深水弃井作业转矩的影响因素分析

鄢　标，夏成宇，王　鹏，卢汉斌，黄　锴，吕佳华

（1．长江大学　非常规油气湖北省协同创新中心，武汉430100；2．长江大学　油气钻完井工具研究中心，湖北　荆州434023）①

深水弃井作业转矩的影响因素分析

鄢标1，2，夏成宇1，2，王鹏1，2，卢汉斌1，2，黄锴2，吕佳华2

（1．长江大学非常规油气湖北省协同创新中心，武汉430100；2．长江大学油气钻完井工具研究中心，湖北荆州434023）①

在海洋弃井作业中，浅水区域作业是通过转矩陡降判断套管是否切断；而对现场深水套管切割资料研究中发现，在深水座压式弃井作业时，即使套管被切断，转矩也不会突然降低。结合钻柱力学，找出了影响深水套管切割转矩的因素及深水套管切割时转矩组成成分的比例变化规律，指出了不能用转矩作为深水判断标准的原因；建议使用井下动力钻具进行切割，研究结果对深水套管切割技术指标的确定及现场作业有一定的指导意义。

深水；弃井作业；套管切割；转矩；影响因素

海洋石油平台的设计寿命约为20 a，国内外法规、标准规定，当海洋平台的寿命到达设计期限后，如果没有其他用途，均需被废弃拆除［1］。自20世纪80年代拆除第1座海洋石油平台到2012年以来，拆除了2000多座海洋石油平台。我国海洋石油开发的时间大约有50a，分布在渤海、黄海、东海和南海。有部分海洋石油平台已达到使用寿命，按照我国海洋石油开发的相关条例，需要将他们拆除。而且在若干年后，将会有更多的海洋石油平台会被拆除。由于我国在海洋石油甚至深水油气井的开发中，相关技术还难以满足目前的需要，所以，研究海洋深水弃井工程技术及其应用迫在眉睫［2－4］。

对于永久弃井作业，最关键的环节就是套管切割。切割工具的研究在近几十年来取得了一定的发展。1999年，董合健等研制了NDS114型套管内割刀，这种切割装置是一种典型的水力式割刀，工具总长1 100 mm，本体外径114 mm，割刀伸出最大外径170 mm，适用套管直径为140 mm，可广泛应用于油田井下套管切割［5］。2001年，美国的Sonsub公司研制了采用遥控潜水器操作的水下金刚石切割绳模块［6］。2009年，英国Sondex公司研制了井下电切割工具［7］。同年，美国威德福公司研制出了深水井口头切割回收工具［8］，被称为弃井作业的一次革命。目前，深海平台弃井作业中，机械水力切割因其经济、快速、安全的特点而被普遍采纳。然而，随着作业水深的增加，针对如何判断套管是否被切断，成为弃井作业的难题。在浅水区域，一般由转矩陡降来判断套管被切断［9］。分析深水切割资料发现，在深水作业时，即使套管被切断，转矩也不会陡降。本文对深水套管切割过程中，影响套管切割转矩的因素进行了理论分析，解释了利用井口驱动转矩变化作为割断指标的局限性；并用现场数据验证了理论分析的正确性。分析结论对深水套管切割切断判断指标的制定以及机械式切割工具的设计有一定的指导意义。

1　机械式切割基本原理

机械式水力内割刀结构如图1所示。切割原理为：将机械式切割工具下放到作业深度，开启泥浆泵，由于节流喷嘴的节流作用，在芯板及活塞上下产生压差，活塞下移，撑开刀具，然后顶驱带动钻柱旋转，钻柱带动刀具旋转实现套管切割。

图1　水力内切割工具

2　座压式弃井作业套管切割钻柱力学分析

切割钻柱受转矩影响的模型如图2所示。由达朗贝尔原理［10］可知，井口驱动转矩由刀具切转矩、流体阻力矩及钻柱产生的惯性转矩3部分组成，即：式中：M（t）为井口驱动转矩，N·m；M1（t）为海水阻力矩，N·m，M1（t）＝Md（t）×l，Md（t）为钻柱单位长度所受的阻力矩，l为流体作用长度；M2（t）为刀具产生的转矩，N·m；M3（t）为惯性转矩，N·m，M3（t）＝Jα，J为钻柱的极惯性矩，α为钻柱的角加速度，rad／s2。

图2　切割钻柱受转矩模型

在浅水作业时，由于水深l较小，刀具产生的转矩M2（t）远比M1（t）＋M3（t）大，故当套管被切断后，M2（t）急剧减少而造成M（t）急剧减小，此时可以通过井口转矩M（t）的变小判断套管被切断。但在深水作业时，由于水深l比较大，M1（t）和M3（t）增大，导致M1（t）＋M3（t）＞M2（t），此时当套管被切断后，M2（t）急剧减少，但M（t）不会急剧减小。因此，在深水区域不能用井口驱动转矩突变来判断套管是否被切断。

