鄢　標(biāo)，夏成宇，王　鵬，盧漢斌，黃　鍇，呂佳華

（1．長江大學(xué)　非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430100；2．長江大學(xué)　油氣鉆完井工具研究中心，湖北　荊州434023）①

深水棄井作業(yè)轉(zhuǎn)矩的影響因素分析

鄢標(biāo)1，2，夏成宇1，2，王鵬1，2，盧漢斌1，2，黃鍇2，呂佳華2

（1．長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430100；2．長江大學(xué)油氣鉆完井工具研究中心，湖北荊州434023）①

在海洋棄井作業(yè)中，淺水區(qū)域作業(yè)是通過轉(zhuǎn)矩陡降判斷套管是否切斷；而對現(xiàn)場深水套管切割資料研究中發(fā)現(xiàn)，在深水座壓式棄井作業(yè)時，即使套管被切斷，轉(zhuǎn)矩也不會突然降低。結(jié)合鉆柱力學(xué)，找出了影響深水套管切割轉(zhuǎn)矩的因素及深水套管切割時轉(zhuǎn)矩組成成分的比例變化規(guī)律，指出了不能用轉(zhuǎn)矩作為深水判斷標(biāo)準(zhǔn)的原因；建議使用井下動力鉆具進(jìn)行切割，研究結(jié)果對深水套管切割技術(shù)指標(biāo)的確定及現(xiàn)場作業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。

深水；棄井作業(yè)；套管切割；轉(zhuǎn)矩；影響因素

海洋石油平臺的設(shè)計壽命約為20 a，國內(nèi)外法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)海洋平臺的壽命到達(dá)設(shè)計期限后，如果沒有其他用途，均需被廢棄拆除［1］。自20世紀(jì)80年代拆除第1座海洋石油平臺到2012年以來，拆除了2000多座海洋石油平臺。我國海洋石油開發(fā)的時間大約有50a，分布在渤海、黃海、東海和南海。有部分海洋石油平臺已達(dá)到使用壽命，按照我國海洋石油開發(fā)的相關(guān)條例，需要將他們拆除。而且在若干年后，將會有更多的海洋石油平臺會被拆除。由于我國在海洋石油甚至深水油氣井的開發(fā)中，相關(guān)技術(shù)還難以滿足目前的需要，所以，研究海洋深水棄井工程技術(shù)及其應(yīng)用迫在眉睫［2－4］。

對于永久棄井作業(yè)，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是套管切割。切割工具的研究在近幾十年來取得了一定的發(fā)展。1999年，董合健等研制了NDS114型套管內(nèi)割刀，這種切割裝置是一種典型的水力式割刀，工具總長1 100 mm，本體外徑114 mm，割刀伸出最大外徑170 mm，適用套管直徑為140 mm，可廣泛應(yīng)用于油田井下套管切割［5］。2001年，美國的Sonsub公司研制了采用遙控潛水器操作的水下金剛石切割繩模塊［6］。2009年，英國Sondex公司研制了井下電切割工具［7］。同年，美國威德福公司研制出了深水井口頭切割回收工具［8］，被稱為棄井作業(yè)的一次革命。目前，深海平臺棄井作業(yè)中，機(jī)械水力切割因其經(jīng)濟(jì)、快速、安全的特點而被普遍采納。然而，隨著作業(yè)水深的增加，針對如何判斷套管是否被切斷，成為棄井作業(yè)的難題。在淺水區(qū)域，一般由轉(zhuǎn)矩陡降來判斷套管被切斷［9］。分析深水切割資料發(fā)現(xiàn)，在深水作業(yè)時，即使套管被切斷，轉(zhuǎn)矩也不會陡降。本文對深水套管切割過程中，影響套管切割轉(zhuǎn)矩的因素進(jìn)行了理論分析，解釋了利用井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變化作為割斷指標(biāo)的局限性；并用現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證了理論分析的正確性。分析結(jié)論對深水套管切割切斷判斷指標(biāo)的制定以及機(jī)械式切割工具的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

1　機(jī)械式切割基本原理

機(jī)械式水力內(nèi)割刀結(jié)構(gòu)如圖1所示。切割原理為：將機(jī)械式切割工具下放到作業(yè)深度，開啟泥漿泵，由于節(jié)流噴嘴的節(jié)流作用，在芯板及活塞上下產(chǎn)生壓差，活塞下移，撐開刀具，然后頂驅(qū)帶動鉆柱旋轉(zhuǎn)，鉆柱帶動刀具旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)套管切割。

