深水弃井作业一体化技术及关键工具研究

2018-10-08

石油矿场机械 2018年5期

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

随着石油勘探技术的迅猛发展，石油的勘探开发逐渐向深水迈进，而对海底的清洁要求越来越高。根据海底弃井规范，泥线以下5 m不得遗留各种弃置物[1]。我国在深水勘探过程中，由于受到钻探区域海况的影响，及工艺技术的限制，采用传统的切割回收方法回收海底井口系统，需要先进行切割作业，再打捞井口头和套管，然后下钻完成注水泥作业，该作业程序复杂，时间较长，成本高。采用深水切割回收工艺，可以一趟钻完成切割和回收作业，但是不能实现一趟钻注水泥作业[2]。为了提高弃井的作业效率和作业的可靠性，笔者研究了深水弃井一体化技术。

1 深水弃井工艺现状

在深水井切割回收套管时，隔水管系统及防喷器组已经完成回收，是在钻杆暴露在海流中的情况下进行弃井作业。钻柱承受波浪力及海流力等多种因素的影响，钻杆的受力比较复杂。所以，深水井口切割回收系统必须考虑钻柱受海浪的影响。目前常用的深水井口切割回收系统主要是提拉式外捞和座压式外捞[3-4]，这两种系统在切割回收完成后，都需要单独下一趟钻进行注水泥封固作业，作业时间长。由于受海底洋流等的影响，重新下入注水泥管柱时管柱很难进入井眼。所以，笔者研制了深水弃井一体化工具，实现切割套管、回收井口头、注水泥封固作业一趟钻完成。

2 深水弃井一体化工具设计

2.1 深水井口结构特点

深水井的井口装置安装在转盘正下方的海底，如图1所示，它包括：①坐在海底并支撑井口装置的导向基座；②连接762 mm等尺寸导管，并锁紧在导向基座上的低压井口头；③连接508.0 mm表层套管，并坐挂在低压井口头内的高压井口头；④高压井口头内组装各层套管、套管挂和密封总成等附件。以上装置的严密组合，就形成了深水水下井口系统。

图1 深水井口示意

2.2 深水弃井一体化工艺工作原理

深水弃井一体化技术是将套管切割技术、深水井口头回收技术及注水泥封堵技术相结合的一种弃井技术。弃井一体化工具主要由注水泥引鞋、钻杆、扶正器、新型水力割刀、伸缩节、打捞工具、钻杆等组成。将工具组合好后下入到设计位置，首先利用打捞工具抓住高压井口头，上提管柱使钻具处于受拉状态，打捞工具处于锁定井口状态。然后，通过旋转钻具，利用水力割刀一次完成508 mm和762 mm套管的切割，其原理如图 2 所示。在切割过程中，可以根据管柱的悬重变化判断套管是否被割断，悬重减小说明套管全部割断。在切割作业过程中，钻杆始终承受拉力，保证打捞工具始终抓住井口头。这样还可以减小钻具的公转甩动半径，降低受压切割作业中井口发生倾斜而影响割刀无法居中的可能性，从而保证了作业过程的可靠性。套管切割完成后，上提钻具，将井口头与下部套管提离泥面。然后，投球打开注水泥通道，进行注水泥封固作业。注水泥结束后，上提钻具，回收井口头及套管，将井口头固定在井口，然后下压钻具，再正向旋转60°，上提钻具，打捞工具与井口头即脱开。

图2 打捞示意

该技术一趟钻完成套管的切割、井口头的回收及注水泥作业，省去了单独打捞和注水泥的工艺，可靠且方便，节约了作业时间。通过分析发现，该一体式系统可以提高作业时效性、稳定性和安全性。

3 设计要点

3.1 内捞式打捞工具设计及分析

水下井口的高压井口头悬挂508 mm套管，低压井口头悬挂762 mm套管。回收时，通常是将高压井口头、低压井口头和套管一起回收。由于高压井口头与低压井口头咬合在一体，本文设计的打捞工具主要是打捞高井口头底部，即，高压井口头下部与套管连接缩径处，如图2所示。根据相关模拟分析，钻杆暴露于海水中时，海底平面上钻柱在受压工况下所受应力及变形大于海平面上钻柱在受拉工况下的应力及变形[5]。所以，本文选用上提锁紧的打捞方式。由于外捞式打捞工具必须和高压井口头外部卡槽配合，不利于现场操作，且打捞工具锁定之后会出现意外脱开和回收后在井口无法脱手的现象。本文采用弹性片支撑的内打捞方式，如图3所示，打捞工具上部设计有J槽筒，利用上接头在J槽筒内的轨迹运动，可以实现打捞工具脱手和咬合，提高了现场操作的可靠性。

1—上接头；2—J槽筒；3—中间筒；4—耐磨环；5—调节筒；6—点位环；7—连接套；8—弹性套；9—扶正套；10—牙块；11—下接头；12—轴承护套；13—卡瓦椎体；14—圆锥滚子轴承。

