大尺寸套管套銑鞋結構優化設計及應用

郭科佑, 李 寧, 項春芬, 賀越騰, 白延鋒, 董宏政, 王 帥

1中國石油渤海鉆探工程技術研究院 2中國石油渤海鉆探第四鉆井工程分公司 3玉門油田環慶采油廠

0 引言

隨著國家對雄安新區整體規劃建設安排，新區內正在開采以及廢棄的油氣井要全部封井退出，以保證雄安新區高鐵等建設工作能順利進行。目前新區涉及到的各類井共2 325口，根據相關封井行業要求，所有油氣井內地下100 m套管必須全部清除，即長度為100 m的大尺寸表層套管要清除打撈。

目前針對大尺寸套管清除的方法主要有：套銑后打撈套管、磨銑清除套管以及利用套管鉆井技術鉆井后打撈套管。其中，套銑、磨銑技術作為井下事故處理的常用技術手段已較為成熟，成本遠低于套管鉆井。相對于磨銑技術，套銑的安全性及效率更高，發生井下事故后可用的處理手段更靈活[1- 5]。由于表層套管尺寸較大，目前針對大尺寸的表層套管套銑在國內陸地鉆井沒有先例，工程參數無參考經驗，施工過程中可能面臨粘卡、環空間隙小、地層垮塌、地層漏失等風險，導致井下情況更加復雜[6- 8]。鑒于此，結合現場工程參數對大尺寸表層套管銑鞋工具進行結構優化分析，總結出適用于大尺寸表層套管套銑的施工方法并在現場應用實施，對指導后續雄安新區油氣井表層套管清除施工具有重要意義。

1 大尺寸套管銑鞋缺陷分析

雄安新區油氣井表層套管尺寸一般為?339.7 mm或?273.1 mm，下深100～500 m。目前針對套銑管作業國內行業標準為SY/T5247—2008《鉆井井下故障處理推薦做法》，該標準存在的主要缺陷有：明確規定了套銑管材質，其等同于API 5CT的N80鋼級，強度低；規定了接頭牙型參數，但沒有規定具體公差；規定了接頭為雙級螺紋形式，但沒有規定具體的接頭尺寸參數及公差。由于以上原因造成不同廠家生產的套銑管接頭參數不一致，不能互換，甚至是同一個廠家生產的套銑管接頭參數公差范圍較寬，導致實際使用中出現各種問題。

1.1 常用銑鞋結構分析

常規套銑鞋結構可分為底部單向磨銑型、底部及內孔雙向磨銑型以及三向磨銑型，單向磨銑型銑鞋本身只在底部鑲焊切削的合金材料，對其底部進行磨削。底部及內孔雙向磨銑型銑鞋本身除在底部加合金焊料之外，還需在內腔加焊切削合金焊料，因此其不僅具有底出刃還有內出刃，除了對底部切削之外，還可以向內磨削。三向磨銑型銑鞋除底部和內孔含有合金焊料之外，還在套銑鞋母體外圓加焊一定厚度的合金焊料，這種磨銑鞋的底部，內部和外部三向出刃，可以在三個方向上進行切削[9- 10]。

1.2 銑鞋扣型缺陷分析

標準套銑鞋扣型是從Hydrill螺紋接頭變化而來，均采用雙級柱面螺紋，不同的是由于對內壓要求較低，標準套銑鞋去掉了內密封結構。由于采用雙級柱面螺紋，公母螺紋牙齒頂與齒底之間不存在過盈，應變能扭矩基本為零，僅分擔由齒側接觸摩擦造成的少量摩擦扭矩，接頭的扭矩基本由臺肩承擔[11- 12]。這一結構特點決定了此類接頭的抗扭性能較低，在套銑使用中容易造成接頭臺肩屈服，繼而母螺紋接頭脹大，公螺紋接頭收縮，造成接頭脫扣發生掉井事故。雙級柱面螺紋結構對小直徑管基本不影響現場對扣，可以使用，但是對大直徑管對扣十分困難，易錯扣，對扣上扣耽擱時間太長。

2 銑鞋管柱結構優化設計分析

2.1 銑鞋結構設計優化

2.1.1 銑鞋齒形結構設計優化

雄安新區油氣井表層套管套銑作業中銑鞋主要作用對象為水泥環，經分析設計資料，現場固井所用水泥環的水灰比約為0.5，水泥環強度較低，因此銑鞋與水泥環之間的作用方式以切削為主，而不是磨削為主，故專用銑鞋結構設計為鋸齒形，詳見圖1所示。設計銑鞋采用分離型結構，其中銑鞋內徑為384 mm，外徑為426 mm，最大外徑為445 mm。底部鋸齒高度為70 mm，角度為53°，采用12個導流槽，并呈周向30°均勻分布，移軸距為10 mm。鋸齒間距為29.39 mm。

