聚能切割技术在水平井连续油管切割中的应用

高 强， 王宝兴， 汪长栓， 刘景阳， 霍红星， 李 凯， 杨晓林

(北方斯伦贝谢油田技术(西安)有限公司， 西安 710065)



聚能切割技术在水平井连续油管切割中的应用

高 强， 王宝兴， 汪长栓， 刘景阳， 霍红星， 李 凯， 杨晓林

(北方斯伦贝谢油田技术(西安)有限公司， 西安 710065)

摘要：将环形聚能切割技术应用于水平井连续油管遇卡事故处理中，可以解决连续油管在水平井中的遇卡事故。针对2英寸连续油管的特点，设计了一种聚能切割弹及连接装置马笼头，主要从切割弹结构设计、药型罩结构设计、装药选择、马笼头结构设计及施工工艺等方面进行了研究。通过地面切割试验、现场应用，设计的聚能切割装置，及电缆传输工艺实现了水平井中遇卡连续油管的切割解卡，操作简便、施工安全。

关键词：聚能切割； 连续油管； 切割弹； 水平井； 炸高； 药型罩

1引 言

近年来，国内外在水平井钻探技术方面发展突飞猛进，由于水平井钻井量的增加及其特殊的开采工艺，连续油管在水平井开采过程中的使用频率逐步增加。水平井环境复杂，且对连续油管施工工艺的要求比较高，导致了在水平井施工中连续油管的遇卡事故逐年上升。采用聚能切割技术研制的聚能切割弹可以实现水平井中遇卡连续油管的切割解卡处理，具有施工工艺简单、施工周期短、费用低等优点。

2试验研究

2.1切割机理

利用炸药的聚能装药理论，将药型罩做成环形〔1〕，并装填高能聚能炸药，当聚能切割弹的装药被引爆后，炸药爆炸，迅速压垮药型罩并聚焦形成沿聚能穴法线方向高速运动的连续射流，其头部速度接近4 500m/s，它们之间的碰撞可近似为流体碰撞，射流头部很容易侵彻到连续油管中，后续的射流重复以上的过程直至将连续油管切割开。

2.2聚能切割弹方案的选择

2.2.1切割弹装药选择

炸药装药〔2-3〕是聚能射流的能源，炸药的种类、装药量直接影响切割弹的切割效果〔4〕。根据爆轰理论应尽量选择爆速高、密度大的炸药，有利于达到较好的切割效果。在考虑到连续油管内部空间比较小，导致切割弹装药直径比较小的特点，选用了一种爆速高、密度大的以RDX为基础的混合炸药X作为切割弹装药〔5〕。

2.2.2切割弹装药量设计

根据2英寸连续油管的特点，要求装药量既能完全切割开连续油管，又要尽可能的降低装药量。装药量过大会导致切割作业后切割弹上接头及连续油管切口翻边过大，易造成上提电缆时电缆遇卡事故及切割口过大不易取出；切割弹药量过小则影响切割效果。所以有效装药量〔6〕对切割效果影响比较大。经过设计不同装药量的切割弹并进行反复的地面切割试验，考虑到地面试验是在无压力的环境下进行，而井下切割作业是在有压力的环境中进行的特点，最终选择上接头翻边小于1mm，而装药量相对大的4号试验方案作为最终方案进行井下试验，装药量的选择如表1所示。

表1　装药量选择

2.2.3切割弹药型罩角度及壁厚的选择

根据聚能效应〔7〕，一般选用紫铜药型罩〔8〕作为切割弹的药型罩。药型罩的角度及壁厚直接影响着切割弹的切割效果，药型罩角度大，则形成的射流粗，但穿深低；药型罩角度小，形成的射流细，不稳定，但穿深大。通过对多种角度的药型罩进行切割试验，最终选择药型罩角度为120°。

药型罩的壁厚与药型罩的角度具有一定的匹配关系，即使药型罩的角度选择合理，但药型罩的壁厚过大或者过小都将影响切割效果，通过选择不同壁厚的药型罩进行切割试验，发现2英寸连续油管切割弹药型罩壁厚为1.1mm时，切割效果最佳，见表2。

