李鑫羽，周洪云，王蕾琦，孫 鴻，韓 磊，袁萬(wàn)鑫

（中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

儲(chǔ)氣庫(kù)井運(yùn)行時(shí)需應(yīng)對(duì)頻繁工況轉(zhuǎn)換和承受高強(qiáng)度交變載荷，而儲(chǔ)氣庫(kù)建井多為老井利用，普遍存在固井質(zhì)量不滿足建庫(kù)要求的情況，需進(jìn)行套管鍛銑后重新封堵。目前套管鍛銑技術(shù)普遍采用機(jī)械式切割、鍛銑一體化工具，多應(yīng)用于淺井。在中深—深井應(yīng)用時(shí)，由于鍛銑點(diǎn)深、排量不足易導(dǎo)致銑刀不能完全張開，造成鍛銑失敗，同時(shí)鍛銑施工參數(shù)和鉆井液性能一般依靠過往資料、經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行選擇，時(shí)常造成套管抖動(dòng)、鐵屑返出困難等問題，導(dǎo)致鍛銑效率低［1］。本文通過優(yōu)選和改進(jìn)鍛銑刀具、提升現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備性能等方式，成功解決柯克亞儲(chǔ)氣庫(kù)建井柯20 井鍛銑點(diǎn)深、施工設(shè)備排量不足、鍛銑刀具不能完全鍛銑套管接箍的技術(shù)難題，同時(shí)通過合理設(shè)計(jì)鍛銑施工參數(shù)和鉆井液體系提高了鍛銑效率。

1 基本概況

柯20 井是位于柯克亞凝析氣田中的一口中深老井，完鉆日期1983 年6 月20 日，目前人工井底3848.97 m，完鉆井深4030.72 m，井型為三開直井（見圖1 、表1）。 該井歷史生產(chǎn)井段3799.8～3837.0 m，層位X72，累計(jì)產(chǎn)氣1.1×108m3、產(chǎn)油4.93×104t、產(chǎn)水604 m3，后因X71地層水下竄導(dǎo)致出水嚴(yán)重后關(guān)井。2022年柯20 井所處斷塊需轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)氣庫(kù)，需按儲(chǔ)氣庫(kù)建庫(kù)要求對(duì)儲(chǔ)氣層段3831.8～3857.0 m 進(jìn)行封堵作業(yè)。

表1 柯20 井井身結(jié)構(gòu)及參數(shù)Table 1 Well structure and parameters of Ke-20

圖1 柯20 井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Well structure of Ke-20

2 套管鍛銑工藝及技術(shù)方案研究

根據(jù)井筒目前條件（見表2）及國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，單憑擠水泥補(bǔ)救管外固井質(zhì)量不能達(dá)到建庫(kù)密封要求，根據(jù)《氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)老井封堵技術(shù)規(guī)范》，儲(chǔ)氣庫(kù)上部蓋層段固井質(zhì)量連續(xù)優(yōu)質(zhì)膠結(jié)長(zhǎng)度＜25 m 且累計(jì)優(yōu)質(zhì)膠結(jié)長(zhǎng)度＜50 m，則需對(duì)儲(chǔ)氣層頂界以上蓋層段進(jìn)行套管鍛銑，鍛銑長(zhǎng)度≮40 m。設(shè)計(jì)初始切割點(diǎn)3788.5 m（需避開套管箍和扶正器［2］），鍛銑井段3788.50～3828.50 m，段長(zhǎng)40 m，預(yù)留20 m“口袋”。

表2 柯20 井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)（部分）Table 2 Cementing quality evaluation of Well Ke-20 (in part)

2.1 優(yōu)選鍛銑刀具

對(duì)3 個(gè)廠家所提供的鍛銑刀具技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)選（見表3），GRDS 刀具刀片最大張開外徑最大，但施工時(shí)所需排量大、轉(zhuǎn)速高，本次施工設(shè)備性能不易滿足；YSD 刀具刀片最大張開外徑和套管接箍外徑一致，且所需鍛銑排量較高，施工要求和設(shè)備性能都不易滿足；LKWR 刀具所需鍛銑排量最小、轉(zhuǎn)速最低，因此選用LKWR 刀具進(jìn)行本井鍛銑施工作業(yè)。

