20 石油矿场机械 2018 年 9 月犃犫狊狋狉犪犮狋 :Theexistingdeep waterabandoned weloperationproceduresrequire manydrilsto complete,theoperationcostishigh,anditisdificul

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曲俵植
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1 2018 年第 47 卷石油矿场机械第 5 期第 19 页犗犐犔犉犐犈犔犇犈犙犝犐犘犕犈犖犜 2018,47(5):19 23 文章编号 : (2018) 深水弃井作业一体化技术及关键工具研究魏爱拴 ( 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司, 天津 ) 摘要 : 现有的深水弃井作业程序需要多趟钻才能完成, 作业成本高, 且注水泥管柱下入困难为了提高弃井的作业效率, 研究了深水弃井一体化工艺, 设计了关键工具, 并进行了试验验证结果表明, 该技术可以一趟钻完成切割套管注水泥封固井口回收井口头作业, 可以降低弃井作业成本, 简化作业程序, 提高作业的可靠性关键词 : 深水 ; 套管 ; 切割 ; 打捞 ; 技术中图分类号 :TE951 文献标识码 :A 犱狅犻 : /j.issn 犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀犐狀狋犲犵狉犪狋犲犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犪狀犱犓犲狔犜狅狅犾狊狅犳犇犲犲狆犠犪狋犲狉犃犫犪狀犱狅狀犿犲狀狋 WEIAishuan ( 犈狀犲狉犜犲犮犺犇狉犻犾犻狀犵牔犘狉狅犱狌犮狋犻狅狀犆狅犿狆犪狀狔, 犆犖犗犗犆, 犜犻犪狀犼犻狀 , 犆犺犻狀犪 ) 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪底钳工作的可靠性水下液压驱动技术有其独特的与设备 [M]. 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学出版社,2012. 优势, 但是存在作业过程中人员无法近距离监控操 [4] 石油钻机和修井机 :GB/T [S]. 作, 维护保养成本高等问题, 且水下液压元件价格昂 [5] 海上固定平台规划设计和建造的推荐作法一工作应力设计法 :SY/T [S]. 贵, 需要进一步提高安全可靠性和经济实用性杨红刚, 王定亚, 陈才虎, 等. 海底勘探装备技术研究 3) 水下装备由于其作业环境的特殊性, 向可 [J]. 石油机械,2012,40(12): 视化可控化动力化方向发展, 对操作收放维护 [7] IssernA R.NationalScienceFoundation soceanob 检测等提出了更加苛刻的要求, 应逐步建立水下装 servatoryinitiative [J].Sea Technology,2005,46 备设计工艺技术体系, 加强水面远程操作与深水机 (6): 电液声等复合控制技术, 深水试验技术, 水下装备 [8] 杨红刚, 王定亚, 刘小卫, 等. 一种海洋水下勘察基盘 : 安装与回收技术等方面的研究, 以推动水下装备技 ZL [P] 术的协同发展 [9] 杨士莪. 海洋环境及海洋资源调查监测技术概述 [J]. 舰船科学技术,2008,30(5): 参考文献 : [10] 李诚铭. 新编石油钻井工程实用技术手册 [M]. 北 [1] Lenn Y D,Chereskin T K.ObservationsofEkman 京 : 中国知识出版社,2006. CurrentsintheSouthernOcean[J].JournalofPhysi [11] 唐海雄, 林宗辉, 罗俊丰, 等. 新型水下基盘吊装工具 caloceanography,2009,39(3): 系统的研制 [J]. 中国海上油气,2008,20(5): [2] ISO Petroleum andnaturalgasindustries Designand operation ofsubsea production systems [12] 杨红刚, 陈雪娟, 刘小卫, 等. 水下勘察基盘用海底钳 [S].2010 系统设计与分析 [J]. 石油机械,2011,39(10): [3] 白勇, 龚顺风, 白强, 等. 水下生产系统手册 : 水下结构收稿日期 : 基金项目 : 中国海洋石油科研项目深水井口打捞一体化工具研制 (CNOOC KJ135KJXM NFGJ ) 作者简介 : 魏爱拴 (1983 ), 男, 工程师,2008 年毕业于中北大学机械设计及自动化专业, 现从事石油工具研发工作,E mail:weiash@cnooc.com.cn

