磨料射流切割偏心套管能力試驗研究

付建民, 孫連坡, 李文龍, 楊 旭, 劉 詢

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司, 天津 300459)

隨著生產平臺退役時間越來越接近設計年限,老井棄置作業越來越多,再加上部分井需要重復利用,經常需要對套管進行切割作業,這對套管切割技術提出了更高的要求。

目前,常用的套管切割技術包括:磨料射流切割技術、機械水力割刀切割技術等[1]。機械水力割刀切割是將高壓液體泵入水力割刀體內,推動3個割刀片向外張開并與套管內壁接觸,張開的割刀片隨同切割鉆具旋轉并切割套管,從而達到將套管割斷的目的[2]。機械水力割刀切割技術具有作業效率低、難以切割3層以上套管組合等缺點[3]。磨料射流切割技術是在水射流中加入固體顆粒作為磨料,通過高速流體沖蝕被切割物體,從而實現切割物體的目的。磨料射流切割屬于冷切割法,具有切割質量高,易于實現自動控制,切割安全,對環境無污染,以及能切割材料的區域較寬等優點[4],因此是套管切割作業首選方式,已經在我國的渤海[5-6]、南海[7]的井筒棄置作業中成功應用。

關于磨料射流切割技術的研究主要集中在工具的設計[5, 8]、切割機理[9-10]及常規套管切割試驗[10-11],鮮見關于磨料射流切割偏心套管的研究。現場經常面對內層套管居中度差,導致切割作業失敗的問題。為了研究磨料射流切割偏心套管的能力,開展了偏心套管切割試驗,并對試驗結果進行理論分析,計算最大切割區域尺寸。本文的研究結果對于棄置井的偏心套管切割作業具有一定的參考意義。

1 試驗方案

1.1 試件制備

選取渤海油區常用的套管序列,即,762.0 mm(30")+339.7 mm(13")+244.5 mm(9")套管組合,在試驗前加工等長度相關套管,具體參數如表1所示。首先固定762.0 mm(30")隔水導管,并將339.7 mm(13")隔水導管置于其極限偏心位置。選用山東硅粉水泥配置固井水泥漿,在二者環空中灌入配置好的固井水泥漿,侯凝12 h。以同樣方式將244.5 mm(9")套管極限偏心并用水泥固于339.7 mm(13")套管內。在操作時注意其偏心位置為同一方向。

表1 試驗套管參數

偏心套管試件(以下簡稱試件)如圖1所示。

圖1 偏心套管試件示意圖

1.2 試驗準備

提前在試驗場地內挖好土坑。將偏心套管試件放置于試驗箱體內,再將該箱體埋于試驗場地預先挖好的土坑內,并保證切割位置在地面以下,防止高壓流體傷人及損壞設備。

選取渤海地區常用的177.8 mm(7")套管切割噴槍。該噴槍在同一水平面180°分布2個噴射孔,噴射孔直徑為6.35 mm。每個噴射孔的最大排量約為2.3 沖/min,2個噴射孔預計最大排量約4.6 沖/min。壓力可以維持在22～24 MPa,以滿足噴砂切割需求。準備40/70目石英砂,保證石英砂質量濃度可以維持在0.06 g/cm3。組裝固定切割工具。

在箱體內安裝攝像頭,方便觀察切割情況。

1.3 試驗步驟

開泵,保持沖次為4.6 min-1,排量穩定后開始加砂切割試件,觀察試件的水泥環較薄的一側,割透試件較薄的一側后需繼續切割,以便切割試件的其余部分。若成功割斷試件,則停泵,結束試驗;若連續切割3 h仍未完全割斷試件,則停泵,結束試驗。

2 試驗分析

2.1 試驗經過

試驗開始后,緩慢開泵、保持泵沖次在4.6 min-1,石英砂質量濃度維持在0.06 g/cm3左右。30 min后通過攝像頭觀察試件,244.5 mm(9")套管已經被切斷。水泥環因為承受高壓,出現開裂以及脫落的現象,導致攜砂液順著水泥環裂縫流入,從偏心套管上部噴出,如圖2所示,于是停泵。考慮到水力噴射強度,以及保護上部設備的需要,在試件上部安裝簡單防護設施。30 min后繼續起動泵并開始噴砂切割,同時提高石英砂質量濃度至0.084 g/cm3。由于套管布局存在偏心現象,試件水泥環較薄的一側在連續切割63 min后被切斷,停泵查看套管斷口情況,并調整攝像頭位置。

圖2 防護箱體刺穿照片

圖3 切割位置剖面圖

調整過后繼續起泵切割,穿透試件一側的流體直接噴射至保護箱體壁,保護箱體在切割一段時間后穿孔(保護箱距離套管約1.1 m),并噴射出20 m左右的水柱,如圖2所示。另外一側在繼續切割大約200 min未發現切斷現象,決定停止切割,試驗結束。

2.2 切口檢查結果

本次切割試驗總計消耗約9 t石英砂(粒徑為40/70目),每個噴嘴的過砂量約為4.5 t。把噴槍提出套管后檢查,噴槍本體及噴射孔內沒有明顯的沖蝕。噴嘴表面有一定磨損,但不影響繼續使用。經校正后發現,切割試驗初期的射流中石英砂質量濃度約為0.047 g/cm3,后期射流中石英砂質量濃度在0.072 g/cm3左右。