圖1　水力內(nèi)切割工具

2　座壓式棄井作業(yè)套管切割鉆柱力學(xué)分析

切割鉆柱受轉(zhuǎn)矩影響的模型如圖2所示。由達(dá)朗貝爾原理［10］可知，井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩由刀具切轉(zhuǎn)矩、流體阻力矩及鉆柱產(chǎn)生的慣性轉(zhuǎn)矩3部分組成，即：式中：M（t）為井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，N·m；M1（t）為海水阻力矩，N·m，M1（t）＝Md（t）×l，Md（t）為鉆柱單位長度所受的阻力矩，l為流體作用長度；M2（t）為刀具產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，N·m；M3（t）為慣性轉(zhuǎn)矩，N·m，M3（t）＝Jα，J為鉆柱的極慣性矩，α為鉆柱的角加速度，rad／s2。

圖2　切割鉆柱受轉(zhuǎn)矩模型

在淺水作業(yè)時，由于水深l較小，刀具產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M2（t）遠(yuǎn)比M1（t）＋M3（t）大，故當(dāng)套管被切斷后，M2（t）急劇減少而造成M（t）急劇減小，此時可以通過井口轉(zhuǎn)矩M（t）的變小判斷套管被切斷。但在深水作業(yè)時，由于水深l比較大，M1（t）和M3（t）增大，導(dǎo)致M1（t）＋M3（t）＞M2（t），此時當(dāng)套管被切斷后，M2（t）急劇減少，但M（t）不會急劇減小。因此，在深水區(qū)域不能用井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩突變來判斷套管是否被切斷。

3　現(xiàn)場案例分析

由上述分析可知，在座壓式深水套管切割中，井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩由切割轉(zhuǎn)矩、慣性轉(zhuǎn)矩以及海水阻力矩組成，并且水深和轉(zhuǎn)速會影響切割轉(zhuǎn)矩占井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的比例。

3．1 切割轉(zhuǎn)速對井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的影響

以南海某A井339．725 mm（13英寸）套管切割為例，該井的切割深度850 m，轉(zhuǎn)矩T＝1～13 k N·m，切割轉(zhuǎn)速0～75 r／min。

1） 鉆具轉(zhuǎn)速n為25 r／min，泵沖次為85 min－1。鉆具角速度為

極限情況下角加速度為

慣性轉(zhuǎn)矩為

極限情況下慣性轉(zhuǎn)矩Tg占總轉(zhuǎn)矩T的比例為

2） 鉆具轉(zhuǎn)速為45 r／min，泵沖次為85 min－1。鉆具角速度為

極限情況下角加速度為慣性轉(zhuǎn)矩為

極限情況下慣性轉(zhuǎn)矩T g占總轉(zhuǎn)矩T的比例為

3） 鉆具轉(zhuǎn)速為75 r／min，泵沖次為85 min－1。鉆具角速度為

極限情況下角加速度為

慣性轉(zhuǎn)矩為

極限情況下慣性轉(zhuǎn)矩T g占總轉(zhuǎn)矩T的比例為

轉(zhuǎn)速對井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的影響如表1。

表1　轉(zhuǎn)速對井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的影響

由表1可知，隨著切割轉(zhuǎn)速的增加慣性轉(zhuǎn)矩占總轉(zhuǎn)矩的比例增加，與理論分析相吻合。

3．2 工作水深對井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的影響

1） 南海某B井339．725 mm（13英寸）套管切割。作業(yè)水深590 m，泵沖次0～75 min－1，轉(zhuǎn)矩0～8．7 k N·m，其中泵沖次為75 min－1時，未切斷時井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為8．6 k N·m。該井切割正常，切斷后井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩陡然下降，停泵，取出鉆柱后，提拉套管，套管正常取出，顯示套管已被割斷。轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3　南海某B井井口轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線

2） 南海某A井339．725 mm（13英寸）套管切割。套管切割深度850m，泵沖次0～75 min－1，鉆具懸重1 040 k N，下壓50 k N，切割耗時2．5 h，在轉(zhuǎn)矩7～13 k N·m未出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩突然降低，起鉆完，檢查割刀，發(fā)現(xiàn)3幅刀片磨損均十分嚴(yán)重，刀尖基本磨圓，刀背上崩齒比較嚴(yán)重；從刀背上的痕跡來看，距離刀尖30 mm的范圍內(nèi)磨損十分嚴(yán)重，30～70 mm區(qū)域磨損略輕一點，距離刀尖120 mm 處2副刀片上有較明顯的圓弧形劃痕。根據(jù)以上跡象，由刀具情況推斷套管完全割斷的概率在80%以上。轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4　南海某A井井口轉(zhuǎn)矩隨時間的變化曲線