2 20 石油矿场机械 2018 年 9 月犃犫狊狋狉犪犮狋 :Theexistingdeep waterabandoned weloperationproceduresrequire manydrilsto complete,theoperationcostishigh,anditisdificulttoinjectcementpipeintothehole.inor dertoimprovetheoperationeficiencyoftheabandonedwel,theintegratedtechnologyofdeep waterabandonedwelwasstudied,keytoolsweredesignedandtested.theresultsshowthatthe techniquecanbeusedtofinishtheoraloperationofcutingcasing,cementingwelmouthandre coverywel.therefore,thetechniquecanreducetheoperationcost,simplifytheoperationpro cedureandimprovethereliabilityoftheoperation. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :deepwater;casing;cuting;fishing;technology 随着石油勘探技术的迅猛发展, 石油的勘探开发逐渐向深水迈进, 而对海底的清洁要求越来越高根据海底弃井规范, 泥线以下 5m 不得遗留各种弃 [1] 置物我国在深水勘探过程中, 由于受到钻探区域海况的影响, 及工艺技术的限制, 采用传统的切割回收方法回收海底井口系统, 需要先进行切割作业, 再打捞井口头和套管, 然后下钻完成注水泥作业, 该作业程序复杂, 时间较长, 成本高采用深水切割回收工艺, 可以一趟钻完成切割和回收作业, 但是不能 [2] 实现一趟钻注水泥作业为了提高弃井的作业效率和作业的可靠性, 笔者研究了深水弃井一体化技术向基座上的低压井口头 ;3 连接 mm 表层套管, 并坐挂在低压井口头内的高压井口头 ;4 高压井口头内组装各层套管套管挂和密封总成等附件以上装置的严密组合, 就形成了深水水下井口系统 1 深水弃井工艺现状在深水井切割回收套管时, 隔水管系统及防喷器组已经完成回收, 是在钻杆暴露在海流中的情况下进行弃井作业钻柱承受波浪力及海流力等多种因素的影响, 钻杆的受力比较复杂所以, 深水井口切割回收系统必须考虑钻柱受海浪的影响目前常用的深水井口切割回收系统主要是提拉式外捞和座 [3 4] 压式外捞, 这两种系统在切割回收完成后, 都需要单独下一趟钻进行注水泥封固作业, 作业时间长由于受海底洋流等的影响, 重新下入注水泥管柱时管柱很难进入井眼所以, 笔者研制了深水弃井一体化工具, 实现切割套管回收井口头注水泥封固作业一趟钻完成 2 深水弃井一体化工具设计 2.1 深水井口结构特点深水井的井口装置安装在转盘正下方的海底, 如图 1 所示, 它包括 :1 坐在海底并支撑井口装置的导向基座 ;2 连接 762mm 等尺寸导管, 并锁紧在导图 1 深水井口示意 2.2 深水弃井一体化工艺工作原理深水弃井一体化技术是将套管切割技术深水井口头回收技术及注水泥封堵技术相结合的一种弃井技术弃井一体化工具主要由注水泥引鞋钻杆扶正器新型水力割刀伸缩节打捞工具钻杆等组成将工具组合好后下入到设计位置, 首先利用打捞工具抓住高压井口头, 上提管柱使钻具处于受拉状态, 打捞工具处于锁定井口状态然后, 通过旋转钻具, 利用水力割刀一次完成 508 mm 和 762 mm 套管的切割, 其原理如图 2 所示在切割过程中, 可以根据管柱的悬重变化判断套管是否被割断, 悬重减小说明套管全部割断在切割作业过程中, 钻

第 47 卷第 5 期魏爱拴 : 深水弃井作业一体化技术及关键工具研究 21 杆始终承受拉力, 保证打捞工具始终抓住井口头这样还可以减小钻具的公转甩动半径, 降低受压切割作业中井口发生倾斜而影响割刀无法居中的可能性, 从而保证了作业过程的可靠性套管切割完成后, 上提钻具, 将井口头与下部套管提离泥面然后, 投球打开注水泥通道, 进行注水泥封固作业注水泥结束后, 上提钻具,