表3 鍛銑刀具技術(shù)參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of technical parameters of forging and milling tools

LKWR 刀具結(jié)構(gòu)如圖2 所示，實(shí)物見圖3。其工作原理：開泵后，作業(yè)液流經(jīng)噴嘴產(chǎn)生壓力降，形成助推力推動(dòng)活塞上行將鍛銑刀片推出，作業(yè)完成停泵，壓力降消失，活塞依靠彈力和自身重力復(fù)位，刀片依靠自身重力或外力收回。

圖2 LKWR 鍛銑工具結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural schematic diagram of LKWR forging and milling tool

圖3 LKWR 鍛銑工具Fig.3 LKWR forging and milling tool

LKWR 刀具特點(diǎn)：（1）本體上帶有的三組銑刀呈60°夾角排列，提高切割和鍛銑速度；（2）刀片由定制的碳化鎢硬質(zhì)合金鋪焊，增強(qiáng)耐磨性，提高單趟鍛銑進(jìn)尺；（3）采用大活塞為銑刀提供更多液壓動(dòng)力，增強(qiáng)切割和鍛銑的穩(wěn)定性；（4）刀片下配有水眼，能夠保持切削結(jié)構(gòu)冷卻、清潔；（5）鍛銑刀片尖端經(jīng)銳化處理，在切割套管時(shí)，刀片尖端與套管內(nèi)壁之間呈點(diǎn)接觸方式，利于刀片吃入套管；（6）刀片采用方形凹凸面型，鍛銑過程中使套管鍛銑部位非均勻受力，防止形成細(xì)長(zhǎng)鐵絲，有利于斷屑和攜屑［3］。

2.2 鍛銑施工參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 鍛銑速度設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)鉆具組合：?177.8 mm L KWR 套管鍛銑器+變扣接頭+?120.65 mm 鉆鋌8 根+變扣接頭+?84.67 mm 鉆桿。根據(jù)LKWR 鍛銑刀具技術(shù)參數(shù)要求，設(shè)計(jì)鍛銑排量15 L/s，則套管段環(huán)空返速為1.14 m/s，鍛銑段環(huán)空返速為0.71 m/s，假設(shè)不考慮切割套管時(shí)鍛銑刀具逐步打開和鍛銑套管時(shí)井壁受鉆井液沖蝕產(chǎn)生的擴(kuò)徑影響，通過式（1）確定理論鍛銑速度為0.51 m/h［4］。

式中：v——理論鍛銑速度，m/h；Q——設(shè)計(jì)鍛銑排量，L/s；DC——鉆鋌外徑，cm；MC——鍛銑段環(huán)空1 L 鉆井液所占高度，cm/L；Dh——套管內(nèi)徑，cm；Dp——鉆桿外徑，cm。

2.2.2 鐵屑當(dāng)量直徑的確定

鐵屑當(dāng)量直徑通過式（2）表示，鐵屑當(dāng)量直徑與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和鍛銑速度有關(guān)，當(dāng)鍛銑速度一定時(shí)，轉(zhuǎn)速與鐵屑當(dāng)量直徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由于柯20 井鍛銑段固井質(zhì)量差，不宜選用高轉(zhuǎn)速，而低轉(zhuǎn)速會(huì)形成大當(dāng)量直徑的鐵屑，不易攜帶。根據(jù)LKWR 鍛銑刀具轉(zhuǎn)速參數(shù)要求，折中設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速100 r/min，確定返出鐵屑當(dāng)量直徑為0.5 cm。

