磨料射流切割套管技术研究及在海上弃井中的应用.pdf

第 卷第 期石 油 钻 探 技 术Vol畅 No畅 年 月PETROLEUM DRILLING TECHNIQUESSep ， 收稿日期 ： ； 改回日期 ： 。 作者简介 ： 陈建兵（ ） ， 男 ， 河北辛集人 ， 年毕业于石 油大学（华东）钻井工程专业 ， 高级工程师 ， 副总经理 ， 主要从事海上 钻井完井技术研究与作业安全管理工作 。 联系方式 ： （） ， chentim sina畅com 。 磼 钻井完井 磾doi ： j issn 磨料射流切割套管技术研究及在海上弃井中的应用 陈建兵 ，王 超 ，刘贵远 ，刘作鹏 ，罗甲全 （中海油能源发展股份有限公司监督监理技术分公司 ， 天津塘沽 ） 摘 要 ： 为安全有效地从泥线以下切割海上废弃井套管和管桩 ， 研究开发了磨料射流切割技术 。 基于高能 磨料射流从套管串内部一次冲蚀切割多层管材的技术思路 ， 设计了液压马达驱动式和水力自旋式切割装置 ， 经 过室内试验优化喷嘴 、 泵压 、 转速和磨料类型等参数 ， 形成了配套的磨料射流切割多层套管工艺 。 地面综合切割 试验及在曹妃甸 井的现场应用表明 ， 该切割装置约在 h 内即可割断 层（矱畅 矱畅 mm）被水泥固 为一体的套管 ， 满足现场应用的要求 ， 而且可利用工程船作业 ， 能节省海洋钻机作业费用 。 实践证明 ， 磨料射流 切割技术具有切割能力强 、 效率高 、 环保无污染等特点 ， 为国内海上油气田弃井作业提供了新的技术手段 。 关键词 ： 磨料射流 套管切割 海上油气田 弃井 中图分类号 ： TE畅 ； TE畅 文献标识码 ： A 文章编号 ： （） Casing Cutting Technology through Abrasive Water Jet and Its Applications in Offshore Abandoned Wells Chen Jianbing ，Wang Chao ，Liu Guiyuan ，Liu Zuopeng ，Luo Jiaquan （CNOOC Ener TechSupervision & Technology Co ， Tanggu ， Tianjin ， ， China） Abstract ：In order to efficiently and safely cut casing and structural poles below mudline in offshore wells ， abrasive water jet （AWJ）casing cutting technology has been developed to cut abandoned offshore fa cilities Based on technical advancement of AWJ cutting through multiple casing strings ， hydraulic motor driven and selfrotating water jet cutting device were developed for field applications Parameters such as jet size ， pump pressure ， rotation speed ， abrasive material types ， etc were optimized through systematic labora tory tests and abrasive water jet cutting technique was formed Full scale surface and downhole tests in the offshore Well CFD showed that this AWJ cutting device could cut through cemented casing strings （sizes ： 矱畅 ， 矱畅 ， 矱畅 and 矱畅 mm） in less than hours ， which met field application require ments In addition ，the system is compatible with engineering support vessel instead of mobile offshore drilling units so as to further reduce its cost Its practical application shows the AWJ device with advanta ges as strong cutting capability ， high cutting efficiency and environmental friendliness ， would provide a new offshore technical solution to abandonment of offshore oilfield facilities and structures in China Key words ：abrasive water jet ； casing cutting ； offshore field ； well abandonment 海上油气井进入弃置阶段后 ， 需要从泥线以下 m 切割并回收井口和导管架等生产设施 。 相对 于机械割刀切割 、钻石缆切割 、聚能爆破切割等 ， 磨 料射流切割技术具有安全 、 环保和高效的特点 ， 尤其 可以在泥线以下从管内一次性切割导管桩或水泥封 固的多层套管而无需进行管外清泥作业 。 国外已经 进行了千余座石油设施的废弃处置 ， 磨料射流切割 技术得到了广泛应用 。 国内针对海底管桩的磨料射 流切割技术研究和试验成果显著 ， 但尚未在油田现 第 卷第 期陈建兵等 磨料射流切割套管技术研究及在海上弃井中的应用 场大范围应用 。 据不完全统计 ， 截至 年 ， 我国海域已有 多座石油设施 ， 部分设施按照 设计年限即将进入废弃阶段 ， 需要套管切割实用 技术的研究与应用 。 为此 ， 通过研究磨料射流切 割的基本规律和工艺 ， 优化了切割头的速度控制 机构 、 高压旋转密封机构及高耐磨长寿命喷嘴 ， 形 成了实用的磨料射流切割工艺及配套工具 ， 并于 年在渤海曹妃甸 油田废弃井永久性弃置 中成功应用 。 磨料射流切割技术 磨料射流切割指在水射流中加入金刚砂或石 榴石等较硬固体颗粒 ， 通过高压泵加压 、喷嘴加速 后冲击被切割物体 ， 利用磨料颗粒对材料的冲蚀 作用实现切割的一种技术 。 该技术的核心问题 是 ， 如何在有限功率供给下最大限度地改善切割 效果 、 提高切割效率 。 磨料混合方式的改进是解 决该问题的关键 。 磨料混合方式分为前混式和后 混式 ， 由于前混式只需在喷嘴处进行一次能量转 化 ， 在相同的切割能力下 ， 所需压力一般为后混式 磨料射流的 ， 因此该方式已在磨料射流 设备中普遍采用 。 其主要难点在于如何合理降低 磨料射流喷嘴的磨损速度以及如何有效控制切割 喷头的旋转速度 。 工具设计及试验研究 2畅1 磨料射流切割工具的设计 在海上废弃油气井的弃置及平台拆除过程中 ， 需要从管内沿周向在泥线以下切断井口套管和导管 桩 。 为此 ， 采用前混合的磨料混合方式 ， 设计了水力 自旋式和液压驱动式磨料射流切割工具 。 该切割工 具的切割头上装有数个耐磨喷嘴 ， 携带磨料的高压 介质通过喷嘴产生高速磨料射流 ， 从而实现对多层 管材及管间固结水泥的管内切割 。 水力自旋式切割工具（结构见图 ）由偏轴安装 的喷嘴喷射产生的反作用力驱动切割头旋转 ， 可以 使用工程船舶连接挠性高压管线作业 。 切割头顶部 水平均匀分布 个喷嘴 ， 改变偏轴安装的喷嘴数 量 ， 调整喷嘴射流轴线与切割工具轴线间的距离 ， 可 以设计出不同转速的切割工具 。 切割过程中 ， 切割 管柱外通常是常压海水 ， 管内是高压磨料浆体 ， 须防 止磨料颗粒进入切割工具中心轴与外筒的间隙中 。 设计的高压密封防砂机构由防尘圈 、 不锈钢砂网和 压盖组成 ， 分布在切割工具外筒的上下端 。 防砂机 构设计为平衡压力式 ， 以降低防尘圈的摩擦阻力 。 