水力切割雙層套管一次作業式技術在海洋棄井中的應用

朱國寧，和鵬飛，關賀坤，葛文臣，王瑞

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452

水力切割雙層套管一次作業式技術在海洋棄井中的應用

朱國寧，和鵬飛，關賀坤，葛文臣，王瑞

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452

隨著海洋石油事業的不斷發展，越來越多的老齡油氣井失去了繼續生產的價值，需要采取永久性棄井措施，防止油氣泄漏造成環境污染。遼東灣某平臺整體棄井項目中創新研究并使用了一次作業式雙層套管水力切割技術，大大縮短棄井工期，達到降本增效的目的。

棄井；水力切割；雙層套管；海上油田

從1967年“海一井”見產出油拉開渤海油田大開發的序幕，截至“十二五”期間，渤海油田穩產3 000萬m3/a，實現歷史跨越[1]。但是一批老油田或老開采平臺的開發使用已經接近設計使用年限或者涉及軍企用海關系，需要按照操作程序進行廢棄處置，老開采平臺的處置最主要的是對老井眼的永久性棄置作業[2-4]。對開采平臺及相關油氣井的永久棄置作業在國內屬于首次[5]。

套管切割回收是棄井作業中的最后一道工序，也是最為關鍵的一個環節。由于海洋石油作業成本高昂，如何使用合適的棄井工具，控制合理的切割參數，快速高效地切割回收套管變得尤為重要。一般棄井作業中使用對應套管尺寸的水力割刀工具，采用逐級逐段進行切割，雖然技術安全且工具性能穩定，但是耗時較長，經濟性有待提高。

1　海上油氣井棄井技術現狀

1.1棄井標準

根據Q/HS 2025-2010《中國海洋石油總公司棄井標準》和SY/T6845-2011《海洋棄井作業規范》等規定，永久棄井必須對海底泥面以下4.0 m范圍內所有套管進行切割及回收作業。

1.2水力式內割刀切割技術

1.2.1結構原理

海上石油作業常用的套管切割工具為AND-S型水力式內割刀，其結構由頂部接頭、本體、活塞、活塞管、彈簧耐磨襯套、割刀片、噴嘴、鉸鏈銷等部件組成，如圖1所示。

圖1　水力式內割刀示意

1.2.2工作原理

泥漿泵將高壓液體（鉆井液或海水）泵入水力式內割刀體內，高壓液體通過活塞內的噴嘴產生壓力降，推動活塞壓縮彈簧使活塞桿下行，活塞桿下端推動三個割刀片向外張開與套管內壁接觸，張開的三個割刀片隨同切割鉆具順時針旋轉，三個割刀片周向同時切割套管，直到將套管割斷[6-9]。

1.2.3操作模式

切割鉆具組合：AND-S型水力式內割刀+扶正器+鉆桿。參數控制：轉盤（或頂驅）轉速30～70 r/min，排量（泵速）30～80沖/min。AND-S型水力式內割刀下入套管內之前，先在鉆臺上進行水力試驗，在2 MPa壓力下三個刀片能張成水平狀態，卸壓到零，三個刀片能自動收縮到刀體內。試驗合格后，用粗約2～3 mm的白棕繩將刀片用內綁方式捆綁到割刀體內，以防刀片在下鉆途中張開。水力式內割刀下到切割深度后，應先進行空負荷試驗，即先不開泵，只轉動鉆柱，作30、50、70 r/min三種不同轉速下的扭矩試驗，并做好懸重、鉆壓、轉速、扭矩記錄。正式切割套管時采取先轉動鉆柱后開泵、轉速先低后高、排量先小后大的原則，逐漸加大轉速與排量，均勻平穩切割套管，保護刀片不被先期損壞。判斷套管被割斷后，先停轉，把泵壓加大到10 MPa后，進行過提50 kN左右，如能過提50 kN，則證明套管已被割斷，然后停泵，起出水力式內割刀。

1.3磨料水力射流內切割技術

1.3.1技術原理

高壓水射流技術是近30年來發展起來的一項新技術，磨料水力射流是在純水射流中混入石英砂、金剛砂、石榴石、陶粒等高硬度的固體顆粒而形成的一類高壓射流。其切割原理是通過噴嘴加速后沖擊到被切割物表面，利用磨料顆粒對材料的沖蝕作用實現切割。同等壓力條件下磨料射流的切割能力大大超過純水射流。

1.3.2渤海油田應用情況

2014年在渤海遼東海域L區塊整體開采平臺棄置中使用了磨料水力射流技術。對于井筒情況正常的井使用該技術可一次從泥面以下4.0 m左右整體切割內層套管以及外層隔水導管。但是對于部分出現油套同壓情況的井（如S3井），該設備不足以完全滿足作業需要。