3 第 47 卷第 5 期魏爱拴 : 深水弃井作业一体化技术及关键工具研究 21 杆始终承受拉力, 保证打捞工具始终抓住井口头这样还可以减小钻具的公转甩动半径, 降低受压切割作业中井口发生倾斜而影响割刀无法居中的可能性, 从而保证了作业过程的可靠性套管切割完成后, 上提钻具, 将井口头与下部套管提离泥面然后, 投球打开注水泥通道, 进行注水泥封固作业注水泥结束后, 上提钻具, 回收井口头及套管, 将井口捞方式由于外捞式打捞工具必须和高压井口头外部卡槽配合, 不利于现场操作, 且打捞工具锁定之后会出现意外脱开和回收后在井口无法脱手的现象本文采用弹性片支撑的内打捞方式, 如图 3 所示, 打捞工具上部设计有 J 槽筒, 利用上接头在 J 槽筒内的轨迹运动, 可以实现打捞工具脱手和咬合, 提高了现场操作的可靠性头固定在井口, 然后下压钻具, 再正向旋转 60, 上提钻具, 打捞工具与井口头即脱开 1 上接头 ;2 J 槽筒 ;3 中间筒 ;4 耐磨环 ; 5 调节筒 ;6 点位环 ;7 连接套 ;8 弹性套 ;9 扶正套 ; 10 牙块 ;11 下接头 ;12 轴承护套 ; 13 卡瓦椎体 ;14 圆锥滚子轴承图 3 内打捞工具结构示意图 2 打捞示意该技术一趟钻完成套管的切割井口头的回收及注水泥作业, 省去了单独打捞和注水泥的工艺, 可靠且方便, 节约了作业时间通过分析发现, 该一体式系统可以提高作业时效性稳定性和安全性 3 设计要点 3.1 内捞式打捞工具设计及分析水下井口的高压井口头悬挂 508 mm 套管, 低压井口头悬挂 762 mm 套管回收时, 通常是将高压井口头低压井口头和套管一起回收由于高压井口头与低压井口头咬合在一体, 本文设计的打捞工具主要是打捞高井口头底部, 即, 高压井口头下部与套管连接缩径处, 如图 2 所示根据相关模拟分析, 钻杆暴露于海水中时, 海底平面上钻柱在受压工况下所受应力及变形大于海平面上钻柱在受拉工况 [5] 下的应力及变形所以, 本文选用上提锁紧的打根据现场作业情况, 切割套管深度 5 m 时, 回收超提力达到 500 ~ 700kN, 包括套管的重力高压和低压井口头的重力水泥环的重力基座的重力等, 泥面与外层套管的拖拽力设计打捞工具时, 选定的抗拉载荷为 1400kN 切割套管时打捞工具需要传递转矩, 选定的抗扭载荷为 145kN m 工具抗扭强度计算打捞工具是水下井口系统切割回收的关键设备之一, 弃井作业切割套管时, 需要旋转钻杆, 将转矩 [6 10] 传递到钻杆打捞工具水力割刀, 然后通过水力割刀切割套管在切割过程中, 打捞工具是传递转矩的关键工具许用转矩计算公式为 : 犜 max=[τ] 犠狆 = σ 狊 π( 犇 4 - 犱 4 ) (1) 16 犇狀 10-6 式中 : 犜 max 为许用转矩,kN m;[τ] 为材料的许用切应力,MPa; 犠狆为危险截面抗扭截面模数,mm 3 ;σ 狊为材料屈服强度,MPa, 为了提高安全性能, 取 σ 狊 = MPa=785 MPa ; 犇为危险截面外径,mm; 犱为危险截面内径,mm; 狀为安全系数, 狀 =1.5 危险截面外径犇为 197 mm; 危险截面内径犱为 135.6mm 根据式 (1) 计算的许用转矩犜 max= kN m 设定的抗扭载荷 145kN m, 故满足设计要求

22 石油矿场机械 2018 年 9 月 3.1.2 打捞工具抗拉强度计算根据弃井作业程序, 切割完成后, 需要将井口头与套管一体回收, 工具的抗拉强度是设计的重要参 [11 13] 数之一该工具选用 4145H 材料抗拉强度计算公式为 : 犉 =σ 狊犃 10-3 (2) 式中 : 犉为工具危险截面抗拉强度,kN;σ 狊材料屈服强度,MPa, 为了提高安全性能, 取 σ 狊 = 930 1.