图 1 水力自旋式磨料射流切割工具结构 Fig畅1 Schematic of water jetting reaction self rotated abrasive cutting tool 畅 外筒 ； 畅 高压防砂机构 ； 畅 高压密封 ； 畅 中心轴 ； 畅 速度控制机构 ； 畅 轴承 ； 畅 外筒压盖 ； 畅 切割头 液压驱动式切割工具由连接于工具管柱顶部的 独立液压马达驱动切割头旋转 ， 可更好地控制切割 工具的旋转速度 。 使用钻机作业时 ， 也可用钻机的 旋转装置驱动 。 2畅2 室内试验及结果分析 室内试验研究了淹没条件下射流压力 、 喷距 、 喷 嘴旋转速度 、 磨料质量分数和粒径等因素对切割效 率的影响（试验装置见图 ）。 试验时 ， 先将磨料砂 装入磨料罐内存储 ， 当高压水通过高压供水系统进 入磨料射流发生装置后 ， 与磨料充分混合形成磨料 射流 ， 以极高的速度从射流喷嘴喷出冲击到套管上 图 2 室内试验流程示意 Fig畅2 Work flow of lab tests 畅 水池 ； 畅 高压泵 ； 畅 高压管线 ； 畅 调压阀 ； 畅 压力表 ； 畅 节流阀 ； 畅 磨料罐 ； 畅 混合腔 ； 畅 磨料切割工具 ； 畅 套管 ； 畅 水箱 74 石 油 钻 探 技 术 年 月 实现切割 。 试验结果表明 ： 随着泵压和排量的增大 ， 磨料射 流切割深度增加 ； 随着喷距的增大 ， 切割效率逐渐降 低 。 在一定泵压下 ， 切割深度随切割头转速的变化 有一个峰值 ， 磨料质量分数和粒径在切割效率达到 最大时也有一个最优值 。 为满足现场作业经济适用的要求 ， 对磨料类型 、 流体介质及喷嘴进行了进一步优选 ， 以提高磨料射 流切割的效率 。 畅畅 磨料类型和喷嘴数量对切割效率的影响 对四喷嘴切割头 ， 分别用粒径 畅 畅 mm 的 石英砂 、 石榴石 、 金刚砂和钢砂作为磨料进行切割试 验 。 试验条件及参数为 ： 压力 畅 MPa ； 喷嘴直径 畅 mm ， 喷距 畅 mm ； 转速 畅 rmin ； 清水切割 矱畅 mm N 套管 ， 切割持续时间 畅 min 。 同 时对六喷嘴切割头以石英砂为磨料作对比试验 ， 结 果见图 。 图 3 不同磨料和喷嘴数量下的试验结果 Fig畅3 Testing results of various abrasive materials & nozzle array 由图 可知 ， 磨料类型对磨料射流切割有着非 常明显的影响 ， 在同等条件下 ， 套管平均切割深度的 大小为 ： 钢砂 金刚砂 石榴石 石英砂 。 分析认 为 ， 石英砂的密度和硬度最低 、 圆度较好 ， 切割效果最 差 ， 钢砂切割效果最好 。 考虑不同磨料的价格及对喷 嘴的磨损程度 ， 优选石榴石作为切割磨料 。 另外 ， 对 比以石英砂为磨料时四喷嘴切割头和六喷嘴切割头 的切割深度 ， 发现六喷嘴的切割效果明显好于四喷 嘴 。 分析认为 ， 喷嘴数量增多后 ， 套管在单位时间内 受到的重复切割次数增多 ， 切割深度也相应增加 。 畅畅 流体介质对切割效率的影响 试验对比了清水与聚合物浆体条件下的切割效 率（聚合物浆体为在清水中添加了 畅PAM 所 形成的高分子溶液） ， 切割效率与流体介质的关系如 图 所示 。 图 4 流体介质对切割效率的影响 Fig畅4 Fluid impact on cutting efficiency 从图 可以看出 ， 在相同泵压下 ， 使用浆体代替 清水进行射流切割时 ， 切割深度明显提高 。 分析认 为 ， 这是由于流体介质不同 ， 射流的性能 、 射流的扩 散性以及等速核的长度不同而导致的 。 另外 ， 聚合 物浆体可减少摩阻 ， 增加射流的聚焦效果 ， 但会带来 环保问题并增加费用 。 畅畅 喷嘴磨损及压降 试验使用的喷嘴直径为 畅 mm ， 磨料为石英 砂 ， 砂比（体积比） ， 液体介质为清水 ， 切割时间 畅 min ， 磨损结果如图 所示 。 图 5 喷嘴磨损试验结果 Fig畅5 Test result of jet abrasion 由图 可知 ， 进口喷嘴在耐磨性上明显优于国 产喷嘴 ， 在压力大于 MPa 的条件下更具优势 ， 故 推荐选用进口喷嘴 。 2畅3 地面综合试验 预制 套相同的 层套管试件及工具悬挂架进 行地面综合试验 。 层套管直径分别为 畅 、 畅 、畅 和 畅 mm ，壁厚分别为 畅 、 畅 、 畅 和 畅 mm ， 套管试件高度为 m ， 环 空水泥固结过程中套管不同心 ， 中心偏差约 mm 。 