3　现场案例分析

由上述分析可知，在座压式深水套管切割中，井口驱动转矩由切割转矩、惯性转矩以及海水阻力矩组成，并且水深和转速会影响切割转矩占井口驱动转矩的比例。

3．1 切割转速对井口驱动转矩的影响

以南海某A井339．725 mm（13英寸）套管切割为例，该井的切割深度850 m，转矩T＝1～13 k N·m，切割转速0～75 r／min。

1） 钻具转速n为25 r／min，泵冲次为85 min－1。钻具角速度为

极限情况下角加速度为

惯性转矩为

极限情况下惯性转矩Tg占总转矩T的比例为

2） 钻具转速为45 r／min，泵冲次为85 min－1。钻具角速度为

极限情况下角加速度为惯性转矩为

极限情况下惯性转矩T g占总转矩T的比例为

3） 钻具转速为75 r／min，泵冲次为85 min－1。钻具角速度为

极限情况下角加速度为

惯性转矩为

极限情况下惯性转矩T g占总转矩T的比例为

转速对井口驱动转矩的影响如表1。

表1　转速对井口驱动转矩的影响

由表1可知，随着切割转速的增加惯性转矩占总转矩的比例增加，与理论分析相吻合。

3．2 工作水深对井口驱动转矩的影响

1） 南海某B井339．725 mm（13英寸）套管切割。作业水深590 m，泵冲次0～75 min－1，转矩0～8．7 k N·m，其中泵冲次为75 min－1时，未切断时井口驱动转矩为8．6 k N·m。该井切割正常，切断后井口驱动转矩陡然下降，停泵，取出钻柱后，提拉套管，套管正常取出，显示套管已被割断。转矩随时间的变化曲线如图3所示。

图3　南海某B井井口转矩随时间的变化曲线

2） 南海某A井339．725 mm（13英寸）套管切割。套管切割深度850m，泵冲次0～75 min－1，钻具悬重1 040 k N，下压50 k N，切割耗时2．5 h，在转矩7～13 k N·m未出现转矩突然降低，起钻完，检查割刀，发现3幅刀片磨损均十分严重，刀尖基本磨圆，刀背上崩齿比较严重；从刀背上的痕迹来看，距离刀尖30 mm的范围内磨损十分严重，30～70 mm区域磨损略轻一点，距离刀尖120 mm 处2副刀片上有较明显的圆弧形划痕。根据以上迹象，由刀具情况推断套管完全割断的概率在80%以上。转矩随时间的变化曲线如图4所示。

图4　南海某A井井口转矩随时间的变化曲线

水深对井口驱动转矩的影响如表2。

表2　水深对井口驱动转矩的影响

从表2可知，当水深从590 m增加到850 m时，井口驱动转矩增加4．3 k N·m，占850 m水深的井口驱动转矩的比例为33．08%。

随着工作水深以及切割转速的增加，海水阻力矩和惯性转矩占井口驱动转矩的比例逐渐增大，导致切割转矩占总转矩的比例减小，从而导致井口转矩在切割过程中无明显变化，与理论分析相吻合。

4　结论

1） 随着工作水深的增加，海水阻力矩和惯性转矩所占井口驱动转矩的比例增加。切割转速增加，惯性转矩占总转矩的比例增加。

2） 在深水作业时，切割转矩占总转矩的比例随水深和切割转速的增加而减小，不能以总转矩的陡降来判断套管是否被割断。

3） 建议通过完善切割工具或使用井下动力钻具进行切割，通过泵压的变化来判断套管是否被割断。

［1］ 国家安全生产监督管理总局．海洋石油安全管理细则［S］．2009．

［2］ 谢彬，张爱霞，段梦兰．中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型［J］．石油学报，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，张辰，温后珍，等．压裂管柱力学分析及其应用［J］．石油矿场机械，2014，43（9）：30-33．

［5］ 董合健，吕宗高，龚伟民，等．NDS114型套管内割刀的研究与应用［J］．石油机械，1999（3）：38-39．

［6］ 田晓洁，刘永红，林荣桔，等．深海套管切割工具的研究和发展现状［J］．石油机械，2011（11）：45-52．

［7］ 赵寿元，李勇，高军伟，等．水下切割技术的研究［J］．机械研究与应用，2007，20（5）：26-28．

［8］ 冯定，王永平，赵志超，等．套管固井质量问题对策分析［J］．江汉石油学院学报，1998，20（9）：74-77．

［9］ 季鹏，李亚方，马魁魁，等．浅谈机械水力割刀套管切割技术［J］．中国石油和化工标准与质量，2013（9）：67．

［10］ 闫铁，刘珊珊，毕雪亮，等．考虑钻柱作用的深海隔水管柱力学分析［J］．石油矿场机械，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