4 22 石油矿场机械 2018 年 9 月打捞工具抗拉强度计算根据弃井作业程序, 切割完成后, 需要将井口头与套管一体回收, 工具的抗拉强度是设计的重要参 [11 13] 数之一该工具选用 4145H 材料抗拉强度计算公式为 : 犉 =σ 狊犃 10-3 (2) 式中 : 犉为工具危险截面抗拉强度,kN;σ 狊材料屈服强度,MPa, 为了提高安全性能, 取 σ 狊 = MPa= 785 MPa; 犃为工具危险危险截面截面面积,mm 2 危险截面外径犇为 197 mm, 内径犱为 mm 根据式 (2) 计算的抗拉强度犉 = kn, 满足设计要求卡爪设计及力学分析打捞工具卡爪与井口头的配合如图 2 所示打捞工具在下入和上提的过程中, 卡爪受到井口头的挤压, 会产生变形应用有限元分析软件 ANSYS 建立卡爪模型, 利用零部件的相互接触及约束条件, 对卡爪的受力进行分析由于 6 个卡爪均布, 分析过程中只分析 1 个卡爪卡爪采用的是 60Si2Mn 材料, 力学性能如表 1 材料牌号表 1 60 犛犻 2 犕狀材料的力学性能屈服强度 /MPa 泊松比质量密度 /(kg m -3 ) 弹性模量 /GPa 60Si2Mn 卡爪的等效应力如图 4 所示, 卡爪根部的应力最大, 该最大应力为 563MPa, 小于材料的屈服强度 1274 MPa 根据分析结果可知, 卡爪的根部安全, 进一步验证该结构的合理性 3.2 注水泥一体式水力割刀设计及分析深水弃井一体式系统的水力割刀必须具有两种功能, 一是具有与常规割刀一样的切割功能 ; 二是具有注水泥的功能, 保证水泥可以由割刀内部传递到下部钻具注水泥一体式水力割刀结构如图 5 所示切割时, 通过喷嘴产生压力, 推动芯轴下移芯轴与割刀采用齿轮与齿条的传动原理, 芯轴下移时带动割刀刀片张开, 泄压时弹簧力推动芯轴上移, 刀片回收切割完成后, 投入钢球打通注水泥通道, 完 [14 17] 成注水泥作业 1 上接头 ;2 本体 ;3 剪切销钉 ;4 钢球 ; 5 活塞 ;6 喷嘴座 ;7 喷嘴 ;8 芯轴 ; 9 刀体 ;10 弹簧 ;11 下接头图割刀推力计算水力割刀结构注水泥一体式割刀是利用泥浆流过它喷嘴的压降作用在其活塞上而产生推力设活塞面积为犛, 压力降为狆, 割刀产生的推力 : 犉 = 狆犛 (3) 因此, 它产生钻压的大小只与活塞的面积和压力降有关, 活塞面积一定, 可通过调整钻井参数而改变压力降狆, 得到合适的推力选定的切割参数 : 推力犉为 70~90kN; 排量犙为 1.8m 3 /min; 喷嘴犱为 16 mm; 泥浆密度 ρ 为 1.08g/cm 3 ; 活塞外径犇 =160 mm; 活塞内径犱 = 16mm; 活塞面积犛 =19895 mm 2 ; 压力降狆 = ρ 犙 /( 犆犱 e)=3.8 MPa;( 其中犆为流量系数取 0.98, 犱 e 为喷嘴当量直径 ) 根据式 (3) 计算得犉 = 狆犛 =76kN, 所以割刀设计满足要求刀柄齿轮结构强度校核割刀采用的是齿轮结构原理, 活塞达到最大推力时, 齿轮所受的最大压力必须大于活塞的最大推力渐开线齿轮弯曲强度校核公式为 : 图 4 打捞工具卡爪应力云图犉狋 = δ 犉犫犿狀犓犃犓犞犓犉犪犓 β 犢犉犢 ε 犢犫 (4)