根据现场作业情况，切割套管深度 5 m时，回收超提力达到500 ～ 700 kN，包括套管的重力、高压和低压井口头的重力、水泥环的重力、基座的重力等，泥面与外层套管的拖拽力。设计打捞工具时，选定的抗拉载荷为1 400 kN。切割套管时打捞工具需要传递转矩，选定的抗扭载荷为145 kN·m。

3.1.1工具抗扭强度计算

打捞工具是水下井口系统切割回收的关键设备之一，弃井作业切割套管时，需要旋转钻杆，将转矩传递到钻杆、打捞工具、水力割刀[6-10]，然后通过水力割刀切割套管。在切割过程中，打捞工具是传递转矩的关键工具。许用转矩计算公式为[6]：

(1)

危险截面外径D为197 mm;危险截面内径d为135.6mm。根据式(1)计算的许用转矩Tmax=608.95 kN·m。设定的抗扭载荷145 kN·m，故满足设计要求。

3.1.2打捞工具抗拉强度计算

根据弃井作业程序，切割完成后，需要将井口头与套管一体回收，工具的抗拉强度是设计的重要参数之一[11-13]。该工具选用4145H材料。抗拉强度计算公式为[6]：

F=σs·A×10-3

(2)

危险截面外径D为197 mm，内径d为135.6 mm。根据式(2)计算的抗拉强度F=12 592.97 kN，满足设计要求。

3.1.3卡爪设计及力学分析

打捞工具卡爪与井口头的配合如图2所示。打捞工具在下入和上提的过程中，卡爪受到井口头的挤压，会产生变形。应用有限元分析软件 ANSYS 建立卡爪模型，利用零部件的相互接触及约束条件，对卡爪的受力进行分析。由于6个卡爪均布，分析过程中只分析1个卡爪。卡爪采用的是60Si2Mn材料，力学性能如表1。

表1 60Si2Mn材料的力学性能

卡爪的等效应力如图4所示，卡爪根部的应力最大，该最大应力为563 MPa，小于材料的屈服强度1 274 MPa。根据分析结果可知，卡爪的根部安全，进一步验证该结构的合理性。

图4 打捞工具卡爪应力云图

3.2 注水泥一体式水力割刀设计及分析

深水弃井一体式系统的水力割刀必须具有两种功能，一是具有与常规割刀一样的切割功能；二是具有注水泥的功能，保证水泥可以由割刀内部传递到下部钻具。注水泥一体式水力割刀结构如图5所示。切割时，通过喷嘴产生压力，推动芯轴下移。芯轴与割刀采用齿轮与齿条的传动原理，芯轴下移时带动割刀刀片张开，泄压时弹簧力推动芯轴上移，刀片回收。切割完成后，投入钢球打通注水泥通道，完成注水泥作业[14-17]。

1—上接头；2—本体；3—剪切销钉；4—钢球；5—活塞；6—喷嘴座；7—喷嘴；8—芯轴；9—刀体；10—弹簧；11—下接头。

3.2.1割刀推力计算

注水泥一体式割刀是利用泥浆流过它喷嘴的压降作用在其活塞上而产生推力。设活塞面积为S，压力降为△p，割刀产生的推力：

F=△p·S

(3)

因此，它产生钻压的大小只与活塞的面积和压力降有关，活塞面积一定，可通过调整钻井参数而改变压力降△p，得到合适的推力。

根据式(3)计算得F=△p·S=76 kN，所以割刀设计满足要求。

3.2.2刀柄齿轮结构强度校核

割刀采用的是齿轮结构原理，活塞达到最大推力时，齿轮所受的最大压力必须大于活塞的最大推力。渐开线齿轮弯曲强度校核公式为[6]：

(4)

根据式(4)计算得Ft=173 kN，割刀芯轴与刀片最大抗压F=Ft×3=519 kN，大于活塞的最大推力76 kN，所以刀柄齿轮结构及强度满足设计要求。

4 试验井试验

深水弃井一体化工具在中海油试验井进行了试验，对工艺的可行性和工具的可靠性进行了检验。试验方案是：将深水低压和高压组合的井口头、套管固定在试验井口。然后模拟现场作业程序进行试验，将深水弃井一体化工具下入井筒，下压打捞工具，然后左旋1/4圈，过提100 kN，使打捞工具抓紧井口头。然后，进行切割作业，管柱转速70 r/min，泥浆泵排量2.3 m3/min，压力11.5 MPa，508 mm套管切割用时4.5 h，762 mm套管切割用是6.3 h，切割完成后，打捞工具将井口头与套管上提1.2 m。然后从钻杆内投球，加压25.6 MPa打开注水泥通道，模拟注水泥作业排量1.8 m3/min，压力3.4 MPa。通过试验验证了工艺的可行性和工具的可靠性。