磨料射流切割偏心套管能力試驗(yàn)研究

付建民, 孫連坡, 李文龍, 楊 旭, 劉 詢

(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司, 天津 300459)

隨著生產(chǎn)平臺(tái)退役時(shí)間越來(lái)越接近設(shè)計(jì)年限,老井棄置作業(yè)越來(lái)越多,再加上部分井需要重復(fù)利用,經(jīng)常需要對(duì)套管進(jìn)行切割作業(yè),這對(duì)套管切割技術(shù)提出了更高的要求。

目前,常用的套管切割技術(shù)包括:磨料射流切割技術(shù)、機(jī)械水力割刀切割技術(shù)等[1]。機(jī)械水力割刀切割是將高壓液體泵入水力割刀體內(nèi),推動(dòng)3個(gè)割刀片向外張開(kāi)并與套管內(nèi)壁接觸,張開(kāi)的割刀片隨同切割鉆具旋轉(zhuǎn)并切割套管,從而達(dá)到將套管割斷的目的[2]。機(jī)械水力割刀切割技術(shù)具有作業(yè)效率低、難以切割3層以上套管組合等缺點(diǎn)[3]。磨料射流切割技術(shù)是在水射流中加入固體顆粒作為磨料,通過(guò)高速流體沖蝕被切割物體,從而實(shí)現(xiàn)切割物體的目的。磨料射流切割屬于冷切割法,具有切割質(zhì)量高,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,切割安全,對(duì)環(huán)境無(wú)污染,以及能切割材料的區(qū)域較寬等優(yōu)點(diǎn)[4],因此是套管切割作業(yè)首選方式,已經(jīng)在我國(guó)的渤海[5-6]、南海[7]的井筒棄置作業(yè)中成功應(yīng)用。

關(guān)于磨料射流切割技術(shù)的研究主要集中在工具的設(shè)計(jì)[5, 8]、切割機(jī)理[9-10]及常規(guī)套管切割試驗(yàn)[10-11],鮮見(jiàn)關(guān)于磨料射流切割偏心套管的研究。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常面對(duì)內(nèi)層套管居中度差,導(dǎo)致切割作業(yè)失敗的問(wèn)題。為了研究磨料射流切割偏心套管的能力,開(kāi)展了偏心套管切割試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析,計(jì)算最大切割區(qū)域尺寸。本文的研究結(jié)果對(duì)于棄置井的偏心套管切割作業(yè)具有一定的參考意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件制備

選取渤海油區(qū)常用的套管序列,即,762.0 mm(30")+339.7 mm(13")+244.5 mm(9")套管組合,在試驗(yàn)前加工等長(zhǎng)度相關(guān)套管,具體參數(shù)如表1所示。首先固定762.0 mm(30")隔水導(dǎo)管,并將339.7 mm(13")隔水導(dǎo)管置于其極限偏心位置。選用山東硅粉水泥配置固井水泥漿,在二者環(huán)空中灌入配置好的固井水泥漿,侯凝12 h。以同樣方式將244.5 mm(9")套管極限偏心并用水泥固于339.7 mm(13")套管內(nèi)。在操作時(shí)注意其偏心位置為同一方向。

表1 試驗(yàn)套管參數(shù)

偏心套管試件(以下簡(jiǎn)稱試件)如圖1所示。

圖1 偏心套管試件示意圖

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

提前在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)挖好土坑。將偏心套管試件放置于試驗(yàn)箱體內(nèi),再將該箱體埋于試驗(yàn)場(chǎng)地預(yù)先挖好的土坑內(nèi),并保證切割位置在地面以下,防止高壓流體傷人及損壞設(shè)備。

選取渤海地區(qū)常用的177.8 mm(7")套管切割噴槍。該噴槍在同一水平面180°分布2個(gè)噴射孔,噴射孔直徑為6.35 mm。每個(gè)噴射孔的最大排量約為2.3 沖/min,2個(gè)噴射孔預(yù)計(jì)最大排量約4.6 沖/min。壓力可以維持在22～24 MPa,以滿足噴砂切割需求。準(zhǔn)備40/70目石英砂,保證石英砂質(zhì)量濃度可以維持在0.06 g/cm3。組裝固定切割工具。

在箱體內(nèi)安裝攝像頭,方便觀察切割情況。

1.3 試驗(yàn)步驟

開(kāi)泵,保持沖次為4.6 min-1,排量穩(wěn)定后開(kāi)始加砂切割試件,觀察試件的水泥環(huán)較薄的一側(cè),割透試件較薄的一側(cè)后需繼續(xù)切割,以便切割試件的其余部分。若成功割斷試件,則停泵,結(jié)束試驗(yàn);若連續(xù)切割3 h仍未完全割斷試件,則停泵,結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)經(jīng)過(guò)