试验选用 型压裂车作为磨料发生装置 ， 分别试 84 第 卷第 期陈建兵等 磨料射流切割套管技术研究及在海上弃井中的应用 验了水力自旋式和液压驱动式磨料射流切割工具 。 试验用喷嘴直径为 畅 mm ， 每个切割头 个喷嘴 均匀分布 。 表 1 试验过程及结果 Table 1 Test procedures and results 类别试验条件试验结果 水力 自旋式 时间 ： M C畅 h （ MPa） ； 切割分 ， 和 MPa 个 阶段 ， 切割曲线见图 内 层套管切割完 成 ， 第 层套管切割深 度 mm ； 喷嘴磨损 槝畅 mm 液压 驱动式 时间 ： M C畅 h （ MPa） ； 切割分 ， 和 MPa 个 阶段 ， 切割曲线见图 层套管全切断 ； 喷 嘴磨损后呈椭圆状 ， 长 半径 f 畅 mm ， 短半径 槝畅 mm 图 6 水力自旋式工具切割曲线 Fig畅6 Cutting curve of selfrotating hydraulic tool 图 7 液压驱动式工具切割曲线 Fig畅7 Cutting curve of hydraulic driven tool 由图 、 图 可知 ， 水力自旋式和液压驱动式磨 料射流切割工具均有较高的切割效率 ， h 即可完 成 层水泥固结套管的切割 ， 最外层矱畅 mm 套管 的切割时间需要 h 以上 ； 水力自旋式工具由于需要 两个喷嘴提供旋转动力 ， 故整体效率较液压驱动式工 具低 。 从图 可以看出 ， 试验后期设备不能较好地稳 压 ， 分析认为 ， 是由于高压大排量的磨料射流切割对 设备及管路的磨损较高所致 。 地面综合试验较好地验证了室内试验的结果 ， 工具的防尘密封问题得到了很好的解决 ， 喷嘴磨损 在可接受的范围内 。 现场应用 3畅1 弃置油田废弃井 弃置的曹妃甸 油田 ， 海上结构设施包括 口废弃井及 个结构钢桩 。 口井均已完成了下部 井筒封堵作业 ， 只需按标准要求封堵上部井筒并在 泥线以下 m 处切割回收套管串 。 其中 ， 曹妃甸 井（井身结构见图 ）完钻后在水下保留井口 ， 后 回接矱畅 、矱畅 和矱畅 mm 套管并回挤水 泥 ， 环空全部为水泥固结 ， 处理难度较大 。 图 8 曹妃甸 1 6 1 井井身结构示意 Fig畅8 Casing program of Well CFD1 6 1 曹妃甸 井内有不同尺寸泥线悬挂器 ， 因 老井资料缺失 ， 后回接的矱畅 mm 过渡套管长 度未知 ， 泥线 m 以下待切割的多层套管为 层 或者 层不明 。 使用传统的机械切割方式面临较 大困难 ， 故使用磨料射流切割多层套管技术进行 处理 。 3畅2 磨料射流切割系统及工艺参数 磨料射流切割系统（如图 所示）主要包括数据 采集控制系统 、 磨料混合增压系统和磨料射流切割 工具串 。 现场作业使用的多功能支持平台（海洋石 油 号）带有悬臂梁和井架 ， 故选择液压驱动式磨 料射流切割系统 。 磨料发生装置使用 HT 压裂 泵系统 。 井口液压马达带动管柱旋转 ， 进一步带动 井下六喷嘴磨料射流切割头旋转 ， 实现多层套管的 周向切割 。 94 石 油 钻 探 技 术 年 月 图 9 磨料射流切割系统示意 Fig畅9 Schematic of AWJ cutting system 畅 数据采集系统 ； 畅 水罐 ； 畅 混砂泵 ； 畅 加压泵 ； 畅 高压管线 ； 畅 液压马达 ； 畅 油管 ； 畅 井下扶正器 ； 畅 切割头 现场施工时采用室内及地面综合试验优选的工 艺参数 ：使用矱畅 mm 喷嘴的切割头 ， 转速 rmin ， 磨料为 目石榴石 ， 与海水混合砂比（体积 比） ， 排量畅 m min ， 泵压 MPa。 3畅3 施工概况 曹妃甸 井上部套管串回收作业进行了 次切割 。 为降低钻台处理多层套管串的难度 ， 也为 先期试验切割系统的效能 ， 首先在海平面以上 m 处进行了多层套管切割 。 有效切割时间 min ， 根 据经验判断 ，矱畅 和矱畅 mm 两层套管已割 断 。 考虑到在矱畅 mm 套管内切割矱畅 mm 套管能量衰减严重 、 效率相对较低 ， 采用外部切割方 式回收了上部管串 。 