水力切割双层套管一次作业式技术在海洋弃井中的应用

朱国宁，和鹏飞，关贺坤，葛文臣，王瑞

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452

水力切割双层套管一次作业式技术在海洋弃井中的应用

朱国宁，和鹏飞，关贺坤，葛文臣，王瑞

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452

随着海洋石油事业的不断发展，越来越多的老龄油气井失去了继续生产的价值，需要采取永久性弃井措施，防止油气泄漏造成环境污染。辽东湾某平台整体弃井项目中创新研究并使用了一次作业式双层套管水力切割技术，大大缩短弃井工期，达到降本增效的目的。

弃井；水力切割；双层套管；海上油田

从1967年“海一井”见产出油拉开渤海油田大开发的序幕，截至“十二五”期间，渤海油田稳产3 000万m3/a，实现历史跨越[1]。但是一批老油田或老开采平台的开发使用已经接近设计使用年限或者涉及军企用海关系，需要按照操作程序进行废弃处置，老开采平台的处置最主要的是对老井眼的永久性弃置作业[2-4]。对开采平台及相关油气井的永久弃置作业在国内属于首次[5]。

套管切割回收是弃井作业中的最后一道工序，也是最为关键的一个环节。由于海洋石油作业成本高昂，如何使用合适的弃井工具，控制合理的切割参数，快速高效地切割回收套管变得尤为重要。一般弃井作业中使用对应套管尺寸的水力割刀工具，采用逐级逐段进行切割，虽然技术安全且工具性能稳定，但是耗时较长，经济性有待提高。

1　海上油气井弃井技术现状

1.1弃井标准

根据Q/HS 2025-2010《中国海洋石油总公司弃井标准》和SY/T6845-2011《海洋弃井作业规范》等规定，永久弃井必须对海底泥面以下4.0 m范围内所有套管进行切割及回收作业。

1.2水力式内割刀切割技术

1.2.1结构原理

海上石油作业常用的套管切割工具为AND-S型水力式内割刀，其结构由顶部接头、本体、活塞、活塞管、弹簧耐磨衬套、割刀片、喷嘴、铰链销等部件组成，如图1所示。

图1　水力式内割刀示意

1.2.2工作原理

泥浆泵将高压液体（钻井液或海水）泵入水力式内割刀体内，高压液体通过活塞内的喷嘴产生压力降，推动活塞压缩弹簧使活塞杆下行，活塞杆下端推动三个割刀片向外张开与套管内壁接触，张开的三个割刀片随同切割钻具顺时针旋转，三个割刀片周向同时切割套管，直到将套管割断[6-9]。

1.2.3操作模式

切割钻具组合：AND-S型水力式内割刀+扶正器+钻杆。参数控制：转盘（或顶驱）转速30～70 r/min，排量（泵速）30～80冲/min。AND-S型水力式内割刀下入套管内之前，先在钻台上进行水力试验，在2 MPa压力下三个刀片能张成水平状态，卸压到零，三个刀片能自动收缩到刀体内。试验合格后，用粗约2～3 mm的白棕绳将刀片用内绑方式捆绑到割刀体内，以防刀片在下钻途中张开。水力式内割刀下到切割深度后，应先进行空负荷试验，即先不开泵，只转动钻柱，作30、50、70 r/min三种不同转速下的扭矩试验，并做好悬重、钻压、转速、扭矩记录。正式切割套管时采取先转动钻柱后开泵、转速先低后高、排量先小后大的原则，逐渐加大转速与排量，均匀平稳切割套管，保护刀片不被先期损坏。判断套管被割断后，先停转，把泵压加大到10 MPa后，进行过提50 kN左右，如能过提50 kN，则证明套管已被割断，然后停泵，起出水力式内割刀。

1.3磨料水力射流内切割技术

1.3.1技术原理

高压水射流技术是近30年来发展起来的一项新技术，磨料水力射流是在纯水射流中混入石英砂、金刚砂、石榴石、陶粒等高硬度的固体颗粒而形成的一类高压射流。其切割原理是通过喷嘴加速后冲击到被切割物表面，利用磨料颗粒对材料的冲蚀作用实现切割。同等压力条件下磨料射流的切割能力大大超过纯水射流。

1.3.2渤海油田应用情况

2014年在渤海辽东海域L区块整体开采平台弃置中使用了磨料水力射流技术。对于井筒情况正常的井使用该技术可一次从泥面以下4.0 m左右整体切割内层套管以及外层隔水导管。但是对于部分出现油套同压情况的井（如S3井），该设备不足以完全满足作业需要。

