水平井、深井打撈作業(yè)難點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展方向研究

劉世巖 張中興 丁繼文 白鵬 王宇

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452

海上油田以渤海油田為例，目前水平井、深井在油氣水井總量中占比22%；陸地油田以新疆塔里木油田為例，平均井深在7000m左右；海外油田以伊拉克米桑油田為例，平均井深在4000m左右，均屬于深井。應(yīng)用水平井、超深井這類(lèi)井型是未來(lái)油氣田勘探開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。本文總結(jié)歸納了這類(lèi)井型在打撈作業(yè)期間存在的作業(yè)難題和技術(shù)瓶頸，并通過(guò)打撈技術(shù)及配套工具的創(chuàng)新研究，解決相應(yīng)難題。

1 水平井、深井/超深井定義

1.1 水平井定義

水平井是指最大井斜角達(dá)到或接近90°（一般不小于86°），并在目的層中維持一定長(zhǎng)度水平井段的特殊井。有時(shí)為了某種特殊的需要，井斜角可以超過(guò)90。一般來(lái)說(shuō)，水平井適用于薄的油氣層或裂縫性油氣藏，目的在于增大油氣層的裸露面積。

1.2 深井、超深井定義

深井，是指完鉆井深為4000～6000 m的井；超深井是指完鉆井深為6000 m以上的井。

水平井、深井、超深井技術(shù)，是勘探和開(kāi)發(fā)深部油氣等資源必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，每年完成的水平井、深井、超深井比例逐漸增加。

2 水平井、深井/超深井打撈作業(yè)難點(diǎn)

（1）井口懸重及空轉(zhuǎn)扭矩高，而修井機(jī)設(shè)備能力或鉆具強(qiáng)度有限，操作空間小。

目前海上常用修井機(jī)的提升載荷有90t、135t、180t三種，其他參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 海上常用修井機(jī)型號(hào)及參數(shù)

以海上某井為例，該井井深4075m，最大井斜45.73°，修井機(jī)型號(hào)HXJ135，使用3-1/2"鉆桿（優(yōu)類(lèi)、鋼級(jí)S135、磅級(jí)13.3lb/ft，抗拉強(qiáng)度170t、抗扭強(qiáng)度35.1kN·m）進(jìn)行打撈作業(yè)，井口測(cè)上提/下放懸重為105/52t，空轉(zhuǎn)扭矩19-21kN·m。

通過(guò)上述案例可以看出，不考慮修井機(jī)及鉆具的安全余量，極限情況下打撈作業(yè)最大過(guò)提拉力30t，作業(yè)扭矩14kN·m，可見(jiàn)深井/超深井中打撈作業(yè)操作空間小。

（2）井筒摩阻大，導(dǎo)致地面施加的拉力、扭矩向下傳遞困難，超過(guò)鉆具/工具抗扭強(qiáng)度而發(fā)生事故[1]。

上述案例中，井口測(cè)上提/下放懸重差值53t，說(shuō)明井筒摩阻很大，實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，地面施加的拉力和扭矩向下傳遞困難，并且傳遞到魚(yú)頂位置的拉力和扭矩值無(wú)法準(zhǔn)確控制，導(dǎo)致打撈工具損壞，如圖1所示。

圖1 倒扣撈矛矛瓦斷裂

（3）受井筒摩阻及“鐘擺力”等因素影響，作業(yè)時(shí)同一趟鉆的提放懸重多次出現(xiàn)變化，并且相差較大，因此無(wú)法通過(guò)懸重、方入、扭矩等參數(shù)變化準(zhǔn)確判斷打撈結(jié)果，導(dǎo)致空鉆[2]。

（4）鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，導(dǎo)致切割工具狀態(tài)不穩(wěn)定，造成刀片損壞、無(wú)法割開(kāi)，如圖2所示。

圖2 管柱軸向竄動(dòng)導(dǎo)致割刀刀尖繃斷，割口軸向磨薄但未完全割斷

因此在打撈作業(yè)中，一旦出現(xiàn)上述問(wèn)題，必將導(dǎo)致作業(yè)工期延長(zhǎng)，作業(yè)成本增加，如果處理不當(dāng)甚至?xí)?dǎo)致作業(yè)終止、井眼報(bào)廢。

3 液壓打撈工藝及配套工具研究

根據(jù)多年打撈經(jīng)驗(yàn)沉淀，特別是以創(chuàng)新提出的“地面→井下、機(jī)械→液壓、旋轉(zhuǎn)→提放”核心研究思路為基礎(chǔ)，可以研究出一套突破水平井、深井打撈作業(yè)瓶頸的液壓打撈工藝，并設(shè)計(jì)出配套的液壓打撈、切割工具，最終解決行業(yè)“卡脖子”的技術(shù)難題。液壓打撈工藝主要包括以下幾方面：

