机械式水力割刀在海洋弃井中的应用

李国林，黄开展*，刘薇，吴刚，冯殿阁，李文(.中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司，广东 湛江 54057；.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 54057)

1 切割工具分类

1.1 常见的套管切割技术

现阶段海洋石油弃井作业水下套管切割技术发展多种多样，主要包括聚能切割、化学切割、磨料水射流切割技术和机械切割[1-5]。常用的切割工具主要有切割弹切割、高聚能镁粉火炬切割系列工具(RCT)、水力自旋式可控磨料射流切割装置和ND-S型水力式内割刀切割工具[6-8]。在弃井作业中，我们要根据不同作业环境、作业要求和费用把控选用合适的切割技术和工具，这样才能提高切割效率和效果，进一步达到降本增效的目的。

1.2 切割工具分类

切割弹切割是属于热切割的一种，根据射孔弹聚焦原理，使炸药爆炸产生金属射流，切割油套管。优点是组装容易、操作简单并且价格便宜，缺点是由于聚能爆炸，切割处呈现喇叭口现状，影响后续的打捞作业，另外切割后，爆炸产生的碎屑容易堵塞管柱。

高聚能镁粉火炬切割系列工具(RCT)是采用非爆炸品和非化学品进行七切割的工具，它主要利用混合氧化物升温喷射进行切割。在地面安装好工具串组合，用电缆下放至预定深度，通过电缆传输电流到热发生器，导致热发生器内部混合粉末燃烧，产能聚能，形成高温高压的等离子流，通过特殊设计的喷嘴通道，喷射到被切割管柱内壁，高温高压的等离子流像喷砂效果一样，对管柱内壁进行冲蚀，进而对管柱进行切割。RCT切割技术优点是操作简捷，安全性高，不受作业深度限制，被切割管柱无膨胀、无燃烧，不会对外层或邻近管柱造成损坏。

磨料水射流技术是近年来发展很迅速的一种新型技术，其原理是将一定粒度的磨料粒子(石英砂、石榴石和碳化硅等)混合到高压水射流当中，利用高速磨料颗粒的硬度和动能冲蚀材料表面，实现对物料的切割[9]。快速运动的磨料水射流具有极大的动能，当它接触到被切割的材料时，磨料水射流的动能瞬间就会为被切割材料吸收，具体表现为：第一是磨粒和水滴对被切割材料的冲击作用；第二是磨粒和水滴沿被切割材料表面的剪切破断作用(即切削作用)；第三是磨料水射流中的气体对被切割材料的侵蚀作用。在以上三点的共同作用下，被切割材料破碎形成割缝，达到切割分离的目的[10-11]。

机械式水力内割刀切割相比爆炸切割和化学切割，安全性能和经济性都更高，因此在更换回收防砂管柱和弃井等大修作业中，机械式水力内割刀的应用更为挂广泛，该技术有助于降低大修作业难度，降低作业成本[12]。

目前使用的水力割刀普遍为ND-S型水力割刀，其刀体分为七种[13]，如表1所示。本文主要介绍ND-S型水力割刀切割技术。

表1 ND-S型水力割刀型号

2 水力割刀技术研究

2.1 ND-S型水力割刀结构组成

ND-S型水力式内割刀是一种内切割工具，利用水马力来推动割刀进行管内切割的工具，在切割多层非同心套管时，能承受剧烈的震动。ND-S型水力式内割刀主要由以下部件组成：上接头、活塞、弹簧、本体、活塞管体、喷嘴、销轴、刀臂及引鞋等，如图1所示。

图1 ND-S型水力式内割刀结构组成

2.2 ND-S型水力割刀工作原理

当割刀下入到预定切割位置时，开泵循环，泥浆泵将高压液体(钻井液或海水)泵入水力割刀体内，高压液体流经割刀内指示器内部喷嘴，上下形成明显的压力差，调节泵压形成足够大的压力差，当压差达到活塞下行的固定值，活塞压缩弹簧使活塞杆下行，从而活塞杆下端推动刀片，三个割刀片绕根部销钉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。

2.3 割刀尺寸选择和管柱组合

(1)切割9-5/8″套管：8-1/8″水力割刀(刀片C9-8-23)+变扣(411*310)+3-1/2″短钻杆+3-1/2″钻杆。

(2)切割13-3/8″套管：11-3/4″水力割刀(刀片C13-8-19)+变扣(411*310)变扣(411*310)+3-1/2″短钻杆+3-1/2″钻杆。

(3)切割20″套管/30″隔水套管：11-3/4″水力割刀(刀片C13-8-53)变扣(611*410)+扶正器(降低晃动幅度)。

刀片参数代表意义：最小切割套管尺寸+钢级+长度，其中常见有(刀片C13-8-23，13-3/8″)(刀片C13-8-36，20″-24″)(刀片C13-8-52，30″-36″)(刀片C9-8-33，13-3/8″)。

弃井作业中涉及到9-5/8″、13-3/8″、20″和30″套管切割，因此在管柱组合中要清楚切割套管对应的水力割刀型号，开泵后刀片撑开后的长度，以及水力割刀工作中的相关参数。