試驗(yàn)開(kāi)始后,緩慢開(kāi)泵、保持泵沖次在4.6 min-1,石英砂質(zhì)量濃度維持在0.06 g/cm3左右。30 min后通過(guò)攝像頭觀察試件,244.5 mm(9")套管已經(jīng)被切斷。水泥環(huán)因?yàn)槌惺芨邏?出現(xiàn)開(kāi)裂以及脫落的現(xiàn)象,導(dǎo)致攜砂液順著水泥環(huán)裂縫流入,從偏心套管上部噴出,如圖2所示,于是停泵?？紤]到水力噴射強(qiáng)度,以及保護(hù)上部設(shè)備的需要,在試件上部安裝簡(jiǎn)單防護(hù)設(shè)施。30 min后繼續(xù)起動(dòng)泵并開(kāi)始噴砂切割,同時(shí)提高石英砂質(zhì)量濃度至0.084 g/cm3。由于套管布局存在偏心現(xiàn)象,試件水泥環(huán)較薄的一側(cè)在連續(xù)切割63 min后被切斷,停泵查看套管斷口情況,并調(diào)整攝像頭位置。

圖2 防護(hù)箱體刺穿照片

圖3 切割位置剖面圖

調(diào)整過(guò)后繼續(xù)起泵切割,穿透試件一側(cè)的流體直接噴射至保護(hù)箱體壁,保護(hù)箱體在切割一段時(shí)間后穿孔(保護(hù)箱距離套管約1.1 m),并噴射出20 m左右的水柱,如圖2所示。另外一側(cè)在繼續(xù)切割大約200 min未發(fā)現(xiàn)切斷現(xiàn)象,決定停止切割,試驗(yàn)結(jié)束。

2.2 切口檢查結(jié)果

本次切割試驗(yàn)總計(jì)消耗約9 t石英砂(粒徑為40/70目),每個(gè)噴嘴的過(guò)砂量約為4.5 t。把噴槍提出套管后檢查,噴槍本體及噴射孔內(nèi)沒(méi)有明顯的沖蝕。噴嘴表面有一定磨損,但不影響繼續(xù)使用。經(jīng)校正后發(fā)現(xiàn),切割試驗(yàn)初期的射流中石英砂質(zhì)量濃度約為0.047 g/cm3,后期射流中石英砂質(zhì)量濃度在0.072 g/cm3左右。

分析試樣的切割剖面,如圖4所示,最先切透的是水泥環(huán)較薄的一側(cè),切透深度約為9 cm。3層套管內(nèi)部的水泥環(huán)由于高壓作用而脫落。最外側(cè)762 mm(30")導(dǎo)管的切孔為近似矩形,尺寸約為31.66 mm(長(zhǎng))×21.74 mm(寬),切孔較為規(guī)則。內(nèi)側(cè)244.5 mm(9")套管的切孔為橢圓形,是由于切割位置偏移所致,切孔尺寸約為40.48 mm(長(zhǎng))× 24 mm(寬)。

圖4 切割區(qū)域示意圖

試件水泥環(huán)最厚的一側(cè)并未完全穿透,339.7 mm(13")套管和762.0 mm(30")導(dǎo)管之間的水泥環(huán)切割表面形態(tài)清晰。通過(guò)測(cè)量得知,切割深度約為35 cm(從9"套管內(nèi)壁至水泥環(huán)被切割區(qū)域的最遠(yuǎn)端),至244.5 mm(9")套管中心的距離約為46 cm。內(nèi)側(cè)244.5 mm(9")套管壁噴射孔的形狀不規(guī)則,明顯有偏移現(xiàn)象,最長(zhǎng)處為39.62 mm,最寬處為24 mm。339.7 mm(13")套管上所留孔的形狀較為規(guī)則,尺寸約為38.6 mm(長(zhǎng))×34 mm(寬)。

2.3 結(jié)果分析

通過(guò)多層套管切割試驗(yàn)結(jié)果分析得出:該技術(shù)方案可切割區(qū)域直徑為46 cm×2=92 cm,即,直徑約為920 mm。在切割過(guò)程中,由于泵壓變化及試驗(yàn)箱體位置發(fā)生輕微偏移等因素,導(dǎo)致切割方向變化,造成切割時(shí)間比預(yù)期有所增加。此外,切割的割口平面垂直于套管。