2　遼東L區塊S3井棄井難點

2.1S3井基本情況

（1）S3井井身結構：φ762.0 mm隔水導管+ φ508.0 mm套管+φ339.7 mm套管+φ244.5 mm套管+φ177.8 mm尾管。

（2）防凍措施。S3井位于渤海遼東L區塊，冬季天氣寒冷，海冰是該區域鉆完井作業的主要氣象災害。該井于上世紀90年代初期完鉆投產，距今已近30年。1991-12-07報告顯示：“棄井，φ508.0 mm套管和φ339.7mm套管間注柴油12桶，油水交界面低于海面5.7m，φ339.7mm套管和φ244.5mm套管之間注柴油2.7桶，油水交界面高于海面2.3 m”；1991-12-08報告顯示：“棄井，φ762.0 mm隔水導管與φ508.0 mm套管之間注水泥1.9m3，密度1.8g/cm3”。

2.2棄井難點分析

（1）環保問題。該井于1991年棄置，鑒于當時的作業技術，該井在套管環空內注入了柴油混合物作為防凍液體。如果在棄井時直接下入磨料水力射流工具一次性切割，勢必導致防凍液體流落海中，對海洋環境造成影響。而在切割前進行回收的可能性也極低，因為尚無有效工具進入環空進行循環驅替清洗。

（2）常規方案耗時長。若不能使用磨料水力射流切割，按照常規作業方案需由內向外逐層套銑、水力內切割導管。即先分段套銑、起出φ244.5 mm套管，然后套銑、起出φ339.7 mm套管至泥面以下4.0 m（總長約80.0 m）。按一次套銑8.0 m，每層需要10次套銑+切割，之后循環清洗井筒，再次整體切割，如此工期耗時極長。

（3）重復切割的故障率高。如果切割過程中出現割刀磨損嚴重，需要起鉆更換，更換后的割刀一般很難再準確進入上次切割的位置及狀態，造成時效浪費。

（4）在常規單井棄井切割時，分層切割未顯示明顯的時效差，但是對于整個平臺數量較多井的棄置切割，累加時效影響較大。

鑒于上述問題，決定在不改變切割工具的情況下，借助割刀長度的優選，嘗試多層一次式切割。

3　雙層套管一次式切割的可行性分析

3.1套管基礎數據

套管基本數據見表1。

表1　套管基本數據

3.2一次雙層切割可行性分析

同時切割φ244.5 mm和φ339.7 mm套管，割刀刀體尺寸選擇φ209.5 mm。對于刀片型號的選擇，首先要保證刀片完全張開時能滿足割開φ339.7 mm套管的要求。對于多層套管切割，由于套管都存在偏心的情況，同時水力割刀在割開偏心邊φ339.7 mm套管后，割刀也會偏向內層φ244.5 mm套管，因此刀片的最小尺寸要滿足套管極限偏心狀態下（如圖2為某4井套管偏心情況）能切割開隔水套管。用φ209.5 mm水力割刀，同時切割φ244.5 mm套管和φ339.7 mm套管，極限偏心狀況如圖3。經計算在極限偏心狀態下，切割半徑為212.0 mm。

圖2　某4井套管偏心情況

圖3　套管偏心狀態示意

3.3試驗

在試驗場地首先利用廢棄套管短節充填水泥方式，模擬套管相對偏心狀態。選用的φ240.0 mm刀片做功能試驗，最大張開半徑大于212.0 mm，滿足極限偏心下全部割開管徑φ339.7 mm套管的要求。論證一次切割技術措施可行。

4　現場應用

S3井共進行3次雙層套管切割作業，刀體均采用φ209.5 mm水力割刀，刀片分別選取C9-8-12、C9-8-21、C9-8-24。

4.1第一次切割作業

刀片選擇：C9-8-24。

切割參數：轉速50～70 r/min，排量400 L/min，泵壓8.8 MPa，扭矩3～6 kN·m，切割8 h，未見割斷跡象。

起鉆檢查刀片，刀片刀尖已磨掉，更換新C9-8-24刀片后下鉆至原切割位置繼續切割，切割參數維持原值，切割5 h后，懸重突然增加了50 kN，扭矩波動較大，最后扭矩維持在1.0 kN·m，鉆具晃動明顯，確定割斷雙層套管。本次切割累計時間13.0 h。

刀片出井后，發現刀尖磨損，本體磨損較小，如圖4所示，更換相同刀片第二次入井切割后磨損較大，但割斷了套管。說明C9-8-24刀片較長，在切割過程中大部分時間處于擴開切割空間的狀態，縱向受力大于橫向受力，即便是點放鉆具也無法使刀片充分伸展，導致切割效率較低。

圖4　C9-8-24刀片出井情況

4.2第二次切割作業

刀片選擇：C9-8-12/C9-8-21。

C9-8-12刀片切割參數：轉速30～60 r/min，排量400L/min，泵壓9.0MPa，扭矩6.0～10.0kN·m，切割2.0 h，懸重增加10 kN，起鉆更換刀片。

C9-8-21刀片切割參數：轉速30～60 r/min，排量400 L/min，泵壓9.0 MPa，扭矩5.0～8.5 kN·m，切割9.0 h，切割過程中最大扭矩11 kN·m，懸重突增40 kN，扭矩逐降至2.0～4.0 kN·m，確定割斷雙層套管。本次切割累計時間11.0 h。