3.1 液壓增力工藝研究

研制液壓增力系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)如圖3所示），將傳統(tǒng)由修井機(jī)施加拉力變?yōu)樵诰卖~(yú)頂以上由液壓增力系統(tǒng)直接輸出拉力，可有效避免井筒摩阻大、修井機(jī)設(shè)備能力或鉆具抗拉強(qiáng)度的影響和限制；目前已有7”、9-5/8”、13-3/8”套管內(nèi)使用的液壓增力系統(tǒng)，并已在渤海油田成功應(yīng)用30余井次。

圖3 液壓增力系統(tǒng)整體構(gòu)成

3.2 液壓打撈工藝研究

3.2.1 液壓脫手撈矛、液壓可退式撈筒研制

改變傳統(tǒng)可退式撈矛及可退式卡瓦撈筒的脫手方式，由機(jī)械旋轉(zhuǎn)脫手結(jié)構(gòu)變?yōu)橐簤荷咸崦撌纸Y(jié)構(gòu)，并且脫手前后有明顯壓力變化顯示，可以準(zhǔn)確判斷工具是否撈獲落魚(yú)狀態(tài)；一方面，可以解決水平井、大位移井、超深井地面空轉(zhuǎn)扭矩大、扭矩向下傳遞困難而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機(jī)械脫手困難的問(wèn)題；另一方面，可在常規(guī)修井作業(yè)中，使用油管攜帶傳統(tǒng)撈筒/撈矛打撈時(shí)，存在旋轉(zhuǎn)脫手困難的問(wèn)題，因此需要?jiǎng)訂T鉆桿配合打撈；液壓脫手撈矛/撈筒（結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示）能有效解決該問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)與油管配合使用也能快速脫手，避免額外動(dòng)員鉆桿，降低修井作業(yè)成本。

圖4 液壓可退式撈筒示意圖

圖5 液壓脫手撈矛示意圖

3.2.2 液壓一把抓研制

傳統(tǒng)一把抓工具的指形爪需要通過(guò)旋轉(zhuǎn)下壓的方式才能閉合打撈，并且指形抓閉合方向隨機(jī)不固定，而液壓一把抓（結(jié)構(gòu)如圖6所示）則是通過(guò)液壓推動(dòng)指形爪延導(dǎo)向結(jié)構(gòu)形變，從而完成穩(wěn)定閉合打撈，無(wú)需旋轉(zhuǎn)，打撈更簡(jiǎn)單可靠；目前已在渤海油田成功應(yīng)用，如圖7所示。

圖6 液壓一把抓結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 液壓一把抓工作后實(shí)物圖

3.3 液壓錨定油管切割工藝研制

采用小尺寸鉆具輸送，通過(guò)液壓馬達(dá)，為液控油管割刀提供旋轉(zhuǎn)扭矩，并且增加液壓錨定裝置（結(jié)構(gòu)如圖8所示），避免管柱軸向竄動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平井段油管的穩(wěn)定高效切割。一方面，解決管柱軸向竄動(dòng)導(dǎo)致刀片損耗的問(wèn)題；另一方面，解決連續(xù)油管切割技術(shù)存在的設(shè)備多、費(fèi)用高、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大以及部分井況無(wú)法使用等問(wèn)題。

圖8 液壓錨定油管切割工具總成示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

液壓增力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“地面→井下”的核心設(shè)計(jì)思路，目前已在現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用，有效解決了水平井、深井井筒摩阻大、地面施加拉力受限、向下傳遞困難的難題，顯著提高了落魚(yú)解卡成功率。

液壓一把抓實(shí)現(xiàn)了“機(jī)械→液壓、旋轉(zhuǎn)→提放”的核心設(shè)計(jì)思路，已成功應(yīng)用于打撈落井鉆頭牙輪、電纜護(hù)罩等小件落物，指形抓閉合穩(wěn)定，打撈成功率達(dá)90%以上。

液壓脫手撈矛及液壓可退式撈筒實(shí)現(xiàn)了“機(jī)械→液壓、旋轉(zhuǎn)→提放”的核心設(shè)計(jì)思路，并且國(guó)內(nèi)外之前沒(méi)有類(lèi)似的打撈工具，因此這兩種工具填補(bǔ)了液壓打撈技術(shù)空白。

液壓錨定油管切割工具實(shí)現(xiàn)了“地面→井下、機(jī)械→液壓”的核心設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了水平段穩(wěn)定高效切割，在部分井況，取代連續(xù)油管輸送切割技術(shù)。