2　辽东L区块S3井弃井难点

2.1S3井基本情况

（1）S3井井身结构：φ762.0 mm隔水导管+ φ508.0 mm套管+φ339.7 mm套管+φ244.5 mm套管+φ177.8 mm尾管。

（2）防冻措施。S3井位于渤海辽东L区块，冬季天气寒冷，海冰是该区域钻完井作业的主要气象灾害。该井于上世纪90年代初期完钻投产，距今已近30年。1991-12-07报告显示：“弃井，φ508.0 mm套管和φ339.7mm套管间注柴油12桶，油水交界面低于海面5.7m，φ339.7mm套管和φ244.5mm套管之间注柴油2.7桶，油水交界面高于海面2.3 m”；1991-12-08报告显示：“弃井，φ762.0 mm隔水导管与φ508.0 mm套管之间注水泥1.9m3，密度1.8g/cm3”。

2.2弃井难点分析

（1）环保问题。该井于1991年弃置，鉴于当时的作业技术，该井在套管环空内注入了柴油混合物作为防冻液体。如果在弃井时直接下入磨料水力射流工具一次性切割，势必导致防冻液体流落海中，对海洋环境造成影响。而在切割前进行回收的可能性也极低，因为尚无有效工具进入环空进行循环驱替清洗。

（2）常规方案耗时长。若不能使用磨料水力射流切割，按照常规作业方案需由内向外逐层套铣、水力内切割导管。即先分段套铣、起出φ244.5 mm套管，然后套铣、起出φ339.7 mm套管至泥面以下4.0 m（总长约80.0 m）。按一次套铣8.0 m，每层需要10次套铣+切割，之后循环清洗井筒，再次整体切割，如此工期耗时极长。

（3）重复切割的故障率高。如果切割过程中出现割刀磨损严重，需要起钻更换，更换后的割刀一般很难再准确进入上次切割的位置及状态，造成时效浪费。

（4）在常规单井弃井切割时，分层切割未显示明显的时效差，但是对于整个平台数量较多井的弃置切割，累加时效影响较大。

鉴于上述问题，决定在不改变切割工具的情况下，借助割刀长度的优选，尝试多层一次式切割。

3　双层套管一次式切割的可行性分析

3.1套管基础数据

套管基本数据见表1。

表1　套管基本数据

3.2一次双层切割可行性分析

同时切割φ244.5 mm和φ339.7 mm套管，割刀刀体尺寸选择φ209.5 mm。对于刀片型号的选择，首先要保证刀片完全张开时能满足割开φ339.7 mm套管的要求。对于多层套管切割，由于套管都存在偏心的情况，同时水力割刀在割开偏心边φ339.7 mm套管后，割刀也会偏向内层φ244.5 mm套管，因此刀片的最小尺寸要满足套管极限偏心状态下（如图2为某4井套管偏心情况）能切割开隔水套管。用φ209.5 mm水力割刀，同时切割φ244.5 mm套管和φ339.7 mm套管，极限偏心状况如图3。经计算在极限偏心状态下，切割半径为212.0 mm。

图2　某4井套管偏心情况

图3　套管偏心状态示意

3.3试验

在试验场地首先利用废弃套管短节充填水泥方式，模拟套管相对偏心状态。选用的φ240.0 mm刀片做功能试验，最大张开半径大于212.0 mm，满足极限偏心下全部割开管径φ339.7 mm套管的要求。论证一次切割技术措施可行。

4　现场应用

S3井共进行3次双层套管切割作业，刀体均采用φ209.5 mm水力割刀，刀片分别选取C9-8-12、C9-8-21、C9-8-24。

4.1第一次切割作业

刀片选择：C9-8-24。

切割参数：转速50～70 r/min，排量400 L/min，泵压8.8 MPa，扭矩3～6 kN·m，切割8 h，未见割断迹象。

起钻检查刀片，刀片刀尖已磨掉，更换新C9-8-24刀片后下钻至原切割位置继续切割，切割参数维持原值，切割5 h后，悬重突然增加了50 kN，扭矩波动较大，最后扭矩维持在1.0 kN·m，钻具晃动明显，确定割断双层套管。本次切割累计时间13.0 h。

刀片出井后，发现刀尖磨损，本体磨损较小，如图4所示，更换相同刀片第二次入井切割后磨损较大，但割断了套管。说明C9-8-24刀片较长，在切割过程中大部分时间处于扩开切割空间的状态，纵向受力大于横向受力，即便是点放钻具也无法使刀片充分伸展，导致切割效率较低。

图4　C9-8-24刀片出井情况

4.2第二次切割作业

刀片选择：C9-8-12/C9-8-21。

C9-8-12刀片切割参数：转速30～60 r/min，排量400L/min，泵压9.0MPa，扭矩6.0～10.0kN·m，切割2.0 h，悬重增加10 kN，起钻更换刀片。

C9-8-21刀片切割参数：转速30～60 r/min，排量400 L/min，泵压9.0 MPa，扭矩5.0～8.5 kN·m，切割9.0 h，切割过程中最大扭矩11 kN·m，悬重突增40 kN，扭矩逐降至2.0～4.0 kN·m，确定割断双层套管。本次切割累计时间11.0 h。

