聚能切割技術在水平井連續油管切割中的應用

高 強， 王寶興， 汪長栓， 劉景陽， 霍紅星， 李 凱， 楊曉林

(北方斯倫貝謝油田技術(西安)有限公司， 西安 710065)

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聚能切割技術在水平井連續油管切割中的應用

高 強， 王寶興， 汪長栓， 劉景陽， 霍紅星， 李 凱， 楊曉林

(北方斯倫貝謝油田技術(西安)有限公司， 西安 710065)

摘要：將環形聚能切割技術應用于水平井連續油管遇卡事故處理中，可以解決連續油管在水平井中的遇卡事故。針對2英寸連續油管的特點，設計了一種聚能切割彈及連接裝置馬籠頭，主要從切割彈結構設計、藥型罩結構設計、裝藥選擇、馬籠頭結構設計及施工工藝等方面進行了研究。通過地面切割試驗、現場應用，設計的聚能切割裝置，及電纜傳輸工藝實現了水平井中遇卡連續油管的切割解卡，操作簡便、施工安全。

關鍵詞：聚能切割； 連續油管； 切割彈； 水平井； 炸高； 藥型罩

1引 言

近年來，國內外在水平井鉆探技術方面發展突飛猛進，由于水平井鉆井量的增加及其特殊的開采工藝，連續油管在水平井開采過程中的使用頻率逐步增加。水平井環境復雜，且對連續油管施工工藝的要求比較高，導致了在水平井施工中連續油管的遇卡事故逐年上升。采用聚能切割技術研制的聚能切割彈可以實現水平井中遇卡連續油管的切割解卡處理，具有施工工藝簡單、施工周期短、費用低等優點。

2試驗研究

2.1切割機理

利用炸藥的聚能裝藥理論，將藥型罩做成環形〔1〕，并裝填高能聚能炸藥，當聚能切割彈的裝藥被引爆后，炸藥爆炸，迅速壓垮藥型罩并聚焦形成沿聚能穴法線方向高速運動的連續射流，其頭部速度接近4 500m/s，它們之間的碰撞可近似為流體碰撞，射流頭部很容易侵徹到連續油管中，后續的射流重復以上的過程直至將連續油管切割開。

2.2聚能切割彈方案的選擇

2.2.1切割彈裝藥選擇

炸藥裝藥〔2-3〕是聚能射流的能源，炸藥的種類、裝藥量直接影響切割彈的切割效果〔4〕。根據爆轟理論應盡量選擇爆速高、密度大的炸藥，有利于達到較好的切割效果。在考慮到連續油管內部空間比較小，導致切割彈裝藥直徑比較小的特點，選用了一種爆速高、密度大的以RDX為基礎的混合炸藥X作為切割彈裝藥〔5〕。

2.2.2切割彈裝藥量設計

根據2英寸連續油管的特點，要求裝藥量既能完全切割開連續油管，又要盡可能的降低裝藥量。裝藥量過大會導致切割作業后切割彈上接頭及連續油管切口翻邊過大，易造成上提電纜時電纜遇卡事故及切割口過大不易取出；切割彈藥量過小則影響切割效果。所以有效裝藥量〔6〕對切割效果影響比較大。經過設計不同裝藥量的切割彈并進行反復的地面切割試驗，考慮到地面試驗是在無壓力的環境下進行，而井下切割作業是在有壓力的環境中進行的特點，最終選擇上接頭翻邊小于1mm，而裝藥量相對大的4號試驗方案作為最終方案進行井下試驗，裝藥量的選擇如表1所示。

表1　裝藥量選擇

2.2.3切割彈藥型罩角度及壁厚的選擇

根據聚能效應〔7〕，一般選用紫銅藥型罩〔8〕作為切割彈的藥型罩。藥型罩的角度及壁厚直接影響著切割彈的切割效果，藥型罩角度大，則形成的射流粗，但穿深低；藥型罩角度小，形成的射流細，不穩定，但穿深大。通過對多種角度的藥型罩進行切割試驗，最終選擇藥型罩角度為120°。

藥型罩的壁厚與藥型罩的角度具有一定的匹配關系，即使藥型罩的角度選擇合理，但藥型罩的壁厚過大或者過小都將影響切割效果，通過選擇不同壁厚的藥型罩進行切割試驗，發現2英寸連續油管切割彈藥型罩壁厚為1.1mm時，切割效果最佳，見表2。