表2　药型罩角度、壁厚的选择

2.2.4切割弹炸高的选择

根据聚能爆破理论，环形药型罩的炸高〔9〕对其切割效果影响比较大，在切割弹的外壳体内部正对环形药型罩的位置设计一个环形的凹槽，从而起到炸高的作用。一般炸高的高度在2mm～15mm〔10〕，根据连续油管切割弹药型罩直径比较小的特点，可以选择较小的炸高，通过设计不同高度的炸高进行地面切割试验，最终选择了2mm的炸高作为最终方案进行井下切割试验，炸高的选择如表3所示。

表3　炸高的选择

2.2.5聚能切割弹总体设计

水平井中2英寸连续油管切割弹主要由壳体、装药结构、传爆装置和上接头4部分组成，见图1。

图1　聚能切割弹Fig.1　Shaped cutter charge

2.2.6现场施工用电缆马笼头设计

由于在水平井中施工，井下条件比较复杂，必须设计一种专用的马笼头将电缆与切割弹进行连接，才可以确保施工过程中电缆与切割弹连接的可靠性，针对这一要求设计了专用的马笼头，其最大外径为35mm，具体结构如图2所示。

3试 验

3.1试验目的

通过对水平井中遇卡的连续油管进行切割试验，检验设计的2英寸连续油管切割弹在水平井中的切割效果,切割施工过程中电缆泵送传输切割弹工艺的安全性、可行性。

图2　马笼头示意图Fig.2　Schematic of cable bridle

3.2试验方法

利用电缆泵送工艺将聚能切割弹下放到切割位置,对金属管柱实现切割作业，如图3所示。

图3　试验方法示意图Fig.3　Illustration of test

3.3试验参数

试验切割管柱为2英寸连续油管，外径50.8mm，内径40.8mm，壁厚5mm;聚能切割弹外径37mm;马笼头外径35mm;切割深度3 330m，垂直深度为2 560m，水平长度为770m;连续油管内及连续油管外侧介质为清水，连续油管外侧为5-1/2英寸套管。

3.4试验结果

切割作业后，2英寸连续油管被完全切割断，如图4所示。

图4　切割效果Fig.4　Cutting result

可使用电缆泵送工艺将聚能切割弹顺利输送到切割位置，且切割作业后使用电缆可以顺利将切割弹上端残留物提出井口，井下无任何落物。

3.5试验分析

(1)从切割效果可以看出，切割作业后，2英寸连续油管被完全切割断，切口整齐，无任何粘连。通过对切割位置进行测量，切口处最大胀径为54mm。

(2)专用马笼头的工具串在电缆泵送工艺中，安全可行。

(3)采用泵送工艺可以顺利将切割弹输送到指定切割位置。

(4)切割作业后，切割弹残留的上端壳体可通过电缆顺利提出井口，井下无落物。

4结 论

(1)2英寸连续油管切割弹直径小，装药量小，可通过内径比较小的连续油管，且切割作业后不会对外层套管造成任何损伤。

(2)在水平井中，管柱中液体可循环的条件下采用的泵送工艺安全、可行。

(3)2英寸连续油管切割弹为水平井中遇卡的2英寸连续油管解卡处理提供了一种经济、快捷、操作简单的解决方案及施工工艺。

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Application of the shaped charge cutting technology in cutting coiled-tubing of horizontal wells

GAO Qiang, WANG Bao-xing, WANG Chang-shuan, LIU Jing-yang, HUO Hong-xing, LI Kai, YANG Xiao-lin

(North Schlumberger Oilfield Technologies (Xi′an) Co.,Ltd., Xi′an 710065, China)

ABSTRACT：In order to eliminate the sticking accident of coiled-tubing in horizontal wells, the annular shaped charge cutting technology was applied. In response to the features of 2 inches coiled-tubing, one cumulative cutter and connective device was designed. The structure design of cutter and shaped charge liner, charge selection,the bridle structure design and the connective device with the technique were mainly studied. The cutter has resolved the problem of cutting the sticking coiled-tubing in horizontal wells by the cutting experiments and application.

KEY WORDS:Shaped charge cutting; Coiled-tubing； Cutter； Horizontal well； Height of burst； Shaped charge liner

文章编号：1006-7051(2016)02-0048-03

收稿日期：2016-01-04

作者简介：高 强(1980-)，男，工程师，主要从事油田爆破器材的研制与开发工作。E-mail: gao.qiang@xtc.slbcn.com通讯作者：王宝兴(1961-)，男，教授级高级工程师,主要从事特种民爆切割技术研究。E-mail: wang.baoxing@xtc.slbcn.com

中图分类号：TD235； TG48

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.010