反洗式水力割刀的研制與應用

王華南

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業公司，天津 300461)

?

反洗式水力割刀的研制與應用

王華南

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6作業公司，天津 300461)

秦皇島區塊大修井作業中打撈防砂管柱需要對其進行分段切割后用撈矛實施分段打撈，將其撈出。切割作業多由水力式內割刀實施完成，然而對于出砂嚴重的井或漏失量大的井，水力式內割刀能否下鉆至設計位置、將砂子沖出并成功實施切割作業就成為大修打撈作業的關鍵。在普通水力割刀的基礎上研制出可反洗式水力割刀，其刀體結構采用硬質合金顆粒與硬質合金刀片結合的刀體結構，使得該割刀能在惡劣的井況下工作，保證切割的成功率。同時使得沖洗工藝與水力切割工藝集成于一趟鉆完成，省去了單獨下沖洗管柱的時間與成本。現場實施于QHD32-6-C7井等4口井的大修過程中，共使用17次，成功下至設計切割深度并實施切割，切割成功率100%。經濟效益顯著。

大修；反洗；水洗割刀；現場應用；工作效率

秦皇島區塊部分開發井在檢泵作業過程中發現存在出砂現象，需要實施大修作業[1]。在對該井大修打撈防砂管柱過程中，間歇性出砂，所以在下割刀之前，要下一趟通井沖洗的管柱，使防砂段內的砂子或臟物沖洗出井，然后才能下切割管柱至設計深度進行篩盲管的切割[2]。然而，即使下了一趟通井沖洗管柱后，也無法保證切割管柱可以順利實施切割，比如對于井斜大的井，井筒的低邊總是殘留少量砂子，在下放切割管柱時，這些砂子就會進入到割刀內的水眼中，當切割時造成憋壓而無法實施切割。針對該區塊大修作業過程中存在的問題，對水力割刀進行改進，研制出反洗式水力割刀，采用硬質合金顆粒與硬質合金刀片結合的刀體結構，使得該割刀能在惡劣的井況下工作，保證切割的成功率。同時使得沖洗工藝與水力切割工藝集成于一趟鉆完成，省去了單獨下沖洗管柱的時間與成本。并且經過改進的刀片使得切割效果更加明顯，增加了切割的有效性。

1 反洗式水力割刀的改進研制

1.1 反洗式水力割刀設計

該割刀是一種適合反洗工藝的水力式內割刀，使切割工藝與反洗井工藝在一趟鉆中實現，提高效率。正循環時小水眼產生壓降實現切割功能，反循環時水眼變大，沖砂洗井不憋壓、不易堵，具體結構如圖1所示。主要由上接頭、本體、刀體部件、活塞管、外管、閥板、閥座、沖管、上連接體、下連接體、打撈爪盤、引鞋等組成。

圖1 可反洗式水力割刀結構圖

1.1.1 技術創新

經過改進的可反洗式水力割刀使得沖洗工藝與水力切割工藝集成于一趟鉆完成，省去了單獨下沖洗管柱的時間與成本。并且經過改進的刀片使得切割效果更加明顯，增加了切割的有效性。可反洗式水力割刀成功應用，得益于如下幾方面的創新(圖2)。

圖2 刀體結構與開啟式閥板結構示意圖

1)開啟式閥板結構的應用。當反循環時，鉆井液從環空進入水眼內，推動沖管壓縮彈簧向上運動，推開閥板，此時內割刀的通道打開，水眼變大，沖砂洗井不憋壓、不易堵。沖砂洗井結束后停泵，壓力消失，沖管在被壓縮彈簧作用下向下運動復位，同時，閥板在被壓縮扭簧的作用下旋轉復位。復位以后就可以正循環實施切割作業。

2)刀體結構改進。采用硬質合金顆粒與硬質合金刀片結合的刀體結構，使得該割刀能在惡劣的井況下工作，保證切割的成功率。

圖3 正循環示意圖 圖4 反循環示意圖

1.1.2 工作原理

正循環時(圖3)，當割刀下入井內達到預定切割位置，開泵循環，逐漸加大排量，鉆進液通過閥板上噴嘴產生壓力差，該壓力差使活塞管克服彈簧阻力向下運動，推動刀頭向外旋轉進入切削狀態，此時旋轉割刀就可進行切割。割斷落魚后，停泵，壓力差消失，活塞管在被壓縮彈簧作用下向下運動復位。刀頭在彈簧壓片的作用下向內旋轉復位。割刀就能從井中取出。

