接觸時(shí)為點(diǎn)接觸,接觸的線性長(zhǎng)度小于2 mm;刀尖鋒利,切割時(shí)更容易刺入套管內(nèi)壁,最終形成的楔形切割口長(zhǎng)度小于45 mm,為非優(yōu)化刀尖切割口長(zhǎng)度的60%。

(3)考慮到磨銑刀具(見圖6)承擔(dān)了主要的磨銑工作,為保證刀具一次性磨銑長(zhǎng)度大于30 m,增加了鑲焊切削元件部分的長(zhǎng)度,同時(shí)切削刃角減小為4°。磨銑刀具對(duì)套管磨銑作業(yè)時(shí),塊狀帶牙硬質(zhì)合金與套管是線接觸,磨銑效率高。通過優(yōu)化塊狀帶牙硬質(zhì)合金之間的間距(1.6～1.9 mm),提高了斷屑效率,能夠有效防止段銑時(shí)形成連續(xù)的長(zhǎng)鐵屑纏繞工具引起的卡鉆事故。

圖6 磨銑刀具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic structure of milling cutter

此外,2種刀具的刀柄處均設(shè)有硬質(zhì)合金條。當(dāng)?shù)毒咄耆斐鰰r(shí),硬質(zhì)合金條與套管內(nèi)壁接觸,用于扶正段銑工具,使段銑作業(yè)更平穩(wěn)。

2.2 套管割斷顯示機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)毒咄耆斐鰰r(shí)(見圖7),鉆井液由中心流道進(jìn)入殼體刀具槽的通道被封閉,而經(jīng)過節(jié)流嘴A、節(jié)流嘴B和圓形截面流道a,再進(jìn)入殼體刀具槽的通道打開。通過合理地設(shè)計(jì)節(jié)流嘴A、節(jié)流嘴B的大小可以實(shí)現(xiàn)下述功能:在相同排量條件下,刀具開始伸出和完全伸出時(shí),對(duì)應(yīng)井口立管壓力增加或減小一定數(shù)值,以此作為外層套管是否完全割斷的判斷依據(jù)。

圖7 刀具完全伸出時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic structure of the cutter fully extended

采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析,優(yōu)化節(jié)流嘴A和節(jié)流嘴B的大小,共進(jìn)行了10組模擬,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,在節(jié)流嘴B內(nèi)徑為4 mm、節(jié)流嘴A內(nèi)徑為8 mm的條件下,當(dāng)?shù)毒咄耆斐鰰r(shí),立管壓力增大2.6 MPa,即排量為28 L/s條件下,當(dāng)2層套管完全切斷后,地面立管壓力增加2.6 MPa。

圖8 刀具伸出前、后工具內(nèi)部壓力云圖Fig.8 Cloud chart of the internal pressure of the toolbefore and after the cutter is extended

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為了測(cè)試工具功能的可靠性及切割雙層套管的性能,對(duì)工具進(jìn)行了套管切割試驗(yàn),試驗(yàn)流程如圖9所示。試驗(yàn)主要設(shè)備和儀器包括:鉆井泵、螺桿馬達(dá)、雙層套管段銑工具、雙層套管工裝(?339.7 mm套管長(zhǎng)3 m、鋼級(jí)N80、壁厚12.19 m,?244.5 mm套管長(zhǎng)3 m、鋼級(jí)N80、壁厚11.95 mm)、壓力傳感器、電磁流量傳感器、控制及顯示終端、試驗(yàn)臺(tái)架以及液罐等。具體試驗(yàn)流程如下:鉆井泵將水箱中的水泵入螺桿馬達(dá)內(nèi);螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)段銑工具旋轉(zhuǎn),提供切割套管的動(dòng)力;壓力傳感器及電磁流量傳感器位于泵的出口端;壓力及流量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示終端,并由相應(yīng)的終端軟件顯示。試驗(yàn)介質(zhì)為清水。

圖9 套管切割試驗(yàn)流程圖Fig.9 Flow chart of casing cutting test

經(jīng)測(cè)試,排量15 L/s時(shí)銷釘剪斷,開窗刀具伸出;投球后,排量為16 L/s時(shí)銷釘剪斷,磨銑刀具伸出。工具割斷2層套管用時(shí)43 min。排量為28 L/s條件下,2層套管完全割斷后,泵壓增加了2.7 MPa(見表1)。切割完成后,刀具碰到開窗套管的上窗口時(shí)可順利收回。

