反洗式水力割刀的研制与应用

2016-12-17王华南

长江大学学报(自科版) 2016年35期

关键词：冲砂洗井大修

王华南

(中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司，天津 300461)

反洗式水力割刀的研制与应用

王华南

(中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6作业公司，天津 300461)

秦皇岛区块大修井作业中打捞防砂管柱需要对其进行分段切割后用捞矛实施分段打捞，将其捞出。切割作业多由水力式内割刀实施完成，然而对于出砂严重的井或漏失量大的井，水力式内割刀能否下钻至设计位置、将砂子冲出并成功实施切割作业就成为大修打捞作业的关键。在普通水力割刀的基础上研制出可反洗式水力割刀，其刀体结构采用硬质合金颗粒与硬质合金刀片结合的刀体结构，使得该割刀能在恶劣的井况下工作，保证切割的成功率。同时使得冲洗工艺与水力切割工艺集成于一趟钻完成，省去了单独下冲洗管柱的时间与成本。现场实施于QHD32-6-C7井等4口井的大修过程中，共使用17次，成功下至设计切割深度并实施切割，切割成功率100%。经济效益显著。

大修；反洗；水洗割刀；现场应用；工作效率

秦皇岛区块部分开发井在检泵作业过程中发现存在出砂现象，需要实施大修作业[1]。在对该井大修打捞防砂管柱过程中，间歇性出砂，所以在下割刀之前，要下一趟通井冲洗的管柱，使防砂段内的砂子或脏物冲洗出井，然后才能下切割管柱至设计深度进行筛盲管的切割[2]。然而，即使下了一趟通井冲洗管柱后，也无法保证切割管柱可以顺利实施切割，比如对于井斜大的井，井筒的低边总是残留少量砂子，在下放切割管柱时，这些砂子就会进入到割刀内的水眼中，当切割时造成憋压而无法实施切割。针对该区块大修作业过程中存在的问题，对水力割刀进行改进，研制出反洗式水力割刀，采用硬质合金颗粒与硬质合金刀片结合的刀体结构，使得该割刀能在恶劣的井况下工作，保证切割的成功率。同时使得冲洗工艺与水力切割工艺集成于一趟钻完成，省去了单独下冲洗管柱的时间与成本。并且经过改进的刀片使得切割效果更加明显，增加了切割的有效性。

1 反洗式水力割刀的改进研制

1.1 反洗式水力割刀设计

该割刀是一种适合反洗工艺的水力式内割刀，使切割工艺与反洗井工艺在一趟钻中实现，提高效率。正循环时小水眼产生压降实现切割功能，反循环时水眼变大，冲砂洗井不憋压、不易堵，具体结构如图1所示。主要由上接头、本体、刀体部件、活塞管、外管、阀板、阀座、冲管、上连接体、下连接体、打捞爪盘、引鞋等组成。

图1 可反洗式水力割刀结构图

1.1.1 技术创新

经过改进的可反洗式水力割刀使得冲洗工艺与水力切割工艺集成于一趟钻完成，省去了单独下冲洗管柱的时间与成本。并且经过改进的刀片使得切割效果更加明显，增加了切割的有效性。可反洗式水力割刀成功应用，得益于如下几方面的创新(图2)。

图2 刀体结构与开启式阀板结构示意图

1)开启式阀板结构的应用。当反循环时，钻井液从环空进入水眼内，推动冲管压缩弹簧向上运动，推开阀板，此时内割刀的通道打开，水眼变大，冲砂洗井不憋压、不易堵。冲砂洗井结束后停泵，压力消失，冲管在被压缩弹簧作用下向下运动复位，同时，阀板在被压缩扭簧的作用下旋转复位。复位以后就可以正循环实施切割作业。

2)刀体结构改进。采用硬质合金颗粒与硬质合金刀片结合的刀体结构，使得该割刀能在恶劣的井况下工作，保证切割的成功率。

图3 正循环示意图图4 反循环示意图

1.1.2 工作原理

正循环时(图3)，当割刀下入井内达到预定切割位置，开泵循环，逐渐加大排量，钻进液通过阀板上喷嘴产生压力差，该压力差使活塞管克服弹簧阻力向下运动，推动刀头向外旋转进入切削状态，此时旋转割刀就可进行切割。割断落鱼后，停泵，压力差消失，活塞管在被压缩弹簧作用下向下运动复位。刀头在弹簧压片的作用下向内旋转复位。割刀就能从井中取出。

反循环时(图4)，钻井液从环空进入水眼内，推动冲管压缩弹簧向上运动，推开阀板，此时内割刀的通道打开，水眼变大，冲砂洗井不憋压、不易堵。冲砂洗井结束后，停泵，压力消失，冲管在被压缩弹簧作用下向下运动复位，同时，阀板在被压缩扭簧的作用下旋转复位。

同时该割刀带有打捞爪盘和耐磨冲洗头，冲砂洗井时耐磨冲洗头可以拨动砂层，打捞爪盘可以捞住洗井过程中较大的落物如胶皮等。

1.1.3 技术规范

1.1.4 主要零件的材料性能

割刀结构属于中空的细长杆件且筒体较薄类型。依API标准对钻具的材料要求，选取具有较高强度的42CrMo合金结构钢并经调质处理，作为产品的主体结构材料。钢材的成分应符合GB3077-1999标准的规定[3，4]。

为了适应工作条件下的应力状态，热处理后的力学性能应达到以下要求：硬度285～321HB；最小屈服强度≥930MPa；伸长率≥12%；夏比冲击功≥54kJ。

根据危险截面校核原理[5，6]，危险截面抗拉抗扭计算结果如表1所示，其他规格反洗井割刀计算数据如表2所示。

表1 反洗井割刀危险截面抗拉抗扭计算表

表2 其他规格反洗井割刀计算数据表

1.2 工具性能测试与改进

1.2.1 割刀刀片涨开和收回试验改进

经过10次室内模拟试验，更改活塞密封结构，降低密封摩阻，提高弹簧强度，解决刀片无法完全收回的难题。设计2种刀片进行比较，整体镶嵌合金刀片易崩刀尖，基本切不断筛盲管，堆焊合金刀片切割效果好。

1.2.2 割刀参数试验优选

针对不同节流喷嘴，在反洗排量20～30m3/h的情况下进行切割试验，记录其切割时间、扭矩转速的对应关系。通过模拟计算可以满足2个条件：反洗冲砂水眼节流压力小于2.5MPa，保证井不漏水；冲砂上返流速大于0.9m/s，确保砂冲出来。反冲砂参数优化结果如表3所示，切割相关参数试验结果如表4所示，均满足要求。

表3 反冲砂参数优化表

表4 切割相关参数试验表

2 现场应用

在现场将反洗式水力割刀实施于QHD32-6-C7井等4口井的大修过程中，共使用17次，成功下至设计切割深度并实施切割，切割成功率100%。具体使用情况如表5所示。按照平均每口井用4次反洗式水力割刀计算，可节省4趟钻的冲砂通井时间；假设井深2000m，每趟钻的时间为16h，则每口井可节省的冲砂通井时间大约为2.7d。按照钻具及人员日费7万元算，则每口井可节约人民币的20万元，经济效益显著。