圖1 專用銑鞋結構設計圖

2.1.2 接頭結構設計優化

結合現場施工參數,設計采用套銑管接頭尺寸為?419.00×17.50 mm，鋼級Q125。用較厚壁厚和較高鋼級以應對上卸扣過程中卡爪力過大造成接頭變形，提高接頭的強度和抗過扭能力。在較為成熟應用的衡鋼快速扣設計上進行參數優化，整體上接頭采用接箍式設計，管體外與接箍外平滑設計，降低HSTX套銑管接頭在井下遇阻的概率；采用單臺肩，接箍內倒角與軸線成60°，以便減小應力集中，增強接頭抗疲勞性能。改進優化后的API偏梯齒型見圖2,螺紋承載面(α)為3°，導向面(β)為30°。

圖2 套銑管齒型示意圖

2.2 數值分析模型建立

針對所設計的專用銑鞋結構圖，通過SolidWorks軟件，繪制其套銑管柱(含銑鞋)井筒實體模型見圖3(a)所示，其中紫色部分為套銑管部分，黃色部分為銑鞋部分，灰色虛影部分為井壁或水泥環。通過運用布爾準則，除去井下管柱實體模型，最終得到井下流體流道模型,見圖3(b)所示。其中內層為流體流入通道，外層為流體流出通道。

圖3 套銑管柱數值模擬示意圖

2.3 銑鞋流道優化分析

2.3.1 流道壓力分析

通過計算套銑管流道壓力，得到其專用銑鞋流道壓力云圖如圖4(a)所示，計算得出該模型中最大壓力為5.07 MPa，最小壓力為4.89 MPa。其中銑鞋流道外壁壓力小于內壁，在銑鞋底部外壁流道處其拐角處壓力最小。分別取Y=0.035 m,Y=0.07 m,Y=0.14 m,Y=0.2 m,Y=0.8 m,Y=1.6 m處截面，分析其截面上靜態壓力分布情況，見圖4(b)所示，其中在Y=0.2 m，Y=0.8 m，Y=1.6 m時其剖面上內層壓力大于外層流道壓力。在Y=0.035 m時其界面上壓力處于均一狀態，在Y=0.07 m時，外層流體流道銑鞋處流體壓力較小，內層流道壓力基本不變，在Y=0.14 m時，外層流道即銑鞋根部處流體壓力略有上升，其最小壓力下降為4.93 MPa，內層流道流體壓力保持不變。

圖4 套銑管柱壓力分布云圖

2.3.2 流道跡線分析

通過對銑鞋模型進行有限元分析，得到跡線模型,如圖5所示。其中該模型中流體從內壁入口處流入，經過銑鞋后由外壁流出。入口處(內壁)流體速度為1.271 m/s，內壁流線為垂直向下，在經過銑鞋處時，流線隨銑鞋結構而發生變化，在銑鞋底部流體會對井底進行沖洗，經過銑鞋過程中流體流速會逐漸上升，最大流速為16.7 m/s，并且會呈現螺旋上升，攜帶出巖屑，外壁中流體流速會隨著關閉而逐漸下降，最終在出口處流體流速降為1.814 m/s。

圖5 套銑管柱流道跡線分布圖

2.4 銑鞋合金堆焊工藝優化分析

套銑施工主要作業對象為井筒中的水泥環，所設計銑鞋結構為鋸齒形，其作業方式主要為切削作業，銑鞋在作業切削井筒水泥環過程中易發生磨損，將會影響銑鞋壽命。本次設計銑鞋選用YD型硬質合金堆焊焊條，YD型硬質合金復合材料堆焊焊條是由粒狀燒結硬質合金與有彈性的胎體合金混合制成。外涂一層特殊熔劑并著色，以標識顆粒等級大小，優選硬質合金顆粒的粒度應為2～3 mm。堆焊時應盡量采用平焊位置，其它位置堆焊時應采用適當的胎具。

3 套銑結構改進及參數設計

3.1 套銑結構改進

為保護套管接箍，同時更加高效的完成套銑作業，通過銑鞋結構優化研究，可對普通長城齒銑鞋進行改進來達到施工目的。在保留銑鞋底部硬質合金顆粒以及外側保齒合金顆粒的同時，銑鞋內部沒有加焊任何硬質合金。此外，將銑鞋底齒加工為刀翼狀，加高了銑鞋合金部分的高度。