式中：DT——鐵屑當(dāng)量直徑，cm；DW——鍛銑套管外徑，cm；DN——鍛銑套管內(nèi)徑，cm；n——轉(zhuǎn)速，r/min。

2.3 鉆井液體系

2.3.1 鉆井液靜切力

鉆井液靜切力大小關(guān)系到其懸浮鐵屑的能力，理想狀態(tài)下停泵時(shí)，鐵屑保持靜止或下沉極緩，根據(jù)地層壓力系數(shù)設(shè)計(jì)鉆井液密度為1.3 kg/L，通過式（3）計(jì)算鉆井液終切力為53.53 Pa［5］。

式中：δ——鉆井液靜切力，Pa；ρt——鐵屑的密度，一般取7.85 kg/L；ρz——鉆井液質(zhì)量密度，kg/L。

2.3.2 流核直徑

鍛銑作業(yè)時(shí)，鉆井液在井筒中理想狀態(tài)為平板型層流，層流相比紊流能在小排量下有效攜帶鐵屑，降低鉆井液在環(huán)空和鉆具內(nèi)的阻力損失，減少對(duì)鍛銑段井壁的沖蝕，避免井壁擴(kuò)徑和塌陷。通過流核直徑表征流動(dòng)剖面的平板化程度，塑性流體的流核直徑越大，越接近平板型層流，需調(diào)整鉆井液參數(shù)使流核直徑間隙比達(dá)到60%～70%，有利于井眼清洗。流核直徑與動(dòng)塑比、鍛銑段環(huán)空上返速度有關(guān)，根據(jù)理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化調(diào)整鉆井液動(dòng)切力30～45 Pa，塑性粘度50 mPa ?s，計(jì)算流核直徑為1.3～1.58 cm（式4），間隙比60%～73%［6］（式5）。

式中：d——流核直徑，cm；vd——鍛銑段環(huán)空返速，m/s；τ——鉆井液動(dòng)切力，Pa；μ——塑性粘度，mPa?s；J——間隙比，%。

2.4 鐵屑攜帶能力的確定

鐵屑下沉速度和鐵屑當(dāng)量直徑、鉆井液密度和塑性粘度相關(guān)，代入式（6）計(jì)算鐵屑下沉速度為0.31 m/s。鐵屑上返速度由式（7）計(jì)算，套管段鐵屑上返速度為0.83 m/s，鍛銑段鐵屑上返速度為0.4 m/s。鉆井液攜帶鐵屑能力由式（8）確定，正常的鐵屑攜帶能力在0.4～0.6，良好的鐵屑攜帶能力應(yīng)在0.6 以上，經(jīng)計(jì)算套管段鐵屑的攜帶能力為0.73，鍛銑段鐵屑的攜帶能力為0.56，經(jīng)驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)滿足要求。

式中：vc——鐵屑下沉速度，m/s；vtf——套管段鐵屑上返速度，m/s；vdt——鍛銑段鐵屑上返速度，m/s；vt——套管段環(huán)空返速，m/s；Ct——套管段鐵屑攜帶能力；Cd——鍛銑段鐵屑攜帶能力。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工難點(diǎn)及對(duì)策

3.1 施工難點(diǎn)

3.1.1 套管鍛銑位置深

鍛銑井段3788.50～3828.50 m，鍛銑深度深，鉆井液循環(huán)摩阻大，所需泵壓高、排量大，且井筒內(nèi)工作管柱長(zhǎng)，鉆壓和扭矩傳遞慢且在傳遞過程中消耗大。

3.1.2 施工設(shè)備泵壓和排量不足

現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵實(shí)際最大泵壓17 MPa、最大排量13.3 L/s，不易滿足本次鍛銑施工要求。泵壓和排量不足會(huì)造成刀具不能完全打開，對(duì)套管貼壁力不足，發(fā)生套管剝皮現(xiàn)象，同時(shí)可能存在攜屑能力不足的問題［7-8］。