表1 套管割斷前、后壓力和扭矩變化Table 1 Change of pressure and torquebefore and after casing cutting

試驗(yàn)結(jié)果表明,工具能夠完成預(yù)定的設(shè)計(jì)動(dòng)作,可順利割斷2層套管,通過壓降的變化來判斷雙層套管是否割斷可行。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2021年7月17—22日,雙層套管段銑工具在PLX-3油田A05STX井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。A05STX井是一口生產(chǎn)井,井深1 341 m。該井?244.5 mm套管下入深度228 m、鋼級(jí)K55,壁厚12.20 mm;?339.7 mm套管下入深度624 m、鋼級(jí)13Cr-80,壁厚11.95 mm。段銑目的:處理?244.5 mm套管至179 m,處 理?339.7 mm套管 至178 m,在?508.0 mm隔水導(dǎo)管以下裸眼側(cè)鉆。段銑井段38～70 m,井斜0°。鉆具 組 合:?216.0 mm扶 正器(帶引鞋)+SDX-340×245+?178.0 mm鉆鋌×3根+?139.7 mm加重鉆桿。鉆井液密度為1.16 g/cm3。

工具入井至預(yù)定位置,啟動(dòng)頂驅(qū)旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速10～20 r/min,記錄空轉(zhuǎn)扭矩;開泵逐漸提高排量,注意扭矩變化,通過扭矩變化判斷刀具是否接觸套管內(nèi)壁;當(dāng)排量為14 L/s時(shí),開窗刀具伸出,接觸套管內(nèi)壁;逐漸提高轉(zhuǎn)速至60 r/min,提高泵排量至28 L/s,此時(shí)立管壓力11 MPa。經(jīng)過54 min切割,立管壓力變?yōu)?4 MPa,同時(shí)扭矩接近空轉(zhuǎn)扭矩,現(xiàn)場(chǎng)判斷2層套管已割斷。此時(shí),加鉆壓10～30 kN開始磨銑套管,磨銑3.6 m后放空,同時(shí)扭矩較正常段銑扭矩大大減小,判斷開窗刀具切削元件已磨損殆盡;停泵,上提工具1.5 m,井口投球;開泵,逐漸提高排量至28 L/s;下放工具,加鉆壓10～30 kN開始磨銑,直至磨銑到70 m處停泵,順利起鉆。

雙層套管段銑工具入井工作98.40 h,其中段銑作業(yè)用時(shí)94.17 h,進(jìn)尺31.9 m,平均段銑速度0.34 m/h。同平臺(tái)的A01HX井(套管規(guī)格及技術(shù)參數(shù)與A05STX井相同)采用常規(guī)套管段銑工具,分2趟鉆段銑井段38.0～71.0 m(先采用?244.5 mm套管段銑工具段銑?244.5 mm套管,然后起鉆更換?339.7 mm套管段銑工具段銑?339.7 mm套管),總用時(shí)193.00 h。由此可見,雙層套管段銑工具能夠節(jié)約作業(yè)時(shí)間49%。此外,經(jīng)過優(yōu)化的刀具磨銑效率高、壽命長(zhǎng),1趟鉆段銑進(jìn)尺不小于30.0 m,同時(shí)具有較強(qiáng)的斷屑能力,有利于鐵屑返排。

5 結(jié)論與建議

(1)研制的雙層套管段銑工具適用于段銑?339.7 mm×?244.5 mm 2層套管,工具最大外徑210.0 mm,最大切割直徑380.0 mm,總長(zhǎng)6.3 m;工具可實(shí)現(xiàn)1趟鉆段銑2層套管,作業(yè)效率高。

(2)工具室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明,刀具伸出與收回動(dòng)作可靠,可順利割斷2層套管,通過壓降的變化來判斷雙層套管是否割斷可行。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,雙層套管段銑工具工作可靠,刀具磨銑效率高、壽命長(zhǎng),1趟鉆段銑進(jìn)尺不小于30.0 m,與常規(guī)段銑工具相比,可節(jié)約作業(yè)時(shí)間49%。

(4)在推薦排量范圍內(nèi)(25～30 L/s),該工具壓耗較大,隨著井深的增加環(huán)空壓耗會(huì)逐漸增大,立管壓力也逐漸增大,容易導(dǎo)致憋泵。建議下一步通過優(yōu)化工具內(nèi)部流道以降低工具壓耗,以此適用于深井段銑作業(yè)。