水深對井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的影響如表2。

表2　水深對井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的影響

從表2可知，當(dāng)水深從590 m增加到850 m時，井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩增加4．3 k N·m，占850 m水深的井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的比例為33．08%。

隨著工作水深以及切割轉(zhuǎn)速的增加，海水阻力矩和慣性轉(zhuǎn)矩占井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的比例逐漸增大，導(dǎo)致切割轉(zhuǎn)矩占總轉(zhuǎn)矩的比例減小，從而導(dǎo)致井口轉(zhuǎn)矩在切割過程中無明顯變化，與理論分析相吻合。

4　結(jié)論

1） 隨著工作水深的增加，海水阻力矩和慣性轉(zhuǎn)矩所占井口驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的比例增加。切割轉(zhuǎn)速增加，慣性轉(zhuǎn)矩占總轉(zhuǎn)矩的比例增加。

2） 在深水作業(yè)時，切割轉(zhuǎn)矩占總轉(zhuǎn)矩的比例隨水深和切割轉(zhuǎn)速的增加而減小，不能以總轉(zhuǎn)矩的陡降來判斷套管是否被割斷。

3） 建議通過完善切割工具或使用井下動力鉆具進(jìn)行切割，通過泵壓的變化來判斷套管是否被割斷。

［1］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．海洋石油安全管理細(xì)則［S］．2009．

［2］ 謝彬，張愛霞，段夢蘭．中國南海深水油氣田開發(fā)工程模式及平臺選型［J］．石油學(xué)報，2007，28（1）：115-110．

［3］ James W，Suliman S，AlSuwailemR，et al．A unique rigless casing leak repair，Ghawar Field，Saudi Arabia ［R］．SPE68129，2001：55-57．

［4］ 王尊策，張辰，溫后珍，等．壓裂管柱力學(xué)分析及其應(yīng)用［J］．石油礦場機(jī)械，2014，43（9）：30-33．

［5］ 董合健，呂宗高，龔偉民，等．NDS114型套管內(nèi)割刀的研究與應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，1999（3）：38-39．

［6］ 田曉潔，劉永紅，林榮桔，等．深海套管切割工具的研究和發(fā)展現(xiàn)狀［J］．石油機(jī)械，2011（11）：45-52．

［7］ 趙壽元，李勇，高軍偉，等．水下切割技術(shù)的研究［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20（5）：26-28．

［8］ 馮定，王永平，趙志超，等．套管固井質(zhì)量問題對策分析［J］．江漢石油學(xué)院學(xué)報，1998，20（9）：74-77．

［9］ 季鵬，李亞方，馬魁魁，等．淺談機(jī)械水力割刀套管切割技術(shù)［J］．中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（9）：67．

［10］ 閆鐵，劉珊珊，畢雪亮，等．考慮鉆柱作用的深海隔水管柱力學(xué)分析［J］．石油礦場機(jī)械，2014，43（8）：13-17．

Analysis of Influencing Factors of Torque in Casing Cutting in Deep Water

YAN Biao1，2，XIA Chengyu1，2，WANG Peng1，2，LUHanbin1，2，HUANGKai2，LYU Jiahua2
（1．Unconventional Oil and Gas Hubei Province Collaborative Innovation Center，Yangtze University，
Wuhan 430100，China；2．Oil and Gas Drilling and Well Completion Tools Research Center，Yangtze University，Jingzhou 434023，China）

In marine abandonment operations，people judge whether the casing pipe was cut off by the information that the torque became smaller suddenly in the shallow water area．But through analyzing the cutting data in the deep water operations，it found that the torque will not suddenly become smaller even the casing pipe being cut off．Combined with a BHA analysis program，this article analyzes the cause of the torque decline in the process of casing cutting in deep water．It concluded the regular of changes of the torque component ratio during the casing cutting in deepwater and pointed out the reasons of cannot using the torque as the judgment standard in deepwater．It is recommend the use of downhole drilling tools for casing cutting．The research results have certain guiding significance for field operations and the determination of technical indicators of casing cutting off in deepwater．

deep water；abandonment operation；casing cutting；torque；influencing factor

TE952

A

10．3969／j ．issn．1001－3842．2015．09．002

1001－3482（2015）09－0004－04