5 第 47 卷第 5 期魏爱拴 : 深水弃井作业一体化技术及关键工具研究 23 式中 : 犉狋为分度圆上的圆周力,kN;δ 犉为弯曲强度, δ 犉 =785 MPa( 选用 4145H 材料 ); 犫为齿轮齿宽, 犫 =31.2mm; 犿狀为法面模数, 犕狀 =20; 犓犃为工况系数, 犓犃 =1.75( 由于工况恶劣, 取最大系数 1.75); 犓犞为动载荷系数, 犓犞 =1.2( 加工精度 4 级, 取 1.2); 犓犉犪为端面载荷分布系数, 犓犉犪 =1.02( 直齿轮, 精度等级 8 级,); 犓为齿向载荷分布系数, β 犓 β=1.1( 齿轮对称布置, 且刚性很大取 1.1); 犢犉为端面载荷分布系数, 犢犉 =1.9; 犢 ε 为弯曲强度重合度系数, 犢 ε=0.7( 根据齿的弯矩力臂对齿形系数的应力集中系数的影响, 犢 ε= =0.7); 犢犫为 ε 犪螺旋角系数, 犢犫 =0.9 根据式 (4) 计算得犉狋 =173kN, 割刀芯轴与刀片最大抗压犉 = 犉狋 3=519kN, 大于活塞的最大推力 76kN, 所以刀柄齿轮结构及强度满足设计要求 4 试验井试验深水弃井一体化工具在中海油试验井进行了试验, 对工艺的可行性和工具的可靠性进行了检验试验方案是 : 将深水低压和高压组合的井口头套管固定在试验井口然后模拟现场作业程序进行试验, 将深水弃井一体化工具下入井筒, 下压打捞工具, 然后左旋 1/4 圈, 过提 100kN, 使打捞工具抓紧井口头然后, 进行切割作业, 管柱转速 70r/min, 泥浆泵排量 2.3 m 3 /min, 压力 11.5 MPa,508 mm 套管切割用时 4.5h,762mm 套管切割用是 6.3h, 切割完成后, 打捞工具将井口头与套管上提 1.2m 然后从钻杆内投球, 加压 25.6 MPa 打开注水泥通道, 模拟注水泥作业排量 1.8 m 3 /min, 压力 3.4 MPa 通过试验验证了工艺的可行性和工具的可靠性 5 结论 1) 分析了现有深水弃井作业工具和程序的不足研究了一种深水弃井一体化技术, 并完成了关键工具的设计与校核 2) 经过分析计算和试验井验证, 深水弃井一体化技术的原理正确, 结构可靠, 解决了弃井作业效率低的问题 3) 优化作业程序和配套工具是提质提效的主要手段开展弃井工具和程序的分析研究是今后研究的重点参考文献 : [1] 海洋钻井手册编写组. 海洋钻井手册 [M]. 北京 : 中国海洋石油总公司,1996. [2] 陈瑶, 秦浩智, 谭帅. 深水井口系统切割回收工具设计研究 [J]. 石油机械,2016(7): [3] 阳文学, 姜清兆, 汪顺文, 等. 深水弃井套管切割技术 [J]. 石油钻采工艺,2015,37(1): [4] 张武辇, 贾银鸽, 张静, 等. 无隔水管深水井口系统切割回收工程化应用 [J]. 海洋工程装备与技术,2014,1 (2): [5] 王金峰, 张静, 张廷廷, 等. 基于 Abaqus 的深水钻柱变形分析 [J]. 辽宁化工,2012,41(10): 机械设计手册编委会. 机械设计手册 [M]. 北京 : 机械工业出版社,2004. [7] 张伟国, 韦红术, 畅元江, 等. 深水水下井口完井作业窗口分析 [J]. 石油钻采工艺,2015,37(6): [8] 张春杰, 罗俊丰, 叶吉华, 等. 深水钻井表层套管固井井口稳定性及防下沉实践 [J]. 石油钻采工艺,2015, 37(1): [9] 谢仁军, 刘书杰, 文敏, 等. 深水钻井溢流井控期间水合物生成主控因素 [J]. 石油钻采工艺,2015,37(1): [10] 周俊昌, 刘秀全. 深水钻井隔水管完整性管理研究进展 [J]. 石油钻采工艺,2015,37(1): [11] 冯定, 鄢标, 王鹏, 等. 深水套管切割力学模型 [J]. 力学与实践,2015,37(5): [12] 冯定, 卢汉斌, 夏成宇, 等. 深水弃井作业套管切断的判断方法 [J]. 石油矿场机械,2015,44(5): [13] 冯定, 鄢标, 王鹏, 等. 深水套管切割装置数值模拟与试验研究 [J]. 石油机械,2015,43(10): [14] 刘书杰, 谢玉洪, 杨进, 等. 海洋深水钻井隔水管系统动力特性分析 [J]. 石油钻采工艺,2009,31(3):1 4. [15] 苏堪华, 管志川, 龙芝辉. 海底浅部地层性质对深水钻井井口稳定性的影响 [J]. 石油钻采工艺,2012,34 (3):7 10. [16] 刘彩虹, 杨进, 曹式敬, 等. 海洋深水钻井隔水管力学特性分析 [J]. 石油钻采工艺,2008,34(2): [17] 冯定, 黄锴, 王鹏, 等. 海洋弃井套管切割作业偏心工况分析 [J]. 中国海上油气,2017,29(2):

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321 20182 JournalofSoiland WaterConservation Vol.32No.1 Feb.,2018!"#$%&' 1, 2, 3, 1, 4, 5, 1 (1. 23 4,567089 :;, 100083; 2. 23 ( ),0 5 4,?@ 750021; 4.A-2

20 石油矿场机械 2018 年 9 月 犃犫狊狋狉犪犮狋 :Theexistingdeep waterabandoned weloperationproceduresrequire manydrilsto complete,theoperationcostishigh,anditisdificul

20 石油矿场机械 2018 年 9 月犃犫狊狋狉犪犮狋 :Theexistingdeep waterabandoned weloperationproceduresrequire manydrilsto complete,theoperationcostishigh,anditisdificul