察看回收的套管串 ，矱畅 mm 套管上已开始出现切割痕迹 ， 与前期预测结果相吻 合 。 上部切割检验了磨料发生装置与切割工具的匹 配性 。 在泥线以下 m 处进行的第二次磨料射流切 割持续了近 h ， 整个过程对切割压力及排量均实 现了较好控制 。 中间曾出现压力陡然升高的情况 ， 可能与磨料颗粒不均匀有关 。 3畅4 实施效果及应用分析 畅畅 实施效果 使用自主研制的磨料射流切割工具在 MPa切割压力下 ， 在曹妃甸 井矱畅 mm 套管内部泥线以下 m 处将水泥封固的 层套管沿 周向割断 ， 未受水下复杂切割环境和套管偏心的限 制 ， 安全无污染 。 畅畅 应用分析 ） 确保切割位置在较小范围内变化 。 在海上 废弃井弃置过程中 ， 井口的晃动对切割的影响较大 。 曹妃甸 井套管切割作业中 ， 在钻台使用液压 马达驱动 ， 下部安装了扶正器 ， 都较好地保证了切割 点的上下浮动在可控范围内 。 若使用工程船及自旋 式磨料射流切割系统 ， 则应考虑软管线连接并改进 扶正装置 ， 以进一步增强切割工具井下稳定性 。 ） 切割参数的控制十分重要 。 使用数据采集 控制系统有效监测并控制了切割压力 、砂比及排量 等关键参数 ， 特别是对切割压力的控制 ， 较地面综合 试验时更为稳定 。 ） 磨料射流发生装置尚需改进 。 磨料射流切 割系统的加砂泵选择通用的 HT 压裂泵 ， 硬管 线连接 。 通用磨料发生装置增强了磨料射流切割工 具的可应用性 ， 但降低了与工具的匹配度 。 现场应 用过程中 ， 管线和泵头的磨损均较为严重 ， 泵阀也易 发生刺漏 。 后续可根据改进的切割工艺 ， 配置专用 的磨料发生装置 。 ） 切割时间的预判还需加强 。 用磨料射流这 种非接触式的切割方式切割多层水泥固结的套管 ， 通过施工参数和作业现象观察 ， 如不施以大的上提 力 ， 难以判断套管是否割断 ， 故割断套管时间的预判 对于现场作业非常重要 ， 国内外已尝试过建立工程 计算模型 ， 但磨料射流切割过程的复杂性使得 过程模型的建立较为困难 ， 只能采用理论研究与经 验分析相结合的方式 。 笔者在总结试验结果及应用 经验的基础上 ， 针对所研发的磨料射流切割工具及 现有切割工艺 ， 考虑了套管极限偏心情况 ， 大致确定 了在矱畅 mm 套管内切断 层套管所需要的时 间 ， 见图 。 图 10 多层套管切割时间预测 Fig 畅10 Time prediction of multiple casing strings cutting 结论与建议 ） 设计完成的磨料射流切割工具可通过下部 05 第 卷第 期陈建兵等 磨料射流切割套管技术研究及在海上弃井中的应用 自旋和上部液压马达 种方式实现驱动 ， 通过室内 和地面综合试验优化了喷嘴 、 磨料和切割参数 ， 并进 行了应用检验 。 ） 自主研发的磨料射流切割技术在中海油渤 海海域首个弃置油田成功应用 ， 为弃置油田结构物 拆除 ， 特别是为油气井套管从泥线以下切割回收提 供了新的技术手段 。 ） 在进一步完善磨料发生装置及其他辅助工 程技术后 ， 磨料射流切割技术及工具在油气井弃置 中将更具有广泛的适用性与推广价值 。 ） 经过系统试验及在海上弃置油田的应用表 明 ， 磨料射流切割多层套管技术减少了常规处理法 所需动用的大型复杂设备 ， 可用于无钻机弃井作业 ， 大大缩短了切割 、 处理废弃井口的时间 ， 显著降低了 弃井费用 ， 特别是在钻井装置昂贵的深水弃井作业 中有较大优势 。 参 考 文 献 References SYT 海洋弃井作业规范S SYT Specification of offshore well abandon mentS 李新仲 ， 徐本和 海上油气田的废弃处置J 中国海上油气 ： 工 程 ， ， （） ： Li Xinzhong ， Xu Benhe Brief introduction on abandonment of offshore oil and gas fieldJ China Offshore Oil and Gas ： Engi neering ， ， （） ： 周愫承 ， 张太佶 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