第二次切割作業選擇首先使用C9-8-12短刀片切開切割空間，再使用C9-8-21長刀片切割，短刀片和長刀片磨損都較小，說明兩種割刀都沒有提供較多切割力，且刀口位置上下不一，短刀片的割口不一定被長刀片對準，影響了切割效率。

4.3第三次切割作業及認識

刀片選擇：C9-8-21。

切割參數：轉速40 r/min，排量400 L/min，泵壓8.5 MPa，扭矩3.0～8.0 kN·m，切割3.5 h，扭矩波動大，由10.0 kN·m降至1.0～4.0 kN·m，懸重緩慢增加40 kN，判斷已經割斷，見圖5。本次切割累計時間為3.5 h。

圖5　切割后的套管情況

5　效果對比

對于常規一次單層切割技術和S3井所用的一次式雙層切割技術結果對比如下：

（1）時效性。相對于一次式單層切割，一次式雙層切割具有提高時效近1/2的優勢，這對于海上日費較高的情況來說，無疑是最大的優勢。

（2）選擇性。由于一次式雙層切割之前未曾有類似作業經驗，初期對于水力內割刀尺寸的選擇有一定的困難，通過理論計算、試驗分析以及應用改善，最終得出合理的選擇。而對于一次單層切割，割刀的尺寸選擇較為簡單。

（3）故障率。一次式單層切割對于刀刃等強度要求較低，但是對于一次式雙層切割強度成倍增加，對于割刀的強度要求也隨之提高。實踐證明使用常規強度割刀，可以實現作業，但磨損情況比較明顯。

6　結論

（1）水力切割套管技術在棄井作業中使用較多，對于大規模平臺棄置作業，磨料水力射流內切割對于常規井具有絕對的技術先進性，但是對于類似S3井油套同壓的情況卻無法實現作業。

（2）在滿足能割開雙層套管的尺寸要求下，盡量選擇較短的刀片，保證初始張開角度盡量大，減少切割時間，提高切割效率。

（3）一次式雙層套管切割注意事項：切割初始，由于刀片張開角度較小，切割扭矩一般也比較小，切割一段時間后，扭矩會逐漸增大，懸重會增加，說明內層φ244.5 mm套管已經割開，此時可以點放鉆具（控制懸重增加量10 kN左右），扭矩也會增加，繼續切割扭矩逐漸平穩，懸重逐漸增加，重復操作點放鉆具至雙層套管割斷。過程不宜操之過急，避免高扭矩高泵壓造成刀片提前損壞。

（4）雙層套管割斷判斷方法：理想割斷情況是鉆具出現晃動增大，懸重增加，扭矩大幅度減小等情況；有時割斷情況不理想，如扭矩無明顯減小但出現有規律波動，懸重無明顯變化，遇到這種情況，可以適當增加切割時間，保證雙層套管的割斷。

[1]經濟日報.渤海油田產量突破3 000萬方[J].石油和化工設備，2015（2）：29.

[2]蘇彥春，王月杰，繆飛飛.水驅砂巖油藏開發指標評價新體系[J].中國海上油氣，2015，27（3）：60-65.

[3]王海濱，張緊，李文.海上邊際油田設施棄置項目管理實踐[J].項目管理技術，2013（1）：98-100.

[4]吳非，于春潔.海上平臺棄置方法研究[C]//2014年第三屆中國海洋工程技術年會論文集.北京：中國造船工程學會，2014.

[5]馮定，盧漢斌，夏成宇，等.深水棄井作業套管切斷的判斷方法[J].石油礦場機械，2015（5）：83-86.

[6]姜亮，朱培，李繼勇.水力切割套管技術探討與應用[J].科技與企業，2015（1）：125-125.

[7]田曉潔，劉永紅，林榮桔，等.深海套管切割工具的研究和發展現狀[J].石油機械，2011（11）：67-71.

[8]顏生鵬.青海油田套管切割工藝改進與應用[J].石油鉆采工藝，2014（5）：134-137.

[9]和鵬飛，侯冠中，朱培，等.海上φ914.4 mm井槽棄井再利用實現單筒雙井技術[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（3）：45-48.

Application of Hydraulic Cutting Technique with One-time Operation Mode for Cutting Double Casings in Offshore Abandonment Operation

ZHU Guoning，HE Pengfei，GUAN Hekun，GE Wenchen，WANG Rui
CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Tianjin 300452，China

As the development of the offshore petroleum industry，more and more old oil and gas wells lost the value of continuous production，these wells need to take a permanent abandon in order to prevent environmental pollution caused by oiland gas leakage.In the wells abandonment project of a platform in Liaodong Bay，the new developed hydraulic cutting technique to cut double casings with one-time operation mode is used.It reduces the abandonment time period and cost significantly.

wellabandonment；hydraulic cutting；double casings；offshore oilfield

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.007

朱國寧（1985-），男，山東濟寧人，工程師，2007年畢業于中國石油大學（華東），主要從事海洋石油鉆井技術監督與管理工作。Email：zhugn@cnooc.com.cn

2016-04-15