2.4 ND-S型水力割刀操作方法

(1)下井前测试：连接正循环管线，开泵循环，观察刀片是否正常张开，测量刀片张开长度以及记录排量和泵压；测试目的：①测试刀片张开的排量、泵压；②观察刀片能否正常张开，测量刀片张开长度；③观察停泵后刀片能否正常收回。

(2)将割刀工具串下到预定井深，空转割刀，开泵循环，记下空转扭矩。逐渐加大排量，使活塞上、下产生2～3 MPa 的压力差，用水力自动进刀切割，直至割断套管。当扭矩值复原(即无反扭矩出现)，表明切割完成。

(3)停泵，停止转动钻具，使割刀恢复初始状态。应先缓慢上提30～50 mm，再将割刀起出井外。

2.5 切割判断方法

(1)直接判断法：通过泵压和扭矩变化，刚下入割刀至预定位置并开始转动，此时为空转扭矩，当割刀开始接触套管内壁时，扭矩开始增大，并出现波动现象；随着切割的进行，当套管刚被切割时，此时扭矩会突然增大，并出现明显波动，泵压随之下降，并且外层套管环空有泥浆返出；最后套管被完全切割时，泵压和扭矩恢复正常，小于初始切割扭矩和泵压，此时应保持此状态继续切割一段时间，以保证套管被完全切开。

(2)辅助判断法：当切割完成后，起出割刀并观察刀片磨损程度，若刀背和刀腹部均有明显的磨损痕迹(如图2所示，由于不断点放管柱，刀片伸出套管壁，并在刀背和刀腹留下摩擦齿痕)，则表明该套管被切开。

图2 割刀明显磨损痕迹

3 现场应用

南海西部某弃井平台采用的机械式水力式割刀，该平台废弃井套管基础数据如表2所示。

表2 南海西部某弃井平台生产井套管数据

3.1 第一次切割作业

(1)作业目的：切割回收9-5/8″套管。

(2)切割工具选择：8-1/8″单管割刀，刀片型号C9-8-23，切割工具串为8-1/8″水力割刀+变扣(411*310)+3-1/2″短钻杆+3-1/2″钻杆。

(3)切割过程参数变化：首先在割刀入井前进行功能测试，排量达到20 m3/h，泵压0.3 MPa时，刀片完全张开，测试合格，开始下入切割工具串至预定深度418 m，测管柱悬重：上提11 t，下放10 t，测转盘空转扭矩1 kN·m，转速40 r/min；开泵并逐级提高排量至33 m3/h泵压3.7 MPa，扭矩3～8 kN·m转速40 r/min，持续切割45 min，泵压降至1.5 MPa，扭矩降至1～2 kN·m，观察13-3/8″套管环空有油基泥浆返出，继续切割10 min，停泵、停转盘。

起出割刀工具串后，观察单管割刀刀尖磨损严重，如图3(a)所示，加上扭矩变化和环空返出，初步判断9-5/8″套管已被割开，开始打捞回收套管，确认切割深度417.905 m，观察割口平稳，如图3(b)所示。

图3 割刀磨损情况和9-5/8″套口割口

3.2 第二次切割作业

(1)作业目的：切割回收13-3/8″套管。

(2)切割工具选择：11-3/4″水力割刀(刀片C13-8-19)+变扣(411*310)变扣(411*310)+3-1/2″短钻杆+3-1/2″钻杆。

(3)切割过程参数变化：水力割刀功能测试，排量达到20 m3/h、泵压0.3 MPa时，刀片完全张开，测试合格，下切割管柱至87 m。切割管柱悬重上提5 t，下放5 t，开泵逐渐提高排量至30 m3/h泵压6.1 MPa，3～7 kN·m@45 r/min，切割13-3/8″套管，持续切割4 h，悬重增加1 t，观察13-3/8″套管有明显转动，判断套管切开，停泵、停转盘。

起出割刀工具，观察刀片腹部磨损明显，如图4(a)所示，13-3/8″套管割口平整规则，如图4(b)所示。

图4 割刀磨损情况和13-3/8″套口割口

3.3 两次切割的异同

(1)相同点：两次切割过程中均有明显的扭矩波动然后下降的过程，泵压下降，观察扭矩和泵压两个参数的变化可以初步判断切割是否成功。

(2)不同点：①割刀不同：第一次切割作业使用单管割刀；②判断方式不同：第一次切割作业观察扭矩和泵压下降，并且外层套管环空有返出，第二次切割作业除了扭矩和泵压下降，还观察到悬重增加，套管明显转动，表明套管完全被切开并有压刀现象。

4 结语

(1)套管切割技术是海洋弃井中的关键，目前国内外发展多种先进的切割技术，作业人员需根据作业环境和要求选用合适的切割工具。

(2)本文主要介绍ND-S型水力割刀切割工具结构组成和工作原理，另外要根据被切割套管选取合适的割刀尺寸和管柱组合。

(3) ND-S型水力割刀切割操作时，注意首先进行地面功能测试，记录刀片完全张开时的扭矩和泵压，固定好刀片后注意缓慢下至预定位置，并测空转扭矩，开始用小排量低泵压切割，待切割稳定后逐级提高排量和泵压，直至割断套管。

(4)切割成功的判断方法主要有：扭矩和泵压下降；液面下降，外层套管环空有返出液；悬重增加，套管明显转动；刀片背部和腹部有明显的磨痕；套管切割时需多种方法综合判断切割是否成功。