第二次切割作业选择首先使用C9-8-12短刀片切开切割空间，再使用C9-8-21长刀片切割，短刀片和长刀片磨损都较小，说明两种割刀都没有提供较多切割力，且刀口位置上下不一，短刀片的割口不一定被长刀片对准，影响了切割效率。

4.3第三次切割作业及认识

刀片选择：C9-8-21。

切割参数：转速40 r/min，排量400 L/min，泵压8.5 MPa，扭矩3.0～8.0 kN·m，切割3.5 h，扭矩波动大，由10.0 kN·m降至1.0～4.0 kN·m，悬重缓慢增加40 kN，判断已经割断，见图5。本次切割累计时间为3.5 h。

图5　切割后的套管情况

5　效果对比

对于常规一次单层切割技术和S3井所用的一次式双层切割技术结果对比如下：

（1）时效性。相对于一次式单层切割，一次式双层切割具有提高时效近1/2的优势，这对于海上日费较高的情况来说，无疑是最大的优势。

（2）选择性。由于一次式双层切割之前未曾有类似作业经验，初期对于水力内割刀尺寸的选择有一定的困难，通过理论计算、试验分析以及应用改善，最终得出合理的选择。而对于一次单层切割，割刀的尺寸选择较为简单。

（3）故障率。一次式单层切割对于刀刃等强度要求较低，但是对于一次式双层切割强度成倍增加，对于割刀的强度要求也随之提高。实践证明使用常规强度割刀，可以实现作业，但磨损情况比较明显。

6　结论

（1）水力切割套管技术在弃井作业中使用较多，对于大规模平台弃置作业，磨料水力射流内切割对于常规井具有绝对的技术先进性，但是对于类似S3井油套同压的情况却无法实现作业。

（2）在满足能割开双层套管的尺寸要求下，尽量选择较短的刀片，保证初始张开角度尽量大，减少切割时间，提高切割效率。

（3）一次式双层套管切割注意事项：切割初始，由于刀片张开角度较小，切割扭矩一般也比较小，切割一段时间后，扭矩会逐渐增大，悬重会增加，说明内层φ244.5 mm套管已经割开，此时可以点放钻具（控制悬重增加量10 kN左右），扭矩也会增加，继续切割扭矩逐渐平稳，悬重逐渐增加，重复操作点放钻具至双层套管割断。过程不宜操之过急，避免高扭矩高泵压造成刀片提前损坏。

（4）双层套管割断判断方法：理想割断情况是钻具出现晃动增大，悬重增加，扭矩大幅度减小等情况；有时割断情况不理想，如扭矩无明显减小但出现有规律波动，悬重无明显变化，遇到这种情况，可以适当增加切割时间，保证双层套管的割断。

[1]经济日报.渤海油田产量突破3 000万方[J].石油和化工设备，2015（2）：29.

[2]苏彦春，王月杰，缪飞飞.水驱砂岩油藏开发指标评价新体系[J].中国海上油气，2015，27（3）：60-65.

[3]王海滨，张紧，李文.海上边际油田设施弃置项目管理实践[J].项目管理技术，2013（1）：98-100.

[4]吴非，于春洁.海上平台弃置方法研究[C]//2014年第三届中国海洋工程技术年会论文集.北京：中国造船工程学会，2014.

[5]冯定，卢汉斌，夏成宇，等.深水弃井作业套管切断的判断方法[J].石油矿场机械，2015（5）：83-86.

[6]姜亮，朱培，李继勇.水力切割套管技术探讨与应用[J].科技与企业，2015（1）：125-125.

[7]田晓洁，刘永红，林荣桔，等.深海套管切割工具的研究和发展现状[J].石油机械，2011（11）：67-71.

[8]颜生鹏.青海油田套管切割工艺改进与应用[J].石油钻采工艺，2014（5）：134-137.

[9]和鹏飞，侯冠中，朱培，等.海上φ914.4 mm井槽弃井再利用实现单筒双井技术[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（3）：45-48.

Application of Hydraulic Cutting Technique with One-time Operation Mode for Cutting Double Casings in Offshore Abandonment Operation

ZHU Guoning，HE Pengfei，GUAN Hekun，GE Wenchen，WANG Rui
CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Tianjin 300452，China

As the development of the offshore petroleum industry，more and more old oil and gas wells lost the value of continuous production，these wells need to take a permanent abandon in order to prevent environmental pollution caused by oiland gas leakage.In the wells abandonment project of a platform in Liaodong Bay，the new developed hydraulic cutting technique to cut double casings with one-time operation mode is used.It reduces the abandonment time period and cost significantly.

wellabandonment；hydraulic cutting；double casings；offshore oilfield

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.007

朱国宁（1985-），男，山东济宁人，工程师，2007年毕业于中国石油大学（华东），主要从事海洋石油钻井技术监督与管理工作。Email：zhugn@cnooc.com.cn

2016-04-15