表2　藥型罩角度、壁厚的選擇

2.2.4切割彈炸高的選擇

根據聚能爆破理論，環形藥型罩的炸高〔9〕對其切割效果影響比較大，在切割彈的外殼體內部正對環形藥型罩的位置設計一個環形的凹槽，從而起到炸高的作用。一般炸高的高度在2mm～15mm〔10〕，根據連續油管切割彈藥型罩直徑比較小的特點，可以選擇較小的炸高，通過設計不同高度的炸高進行地面切割試驗，最終選擇了2mm的炸高作為最終方案進行井下切割試驗，炸高的選擇如表3所示。

表3　炸高的選擇

2.2.5聚能切割彈總體設計

水平井中2英寸連續油管切割彈主要由殼體、裝藥結構、傳爆裝置和上接頭4部分組成，見圖1。

圖1　聚能切割彈Fig.1　Shaped cutter charge

2.2.6現場施工用電纜馬籠頭設計

由于在水平井中施工，井下條件比較復雜，必須設計一種專用的馬籠頭將電纜與切割彈進行連接，才可以確保施工過程中電纜與切割彈連接的可靠性，針對這一要求設計了專用的馬籠頭，其最大外徑為35mm，具體結構如圖2所示。

3試 驗

3.1試驗目的

通過對水平井中遇卡的連續油管進行切割試驗，檢驗設計的2英寸連續油管切割彈在水平井中的切割效果,切割施工過程中電纜泵送傳輸切割彈工藝的安全性、可行性。

圖2　馬籠頭示意圖Fig.2　Schematic of cable bridle

3.2試驗方法

利用電纜泵送工藝將聚能切割彈下放到切割位置,對金屬管柱實現切割作業，如圖3所示。

圖3　試驗方法示意圖Fig.3　Illustration of test

3.3試驗參數

試驗切割管柱為2英寸連續油管，外徑50.8mm，內徑40.8mm，壁厚5mm;聚能切割彈外徑37mm;馬籠頭外徑35mm;切割深度3 330m，垂直深度為2 560m，水平長度為770m;連續油管內及連續油管外側介質為清水，連續油管外側為5-1/2英寸套管。

3.4試驗結果

切割作業后，2英寸連續油管被完全切割斷，如圖4所示。

圖4　切割效果Fig.4　Cutting result

可使用電纜泵送工藝將聚能切割彈順利輸送到切割位置，且切割作業后使用電纜可以順利將切割彈上端殘留物提出井口，井下無任何落物。

3.5試驗分析

(1)從切割效果可以看出，切割作業后，2英寸連續油管被完全切割斷，切口整齊，無任何粘連。通過對切割位置進行測量，切口處最大脹徑為54mm。

(2)專用馬籠頭的工具串在電纜泵送工藝中，安全可行。

(3)采用泵送工藝可以順利將切割彈輸送到指定切割位置。

(4)切割作業后，切割彈殘留的上端殼體可通過電纜順利提出井口，井下無落物。

4結 論

(1)2英寸連續油管切割彈直徑小，裝藥量小，可通過內徑比較小的連續油管，且切割作業后不會對外層套管造成任何損傷。

(2)在水平井中，管柱中液體可循環的條件下采用的泵送工藝安全、可行。

(3)2英寸連續油管切割彈為水平井中遇卡的2英寸連續油管解卡處理提供了一種經濟、快捷、操作簡單的解決方案及施工工藝。

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Application of the shaped charge cutting technology in cutting coiled-tubing of horizontal wells

GAO Qiang, WANG Bao-xing, WANG Chang-shuan, LIU Jing-yang, HUO Hong-xing, LI Kai, YANG Xiao-lin

(North Schlumberger Oilfield Technologies (Xi′an) Co.,Ltd., Xi′an 710065, China)

ABSTRACT：In order to eliminate the sticking accident of coiled-tubing in horizontal wells, the annular shaped charge cutting technology was applied. In response to the features of 2 inches coiled-tubing, one cumulative cutter and connective device was designed. The structure design of cutter and shaped charge liner, charge selection,the bridle structure design and the connective device with the technique were mainly studied. The cutter has resolved the problem of cutting the sticking coiled-tubing in horizontal wells by the cutting experiments and application.

KEY WORDS:Shaped charge cutting; Coiled-tubing； Cutter； Horizontal well； Height of burst； Shaped charge liner

文章編號：1006-7051(2016)02-0048-03

收稿日期：2016-01-04

作者簡介：高 強(1980-)，男，工程師，主要從事油田爆破器材的研制與開發工作。E-mail: gao.qiang@xtc.slbcn.com通訊作者：王寶興(1961-)，男，教授級高級工程師,主要從事特種民爆切割技術研究。E-mail: wang.baoxing@xtc.slbcn.com

中圖分類號：TD235； TG48

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.010