分析試樣的切割剖面,如圖4所示,最先切透的是水泥環較薄的一側,切透深度約為9 cm。3層套管內部的水泥環由于高壓作用而脫落。最外側762 mm(30")導管的切孔為近似矩形,尺寸約為31.66 mm(長)×21.74 mm(寬),切孔較為規則。內側244.5 mm(9")套管的切孔為橢圓形,是由于切割位置偏移所致,切孔尺寸約為40.48 mm(長)× 24 mm(寬)。

圖4 切割區域示意圖

試件水泥環最厚的一側并未完全穿透,339.7 mm(13")套管和762.0 mm(30")導管之間的水泥環切割表面形態清晰。通過測量得知,切割深度約為35 cm(從9"套管內壁至水泥環被切割區域的最遠端),至244.5 mm(9")套管中心的距離約為46 cm。內側244.5 mm(9")套管壁噴射孔的形狀不規則,明顯有偏移現象,最長處為39.62 mm,最寬處為24 mm。339.7 mm(13")套管上所留孔的形狀較為規則,尺寸約為38.6 mm(長)×34 mm(寬)。

2.3 結果分析

通過多層套管切割試驗結果分析得出:該技術方案可切割區域直徑為46 cm×2=92 cm,即,直徑約為920 mm。在切割過程中,由于泵壓變化及試驗箱體位置發生輕微偏移等因素,導致切割方向變化,造成切割時間比預期有所增加。此外,切割的割口平面垂直于套管。

為使切割工具居中,本次試驗工具組合中已安裝扶正器。244.5 mm(9")套管的內徑為224.4 mm,扶正器外徑216 mm,噴射工具在244.5 mm(9")套管正中位置。由于水泥環與套管的抗剪切能力的差異,對水泥環的切割區域尺寸并不等于實際套管可切割區域尺寸。對于常用金屬套管來說,其抗剪強度要明顯低于抗拉強度、抗壓強度,因此,磨料射流切割時,其主要破壞形式為剪切破壞[9]。石英砂與金屬套管的接觸,相當于圓球與內圓柱面的接觸問題,根據彈性力學理論得到顆粒與被切割材料的最大接觸應力,若大于材料的臨界剪應力強度,則材料發生破壞[12],即:

(1)

式中:τmax為被切割材料所受到的最大剪應力,Pa;r1、r2分別為石英砂粒半徑、套管內半徑,m;π為圓周率;F為噴射出的磨料對于被切割材料的打擊力,N ;k1,k2為材料關聯系數。

(2)

式中:E1、E2分別為顆粒、被切割材料的彈性模量,MPa;μ1、μ2分別為顆粒、被切割材料的泊松比。

F與顆粒接觸被切割材料時的速度、密度有關,根據動量守恒定律,F的計算式為:

F=αρsqu

(3)

式中:α為磨料體積分數,無量綱;ρs為磨料的密度,kg/m3;q為噴射排量,m3/s,u為噴射中心線上流體接觸被切割材料時的速度,m/s。

在噴射切割過程中,噴射流體攜帶磨料從噴口噴出,經過淹沒流體達到被切割位置處,速度有極大衰減,射流軸心速度可由式(4)計算:

(4)

式中:a為紊流系數,無量綱;s為射流噴嘴與被切割位置的距離,m;d0為噴嘴直徑,m。

噴嘴出口流速為:

(5)

式中:φ為噴嘴的流速系數,為未知量;p為噴嘴內外壓差,Pa;ρ為流體密度kg/m3。

根據切割水泥試驗數據,可以求得本切割工具噴嘴的流速系數φ=0.783。再將此系數及套管參數代入式(1),可求得切割區域直徑為0.839 m。即,當最外側是套管時,被切割區域是1個以切割工具為中心的直徑為0.839 m(約為33")的圓形,如圖5所示。

圖5 套管偏心計算示意圖

切割試驗及其分析結果表明,在偏心嚴重的井眼條件下,有可能無法實現一趟切割762.0 mm(30")導管。一趟切割3層套管,對偏心距離要求較為嚴格。若套管組合為:762.0 mm(30")+339.7 mm(13")+244.5 mm(9")套管,根據分析可實現1次性切割。

2.4 最大偏心率計算

假設噴槍可以切割區域為以噴槍為中心,以762.0 mm(30")為外徑的圓,則切割成功與否只與244.5 mm(9")套管在762.0 mm(30")套管內的偏心率有關。偏心套管如圖6所示。

偏心率計算公式為:

(6)

圖6中,x為244.5 mm(9")套管圓心與762.0 mm(30")套管圓心的偏離距離,即偏心距,m;R3、R1分別為244.5 mm(9")套管、762.0 mm(30")套管的外壁半徑。

為保證噴槍切割區域全覆蓋762.0 mm(30")套管,則必須保證:

R1+x≤Dj/2

(7)

式中:Dj為噴槍噴射切割區域的直徑。

通過上述分析,已經得出Dj約為838.2 mm(33"),則滿足切割要求。計算得到最大偏心率約為14.7%。

3 結論

1) 在762.0 mm(30")+339.7 mm(13")+244.5 mm(9")套管組合情況下,若套管偏心較為嚴重,則存在無法成功切斷全部套管的風險。建議339.7 mm(13")套管在偏心率小于14.7%時選用磨料射流切割工藝;當偏心率大于14.7%時,推薦其他套管切割方式。

2) 在508.0 mm(20")+339.7 mm(13")+244.5 mm(9")套管組合情況下,磨料射流切割工藝可對任意偏心套管進行切割。

3) 建議后續開展大尺寸切割相關工具的研制,以及更高效的切割方法研究。