3.1.3 套管鋼級(jí)、壁厚高

切割和鍛銑的7 寸套管鋼級(jí)為P110，壁厚11.51 mm，鋼級(jí)強(qiáng)度高且套管壁較厚，所需切割時(shí)間長(zhǎng)，易造成鉆具疲勞。

3.1.4 鍛銑刀具最大張開外徑不足

LKWR 刀具現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)完全張開的狀態(tài)下最大外徑僅有190 mm，分析認(rèn)為刀片限位機(jī)構(gòu)不合理導(dǎo)致刀片張開幅度不夠，使得刀片根部的合金齒不能充分接觸套管起到鍛銑作用，并且不能完全鍛銑套管接箍（外徑200 mm），導(dǎo)致刀片使用效率低、使用壽命短。

3.2 解決對(duì)策

3.2.1 施工設(shè)備性能優(yōu)化

采用千型泵車與泥漿泵并聯(lián)的方式，增大施工排量和泵壓，確保施工設(shè)備實(shí)際性能滿足鍛銑刀具技術(shù)參數(shù)要求，提高作業(yè)液攜屑能力和銑齒的貼壁力和切割力，確保施工安全和鍛銑質(zhì)量［9-11］。

3.2.2 鉆井液性能調(diào)整

分階段調(diào)整鉆井液漏斗粘度，在下鉆前采用低漏斗黏度60～70 s，有利于在預(yù)定深度點(diǎn)順利開泵；鍛銑過程中提高漏斗粘度至80～90 s，保持良好的懸浮性和流變性，降低鐵屑沉降速度同時(shí)提高攜帶能力［12-14］。施工過程中如遇泵壓升高，可采用混油增加潤(rùn)滑性來降低井下摩擦阻力。

3.2.3 鍛銑刀具性能改進(jìn)

為提高刀具在套管切割和鍛銑過程中的使用效率和壽命，將刀具限位部位進(jìn)行打磨，打磨后刀片張開最大外徑204 m（增大14 mm），滿足了刀片下端面與套管鍛銑面充分接觸并鍛銑套管接箍的需要（見圖4）。同時(shí)對(duì)鍛銑工具總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，活塞推盤改為下推式，改進(jìn)后，活塞下行推動(dòng)刀片伸出，活塞不需克服自身重力，作用在刀片的外推力增大，使刀片更易咬合在套管壁上，提高了刀片進(jìn)行套管切割和鍛銑的穩(wěn)定性（見圖5）。

圖4 鍛銑工具限位器打磨后實(shí)物Fig.4 Image of forging and milling tool

圖5 施工情況及效果分析Fig.5 Image of the piston of the improved pushdown forging and milling machine

根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果控制鉆井液參數(shù)：初切力15～20 Pa（10 s），終切力45～55 Pa（10 min），動(dòng)切力30～45 Pa，塑性粘度50 mPa?s，濾失量＜5 mL；控制鍛銑施工參數(shù)：鉆壓10～25 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速在80～100 r/min，鍛銑速度控制在0.3～0.5 m/h，開始鍛銑時(shí)采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速，待穩(wěn)定后適當(dāng)提高鍛銑速度來提升鍛銑效率，各施工參數(shù)間要匹配，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和返出物情況在取值范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整［15-19］。

柯20 井鍛銑作業(yè)共用5 趟鉆，鍛銑總長(zhǎng)度40 m，純鍛銑時(shí)間122 h。其中套管切割共用2 趟鉆，第1 趟鉆失敗，第2 趟鉆切割+鍛銑成功，后用3 趟鉆，鍛銑到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度?？?0 井鍛銑作業(yè)共用5 趟鉆，各趟鉆詳細(xì)情況見表4 及圖6。

表4 柯20 井各趟鉆鍛銑施工情況Table 4 Construction Conditions of forging and milling for each drilling trip of Well Ke-20