3.2 套銑工程參數設計

(1)轉速。轉速是套銑施工過程中的重要參數，若轉速選擇不合理易造成井下扭矩過大，產生管柱變形甚至脫斷等事故，并且隨著轉速的升高，套銑鞋的使用壽命也會大幅縮短。由于表層套管所需的套銑工具尺寸較大，套管下深淺扭矩的傳遞較快，因此針對大尺寸表層套管套銑的轉速不宜過快，設計推薦轉速為20 r/min。

(2)鉆壓。鉆壓的選擇通常需要現場工程師根據套銑的具體情況進行選擇調整。其原則為在保持持續進尺的同時不頻繁產生憋、跳鉆現象，同時根據出口返出的水泥碎屑大小也可以對鉆壓進行調整。當套銑進尺較深時，鉆壓隨著井內摩阻的增加會被消耗，進尺變慢，此時可適當增加鉆壓以保證套銑進尺。設計推薦鉆壓為0.5～5 t。

(3)排量。現場對排量的要求為環空返速應能保證井內無能夠影響套銑的碎屑堆積，同時由于外部地層薄弱，循環時排量不能造成井壁的不穩定。施工過程中應根據環空返速的計算與現場出口實際碎屑返出情況相結合，合理優化排量的大小。

4 現場應用效果

霸116X井位于京雄高鐵主干道，該井為二開井身結構，裸眼完井，未下技術套管，其套銑前井身結構如圖6所示。其中表層套管下深109.32 m，表層套管外徑273.04 mm，內徑250 mm，鋼級N80，接箍最大外徑298 mm，一開地層平原組，含有流砂地層。清除該井地下100 m套管施工主要有以下難點：①套管尺寸較大，沒有相關施工經驗；②存在粘卡、地層垮塌、砂埋等風險；③一旦出現井下復雜情況將難以處理。

圖6 霸116X井套銑前井身結構圖

根據該井具體情況制定了以表層套管全井段套銑為主體方案，中途切割打撈后二次磨銑為備用預案。為保證套管接箍安全，采用設計改進的長城齒銑鞋進行作業，增加銑鞋與套管間的環空間隙，同時內側不含任何硬質合金并加工導流槽以增加循環能力，新設計改進的銑鞋外徑400 mm，最小內徑308 mm，合金部分長度300 mm。

套銑鉆具組合為：?400 mm套銑鞋+?339.7 mm套銑管+頂部安全接頭+方鉆桿。施工過程中控制工程參數為：鉆壓0.5～5 t，轉速30 r/min，排量32 L/s，整個施工過程未出現異常情況，井壁較為穩定，碎屑返出情況良好，每次上下活動管柱循環鉆井液后都能下放至原套銑井深，整個套銑過程安全可控，平均套銑速度為90 min/m。本井套銑過程中返出物為水泥碎屑及碎塊，通過接箍時有少量鐵絲、鐵屑返出，套銑完成時出口返出地層泥沙伴隨鉆壓明顯下降。在完成套銑起出套銑管后利用可退式撈矛對本井表層套管進行了打撈，順利起出全部表層套管，套管接箍整體完好。

本井套銑過程共使用1只銑鞋，起出后尺寸規格未發生變化(見圖7)，鞋頭頂部硬質合金顆粒基本被銑磨圓滑，鞋體側面硬質合金顆粒有少量缺失，整體較完好，鞋體內側有劃痕，判斷是由銑管與套管間掉落的水泥塊摩擦造成。綜合銑鞋出井情況以及施工情況，設計改進的銑鞋能夠很好完成目前套銑作業，該井最終順利完成施工，施工時效設計提高65%，取得良好應用效果。

圖7 銑鞋入井前后對比圖

5 結論

(1)優化改進后的大直徑套管套銑鞋解決了雄安新區油氣井地下大尺寸套管清除作業缺少工具、易卡鉆等難題，滿足了現場生產需求。

(2)設計的套銑鞋應用工程參數能夠安全有效完成大尺寸套管套銑清除作業。

(3)優化改進后的大直徑套管套銑鞋結構簡單，優化設計銑鞋導流槽分布、布齒結構、合金堆焊工藝，在提高套銑切削效率的同時有效保障施工安全，應用效果明顯，為大直徑套管套銑作業提供有效支持，具備很高的推廣價值。