多層套管切割技術(shù)及套管偏心影響分析

李國林, 黃開展*, 劉薇, 吳剛, 馮殿閣

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司, 廣東 湛江 524057；2.中海石油 (中國) 有限公司湛江分公司, 廣東 湛江 524057)

0 引言

現(xiàn)階段國內(nèi)外對(duì)多層套管尤其帶水泥環(huán)的偏心套管切割技術(shù)研究較少，目前的研究主要集中在單層套管的切割技術(shù)。單層套管切割技術(shù)難度低，可選擇性較多，常見的技術(shù)主要包括聚能切割、化學(xué)切割、磨料水射流切割技術(shù)和機(jī)械切割技術(shù)[1-3]。常用的切割工具主要有切割彈切割、高聚能鎂粉火炬切割系列工具（RCT）、水力自旋式可控磨料射流切割裝置和ND-S型水力式內(nèi)割刀切割工具。目前機(jī)械式水力割刀切割技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)便捷性被應(yīng)用較多。文章主要介紹機(jī)械式水力割刀在多層套管切割時(shí)的應(yīng)用及技術(shù)分析。

1 水力割刀簡(jiǎn)介

目前我們使用的水力割刀普遍為ND-S型水力割刀，其刀體分為七種。

1.1 ND-S型水力割刀結(jié)構(gòu)組成

ND-S型水力式內(nèi)割刀是一種內(nèi)切割工具，利用水馬力來推動(dòng)割刀進(jìn)行管內(nèi)切割的工具，在切割多層非同心套管時(shí)，能承受劇烈的震動(dòng)。

1.2 ND-S型水力割刀工作原理

當(dāng)割刀下入到預(yù)定切割位置時(shí)，開泵循環(huán)，泥漿泵將高壓液體（鉆井液或海水）泵入水力割刀內(nèi)部，高壓液體流經(jīng)割刀內(nèi)指示器內(nèi)部噴嘴，上下形成明顯的壓力差，調(diào)節(jié)泵壓形成足夠大的壓力差，當(dāng)壓差達(dá)到活塞下行的固定值，活塞壓縮彈簧使活塞桿下行，從而活塞桿下端推動(dòng)刀片，三個(gè)割刀片繞根部銷釘向外張開與套管內(nèi)壁接觸，張開的三個(gè)割刀片隨同切割鉆具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，三個(gè)割刀片周向同時(shí)切割套管，直到將套管割斷。

2 多層偏心套管切割

2.1 割刀選擇

在套管切割作業(yè)中，割刀的選擇至關(guān)重要，合適的割刀可以更快速有效地割開套管，反之如果割刀不匹配將影響套管切割的效率，甚至造成井下事故的發(fā)生。因此我們?cè)谔坠芮懈钭鳂I(yè)時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境和要求選擇合適的割刀。

2.2 套管偏心對(duì)切割的影響

2.2.1 套管偏心模型

多層套管切割，由于割刀本體和最內(nèi)層套管內(nèi)徑差距較小，故割刀工具偏心概率不大，更多的是外層套管相對(duì)內(nèi)層套管的偏心情況。我們建立多層套管切割模型如圖1所示，割刀工具中軸線和內(nèi)層套管軸線重合，外層套管存在偏心情況。

圖1 多層偏心套管切割模型

由于割刀工具是從內(nèi)層套管下入至預(yù)定位置，割刀工具與內(nèi)層套管的軸線重合，內(nèi)層套管的割口呈現(xiàn)水平面，不存在軸向偏差。由于外層套管存在偏心情況，割刀伸入外層套管的尺寸隨著割刀的旋轉(zhuǎn)而周期往復(fù)地變化，外層套管的割口會(huì)存在軸向偏差，并且割口的偏差長(zhǎng)度隨著內(nèi)外層套管間水平距離的增大而增大，整個(gè)割口呈現(xiàn)平整的傾斜面。外層套管的軸向偏差為：

式中：R為外層套管半徑；r為內(nèi)層套管半徑；a為割刀本體的半徑，2a也就是割刀頂點(diǎn)的水平距離；l為割刀的長(zhǎng)度；hmax為外層套管割口與割刀頂部最大垂向距離；hmin為外層套管割口與割刀頂部最小垂向距離；lmax為內(nèi)外層套管最大水平距離,lmax= R + e?a；lmin為內(nèi)外層套管間最小水平距離，lmin= R ?e ?a；lmax?lmin= 2e，e為內(nèi)外層套管的偏心距。

2.2.2 套管偏心對(duì)刀片磨損長(zhǎng)度的影響

根據(jù)前人對(duì)水力割刀技術(shù)研究的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員往往會(huì)通過割刀刀片磨損長(zhǎng)度來輔助判斷套管是否被割開。但是在套管偏心情況下，割刀刀片伸入套管各個(gè)方向的長(zhǎng)度不一樣，通過刀片磨損長(zhǎng)度判斷套管割開這種方法就會(huì)變得不準(zhǔn)確，因此我們建立極限偏心情況下的刀片磨損長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)模型，在套管極限偏心情況下，刀片的磨損長(zhǎng)度l磨為：

由于此計(jì)算模型可以看出刀片的磨損長(zhǎng)度隨著內(nèi)外層套管偏心距的增大而增大，l磨是在套管極限偏心情況下的切割最外層套管的最小刀片磨損長(zhǎng)度，因此如果刀片磨損長(zhǎng)度大于l磨，我們可以認(rèn)為套管被割開了。