反循環時(圖4)，鉆井液從環空進入水眼內，推動沖管壓縮彈簧向上運動，推開閥板，此時內割刀的通道打開，水眼變大，沖砂洗井不憋壓、不易堵。沖砂洗井結束后，停泵，壓力消失，沖管在被壓縮彈簧作用下向下運動復位，同時，閥板在被壓縮扭簧的作用下旋轉復位。

同時該割刀帶有打撈爪盤和耐磨沖洗頭，沖砂洗井時耐磨沖洗頭可以撥動砂層，打撈爪盤可以撈住洗井過程中較大的落物如膠皮等。

1.1.3 技術規范

1.1.4 主要零件的材料性能

割刀結構屬于中空的細長桿件且筒體較薄類型。依API標準對鉆具的材料要求，選取具有較高強度的42CrMo合金結構鋼并經調質處理，作為產品的主體結構材料。鋼材的成分應符合GB3077-1999標準的規定[3，4]。

為了適應工作條件下的應力狀態，熱處理后的力學性能應達到以下要求：硬度285～321HB；最小屈服強度≥930MPa；伸長率≥12%；夏比沖擊功≥54kJ。

根據危險截面校核原理[5，6]，危險截面抗拉抗扭計算結果如表1所示，其他規格反洗井割刀計算數據如表2所示。

表1 反洗井割刀危險截面抗拉抗扭計算表

表2 其他規格反洗井割刀計算數據表

1.2 工具性能測試與改進

1.2.1 割刀刀片漲開和收回試驗改進

經過10次室內模擬試驗，更改活塞密封結構，降低密封摩阻，提高彈簧強度，解決刀片無法完全收回的難題。設計2種刀片進行比較，整體鑲嵌合金刀片易崩刀尖，基本切不斷篩盲管，堆焊合金刀片切割效果好。

1.2.2 割刀參數試驗優選

針對不同節流噴嘴，在反洗排量20～30m3/h的情況下進行切割試驗，記錄其切割時間、扭矩轉速的對應關系。通過模擬計算可以滿足2個條件：反洗沖砂水眼節流壓力小于2.5MPa，保證井不漏水；沖砂上返流速大于0.9m/s，確保砂沖出來。反沖砂參數優化結果如表3所示，切割相關參數試驗結果如表4所示，均滿足要求。

表3 反沖砂參數優化表

表4 切割相關參數試驗表

2 現場應用

在現場將反洗式水力割刀實施于QHD32-6-C7井等4口井的大修過程中，共使用17次，成功下至設計切割深度并實施切割，切割成功率100%。具體使用情況如表5所示。按照平均每口井用4次反洗式水力割刀計算，可節省4趟鉆的沖砂通井時間；假設井深2000m，每趟鉆的時間為16h，則每口井可節省的沖砂通井時間大約為2.7d。按照鉆具及人員日費7萬元算，則每口井可節約人民幣的20萬元，經濟效益顯著。

3 結論

2)經過改進的可反洗式水力割刀使得沖洗工藝與水力切割工藝集成于一趟鉆完成，省去了單獨下沖洗管柱的時間與成本。并且經過改進的刀片使得切割效果更加明顯，增加了切割的有效性。

3)隨著油井開采時間的增加，很多油水井都進入到“老齡化”，很多油井都存在著出砂問題或結垢問題而急需大修使油水井復產。反洗式水力割刀的應用會越來越多，并且其可以集沖洗與切割于一趟管柱，大大降低了作業時效與作業成本，應該前景廣泛。

[1]李長平，王其昌，邸寶智，等. 套管補貼改進技術在大港南部油田的應用[J].管理學家，2014, 111.

[3]機械工程手冊、電機工程手冊編委會.機械工程手冊(第5卷)[M].北京：機械工業出版社，1982.

[4] 季鵬，李亞方，馬魁魁，李寶生，劉榮等.淺談機械水力割刀套管切割技術[J].中國石油和化工標準與質量，2013年，9(下)：67.

[5]周全興，孫桂榮，史增啟，等.鉆采工具手冊(上)[M].北京：科學出版社，2000.

[6]周全興，孫桂榮，史增啟，等.鉆采工具手冊(下)[M].北京：科學出版社，2000.

[編輯] 黃鸝

2016-07-06

國家科技重大專項(2011ZX05024-003-04)。

王華南(1979-)，男，工程師，現主要從事修井和增產工藝技術應用及管理工作,wanghn2@cnooc.com.cn。

TE358.4

A

1673-1409(2016)35-0066-04

[引著格式]王華南.反洗式水力割刀的研制與應用[J].長江大學學報(自科版),2016,13(35):66～69.