為使切割工具居中,本次試驗(yàn)工具組合中已安裝扶正器。244.5 mm(9")套管的內(nèi)徑為224.4 mm,扶正器外徑216 mm,噴射工具在244.5 mm(9")套管正中位置。由于水泥環(huán)與套管的抗剪切能力的差異,對(duì)水泥環(huán)的切割區(qū)域尺寸并不等于實(shí)際套管可切割區(qū)域尺寸。對(duì)于常用金屬套管來(lái)說(shuō),其抗剪強(qiáng)度要明顯低于抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度,因此,磨料射流切割時(shí),其主要破壞形式為剪切破壞[9]。石英砂與金屬套管的接觸,相當(dāng)于圓球與內(nèi)圓柱面的接觸問(wèn)題,根據(jù)彈性力學(xué)理論得到顆粒與被切割材料的最大接觸應(yīng)力,若大于材料的臨界剪應(yīng)力強(qiáng)度,則材料發(fā)生破壞[12],即:

(1)

式中:τmax為被切割材料所受到的最大剪應(yīng)力,Pa;r1、r2分別為石英砂粒半徑、套管內(nèi)半徑,m;π為圓周率;F為噴射出的磨料對(duì)于被切割材料的打擊力,N ;k1,k2為材料關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(2)

式中:E1、E2分別為顆粒、被切割材料的彈性模量,MPa;μ1、μ2分別為顆粒、被切割材料的泊松比。

F與顆粒接觸被切割材料時(shí)的速度、密度有關(guān),根據(jù)動(dòng)量守恒定律,F的計(jì)算式為:

F=αρsqu

(3)

式中:α為磨料體積分?jǐn)?shù),無(wú)量綱;ρs為磨料的密度,kg/m3;q為噴射排量,m3/s,u為噴射中心線上流體接觸被切割材料時(shí)的速度,m/s。

在噴射切割過(guò)程中,噴射流體攜帶磨料從噴口噴出,經(jīng)過(guò)淹沒(méi)流體達(dá)到被切割位置處,速度有極大衰減,射流軸心速度可由式(4)計(jì)算:

(4)

式中:a為紊流系數(shù),無(wú)量綱;s為射流噴嘴與被切割位置的距離,m;d0為噴嘴直徑,m。

噴嘴出口流速為:

(5)

式中:φ為噴嘴的流速系數(shù),為未知量;p為噴嘴內(nèi)外壓差,Pa;ρ為流體密度kg/m3。

根據(jù)切割水泥試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以求得本切割工具噴嘴的流速系數(shù)φ=0.783。再將此系數(shù)及套管參數(shù)代入式(1),可求得切割區(qū)域直徑為0.839 m。即,當(dāng)最外側(cè)是套管時(shí),被切割區(qū)域是1個(gè)以切割工具為中心的直徑為0.839 m(約為33")的圓形,如圖5所示。

圖5 套管偏心計(jì)算示意圖

切割試驗(yàn)及其分析結(jié)果表明,在偏心嚴(yán)重的井眼條件下,有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)一趟切割762.0 mm(30")導(dǎo)管。一趟切割3層套管,對(duì)偏心距離要求較為嚴(yán)格。若套管組合為:762.0 mm(30")+339.7 mm(13")+244.5 mm(9")套管,根據(jù)分析可實(shí)現(xiàn)1次性切割。

2.4 最大偏心率計(jì)算

假設(shè)噴槍可以切割區(qū)域?yàn)橐試姌尀橹行?以762.0 mm(30")為外徑的圓,則切割成功與否只與244.5 mm(9")套管在762.0 mm(30")套管內(nèi)的偏心率有關(guān)。偏心套管如圖6所示。

偏心率計(jì)算公式為:

(6)

圖6中,x為244.5 mm(9")套管圓心與762.0 mm(30")套管圓心的偏離距離,即偏心距,m;R3、R1分別為244.5 mm(9")套管、762.0 mm(30")套管的外壁半徑。

為保證噴槍切割區(qū)域全覆蓋762.0 mm(30")套管,則必須保證:

R1+x≤Dj/2

(7)

式中:Dj為噴槍噴射切割區(qū)域的直徑。

通過(guò)上述分析,已經(jīng)得出Dj約為838.2 mm(33"),則滿足切割要求。計(jì)算得到最大偏心率約為14.7%。

3 結(jié)論

1) 在762.0 mm(30")+339.7 mm(13")+244.5 mm(9")套管組合情況下,若套管偏心較為嚴(yán)重,則存在無(wú)法成功切斷全部套管的風(fēng)險(xiǎn)。建議339.7 mm(13")套管在偏心率小于14.7%時(shí)選用磨料射流切割工藝;當(dāng)偏心率大于14.7%時(shí),推薦其他套管切割方式。

2) 在508.0 mm(20")+339.7 mm(13")+244.5 mm(9")套管組合情況下,磨料射流切割工藝可對(duì)任意偏心套管進(jìn)行切割。

3) 建議后續(xù)開(kāi)展大尺寸切割相關(guān)工具的研制,以及更高效的切割方法研究。