2.3 套管切割過程中扭矩的變化

水力割刀切割過程中，我們需時(shí)刻關(guān)注扭矩、轉(zhuǎn)速、懸重和泵壓等參數(shù)的變化，用來判斷切割是否成功。

對(duì)于單層套管的切割，扭矩的變化可以比較準(zhǔn)確地反映切割的過程，割刀空轉(zhuǎn)時(shí)扭矩平穩(wěn)且較小，當(dāng)割刀伸展接觸套管內(nèi)壁時(shí)扭矩會(huì)突然的上升并且會(huì)有一個(gè)大的波動(dòng)，隨著切割的進(jìn)行，扭矩波動(dòng)逐漸平穩(wěn)，當(dāng)套管被割開時(shí)，扭矩有一個(gè)明顯的突降，如圖2所示，此時(shí)可以明顯地判斷套管被切開。

圖2 南海西部某油田棄井平臺(tái)套管切割扭矩變化曲線

對(duì)于多層套管的切割，為了提高切割效率，我們一般對(duì)內(nèi)層套管進(jìn)行鍛銑開窗，以保證刀片可以伸開足夠的長(zhǎng)度保持一定的切削力。切割初期，泵壓不能太高，防止刀片的合金齒崩壞切削力下降，在刀片張開接觸到環(huán)空水泥環(huán)（如圖3①所示），扭矩會(huì)有一個(gè)較大的幅度隨后慢慢平穩(wěn)，此時(shí)扭矩較小；切割中期，刀片繼續(xù)張開并接觸外層套管內(nèi)壁（如圖3②所示），此時(shí)扭矩增大且波動(dòng)幅度變大，隨著切割進(jìn)行，套管偏心一層逐漸被切開（如圖3③所示），扭矩波動(dòng)幅度減小并且環(huán)空開始無返出；切割后期，隨著刀片進(jìn)一步伸展，扭矩逐漸增大。切割偏心工況多層套管時(shí)，在切割初期，扭矩的變化幅度較大，隨著切割的進(jìn)行，扭矩變化幅度逐漸減小，最后趨于平緩，總體上扭矩逐漸增大，因此可以通過扭矩的變化來判斷切割的過程。在切割多層套管時(shí)，由于偏心工況和水泥返高存在水泥環(huán)等復(fù)雜情況，因此僅以切割過程中扭矩的變化判斷切割是否成功就變得比較困難。現(xiàn)場(chǎng)工程師需要根據(jù)懸重泵壓以及多種因素綜合判斷套管是否切割成功。套管切割成功兩個(gè)最明顯的標(biāo)志：一是套管與鉆具環(huán)空無返出或液面下降；二是起出刀片觀察刀片的磨損長(zhǎng)度滿足極限偏心下套管切開的最小磨損長(zhǎng)度。

圖3 切割過程示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)案例分析

南海西部某井棄置過程中，切割13-3/8″和30″帶水泥環(huán)套管，存在偏心情況，為防止割刀因套管內(nèi)徑較小無法張開提供有效的切削力，本次作業(yè)采用先鍛銑再切割的模式，減少作業(yè)時(shí)效。下至82.422 m探得鍛銑位，開始鍛銑13-3/8″套管，起出鍛銑管柱，檢查鍛銑刀片磨痕明顯。組合下入切割管柱11-3/4″水力割刀和30″刀片，下至83.2 m，管柱懸重上提下放6 T，測(cè)轉(zhuǎn)盤空轉(zhuǎn)4～5 KN·m鉆速30～60 rpm，開泵排量24～34 m3/h，泵壓2～6 MPa，切割13-3/8″、30″帶水泥環(huán)套管，扭矩15.2～25 KN·m，持續(xù)切割2 h后，觀察13-3/8″套管環(huán)空液面下降，判斷30″隔水管已切開，繼續(xù)切割0.5 h。最后累計(jì)回收5根帶水泥環(huán)13-3/8″及30″隔水管，共66.615 m，確認(rèn)最終切割深度為82.93 m，泥線深度78 m。現(xiàn)場(chǎng)記錄了該井切割13-3/8″和30″帶水泥環(huán)套管扭矩變化曲線，由結(jié)果可以看出，剛開始開泵，刀片未接觸到水泥環(huán)，此時(shí)割刀處于空轉(zhuǎn)扭矩，當(dāng)?shù)镀佑|到水泥環(huán)，扭矩迅速上升，并出現(xiàn)明顯的波動(dòng)幅度，在切割半小時(shí)左右，刀片割穿水泥環(huán)，開始接觸到30″套管偏心一側(cè)，由于套管的偏心工況，扭矩波動(dòng)幅度進(jìn)一步增大，隨著切割的進(jìn)行，扭矩變化逐漸平穩(wěn)，最后趨于一條直線，扭矩總體呈上升趨勢(shì)[4]。

4 結(jié)語

文章建立了多層偏心套管的切割模型、刀片磨損長(zhǎng)度數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合南海西部某棄井作業(yè)實(shí)際案例研究分析，結(jié)果表明：偏心套管割口的垂直距離隨著偏心距的增大而增大；刀片磨損長(zhǎng)度隨著偏心距的增大而增大，只有當(dāng)?shù)镀p長(zhǎng)度大于偏心工況下割開套管的最小磨損長(zhǎng)度，這樣根據(jù)刀片磨損長(zhǎng)度判斷套管是否被割斷才有意義；當(dāng)套管存在偏心時(shí)，扭矩由空轉(zhuǎn)扭矩突然增大，波動(dòng)幅度隨著切割進(jìn)行逐漸減小，最后當(dāng)套管割斷時(shí)，扭矩逐漸平穩(wěn)，總體上扭矩呈上升趨勢(shì)；判斷套管是否被割斷需要考慮扭矩、泵壓、懸重和返出情況等多種因素。