圖6 鍛銑工具起出后刀片磨損情況Fig.6 Wear conditions of the blade after the run

第1 趟鉆在套管切割過程中出口返出鐵屑量少，出屑不正常，停轉(zhuǎn)盤后下探鉆壓無變化、上提無掛卡。起出鍛銑器發(fā)現(xiàn)前端刀片合金齒、胎體有輕微磨損，后端刀片合金齒均完好。分析認(rèn)為鍛銑位置深，提供泵壓不足，鉆壓、扭矩不能有效傳遞，導(dǎo)致刀具張開力度不足，銑齒切割出現(xiàn)套管內(nèi)刮壁情況，未能成功。

第2 趟鉆開始采用千型泵車與泥漿泵并聯(lián)施工，返屑率65%，鍛銑進(jìn)尺8.24 m，鍛銑速度0.38 m/h，施工過程中停轉(zhuǎn)盤后下放鉆壓增加，上提管柱遇阻，判斷套管切割成功。起出管柱后發(fā)現(xiàn)鍛銑器3 副銑刀底部前部端面及刀翼合金齒均磨損嚴(yán)重，但后部端面位置存在磨損不到的問題。

第3 趟鉆返屑率62%，鍛銑進(jìn)尺12.43 m，鍛銑速度0.35 m/h。起出鍛銑器發(fā)現(xiàn)3 副銑刀相較于第2 趟鉆磨損程度增加，但后部端面位置依舊存在無法利用問題。

第4 趟套管鍛銑出現(xiàn)異常，進(jìn)尺0.36 m 后無鉆壓，出口返出鐵屑僅有9.4 kg。起出管柱后發(fā)現(xiàn)鍛銑工具槽內(nèi)有鐵屑，根據(jù)鉆壓、出口返出鐵屑量及起出鍛銑器情況判斷異常原因?yàn)殍F屑落入鍛銑工具腔內(nèi)，卡在推盤位置使銑刀不能完全推出，導(dǎo)致探不到窗口位置。

根據(jù)前幾趟鉆出現(xiàn)的異常問題和情況，將銑刀限位舌頭進(jìn)行打磨，并將活塞推盤更改為下推式，同時(shí)分階段調(diào)整鉆井液漏斗粘度，提高切削和攜巖能力。第5 趟鉆返屑率71%，鍛銑進(jìn)尺19.33 m，鍛銑速度0.48 m/h，起出管柱后發(fā)現(xiàn)鍛銑器3 幅鍛銑刀片幾乎全部磨損。相較于前幾趟鉆，單趟鍛銑進(jìn)尺、鍛銑速度、鐵屑的返排率、銑刀利用率分別提高55.5%、26.3%、9.2%、28.6%，成功高效完成了柯20井套管鍛銑作業(yè)。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備性能不滿足鍛銑施工參數(shù)要求，可采用泵車配合泥漿泵增大排量，確保銑刀能夠有力張開，同時(shí)有效攜帶鐵屑。

（2）對(duì)于銑刀張開后不能完全鍛銑套管節(jié)箍，可通過對(duì)刀具限位部位進(jìn)行打磨，使刀片下端面與套管鍛銑面充分接觸。

（3）對(duì)于鍛銑套管鋼級(jí)高、壁厚大的情況，若鍛銑刀具為上推式活塞推盤，可改進(jìn)為下推式，提高刀片張力，更易咬合在套管壁上。

（4）對(duì)于鍛銑點(diǎn)深度深，鉆井液循環(huán)摩阻大，可采用混油增加潤(rùn)滑性和分階段調(diào)整鉆井液漏斗粘度降低井下摩阻來控制泵壓。

（5）通過理論設(shè)計(jì)的鍛銑施工參數(shù)和鉆井液體系，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行工具、設(shè)備、參數(shù)調(diào)整優(yōu)化后，單趟鉆鍛銑進(jìn)尺19.33 m，鍛銑速度0.48 m/h，返屑率71%，銑刀利用率90%，相較于前幾趟鉆，各指標(biāo)分別提高55.5%、26.3%、9.2%、26.3%，有效提高了鍛銑作業(yè)效率。