高性能套管鍛銑工具在威陽89井應用

黃 兵，苗 娟，王平安，湯 明

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，四川德陽618300；2.成都理工大學能源學院，四川成都610059；3.西南石油大學工程學院，四川南充637000；4.西南石油大學·油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都610500）

1 概述

受國際石油形勢的影響，國際油價低迷，國內油氣行業的降本增效再次提上了日程[1]。老井挖潛是實現降本的主要途徑之一，具不完全統計，全球每年約10%的老井需要通過特殊工藝手段，在原井筒的基礎上進行鍛銑開窗側鉆，以節約地面和上部井段費用，實現老井挖潛[2]。除此之外，在低油價形式下，許多低產油氣井也需要進行棄井作業，在棄井作業中最主要的工作就是套管鍛銑[3]。預估到2025年，老井棄井作業年成本將高達數十億美金。套管鍛銑分為兩個過程：鍛銑工具刀片通過套管內壁吃入套管，通過鉆具的旋轉來實現套管切割；鍛銑工具刀片完全坐在套管上，進行旋轉鍛銑[4]。傳統工具切割套管和鍛銑速度均較慢，完全切割斷套管通常需要1h以上，套管鍛銑速度通常為0.1～0.3m/h，段銑30m套管需要10d以上，甚至1個月，時間長，作業費用高，嚴重影響老井側鉆和棄井效率[5]。同時套管尺寸越小，套管鋼級越高，套管切割和鍛銑難度更大。

177.8mm以下尺寸套管的鍛銑工具主要掌握在國際大公司手上，如：威德福和斯倫貝謝等?，F階段，國內在鍛銑工具本體材質、切削齒材質及加工工藝上還不成熟[6]。由于缺少理論和室內評價，套管切割和鍛銑參數完全靠經驗。為填補國內在小尺寸套管鍛銑工具方面的缺陷，研發了高性能177.8mm套管鍛銑工具，并進行了現場應用。

2 177.8mm套管高性能鍛銑工具

傳統套管鍛銑工具刀片張開后，與套管內壁接觸通常為面接觸（圖1左），這是導致套管切割效率低的主要原因。為提高套管切割的效率，將鍛銑工具刀片尖端進行銳化處理（圖1中和右），使在套管切割刀片尖端與套管內壁為點接觸，更有利于刀片吃入套管，提高套管切割效率。

圖1 鍛銑工具刀片實物圖

為提高套管鍛銑速度和鍛銑進尺，每個刀片采用非均勻布齒，同時引入內凹圓柱形切削齒（圖1中和右），防止形成細長鐵絲，更有利于斷屑和攜屑，從而實現提高套管鍛銑速度和進尺。

圖2給出了新研發的高性能177.8mm套管鍛銑工具結構示意圖，該工具主要由上接頭、本體和下接頭組成。工具本體外徑140mm，刀片張開后最大外徑210mm，工具總長度1.4m。為保證本體具有足夠的抗扭強度，工具采用三長刀片和三短刀片，刀片之間互成60°夾角。刀板采用高強度的42CrMo，切削齒采用碳化鎢，保證刀板和切削齒都具有足夠的強度，避免在套管切割和鍛銑時刀板變形和切削齒快速磨損，提高套管切割速度、鍛銑進尺和鍛銑速度。

圖2 177.8mm套管段銑工具結構示意圖

3 威陽89井177.8mm套管鍛銑應用

3.1 威陽89井基本情況

威陽89井位于自貢市榮縣雙古鎮水井灣，1988年6月24日開鉆，1988年7月26日完鉆，完鉆層位茅二c，井深1684m，1988年7月28日先期裸眼完井。本井無人值守井，井口裝置為KQ65-35，僅有1、2、3號閥，銹蝕嚴重，表層套管長期連續漏氣，方井內積液且見連續氣泡，本井天然氣中不含硫化氫。為了對威陽89井實施棄井，需對177.8mm套管進行鍛銑作業，以便于順利打水泥塞進行封井。

3.2 177.8mm套管鍛銑施工情況

威陽89井套管鍛銑一共進行了三趟鉆，其中一趟為套管切割+鍛銑，另外兩趟為純鍛銑。

（1）第一趟鉆（切割+鍛銑）。鉆具組合：?140mm鍛銑工具+?120mm鉆鋌10根+?88.9mm鉆桿+方保接頭+下旋塞，鉆井參數：鉆壓1～2t、排量800～1600L/min、轉速100r/min、泵壓5～8MPa，坂土漿基鉆井液，密度1.03g/cm3。5月 15日 12：30開泵定點切割，泵壓12MPa，排量 600L/min，轉速 60r/min，12：40 泵壓從12MPa下降到5MPa，判斷套管被割斷。旋轉工具15min以上，修整切割斷面。為驗證套管被切割斷，停轉盤慢慢下放，遇阻10～20kN，同時觀察到振動篩返出的鐵屑形狀，確定套管已割斷。

（2）第二趟和第三趟鉆（鍛銑）。鉆具組合：?140mm鍛銑工具+?120mm鉆鋌10根+?88.9mm鉆桿+方保接頭+下旋塞，鉆井參數：復合鉆進：鉆壓1～3t、排量1100～1600L/min、轉速 60～70r/min、泵壓 3～7MPa，鉆井液密度1.03g/cm3。

圖3和圖4分別給出了第一趟鉆—第三趟鉆的入井鍛銑工具和鐵削返出情況，由圖可知：鐵削返出正常，最長鐵削一般在4～5cm之間。圖5給出了第一—第三趟鉆出井后的鍛銑工具刀片磨損情況，由圖可知：第一趟和第二趟中，刀片基本上全部磨損，第三趟鉆刀片輕微磨損，三趟鉆中刀片均無明顯變形。

圖3 第一趟—第三趟鉆入井前鍛銑工具實物圖

表1給出了威陽89井177.8mm套管切割和鍛銑結果，由表可知：套管切割時間10min，與常規工具相比，套管切割效率提高400%以上[7]。平均單趟鍛銑進尺10m，單趟鍛銑最大進尺13.3m，平均套管鍛銑速度0.6m/h，單趟最大鍛銑速度0.7m/h。

4 結論

（1）通過刀片尖端切削齒銳化，使刀片與套管為點接觸，提高套管切割效率，套管切割時間控制在10min左右，與常規工具相比，套管切割效率提高400%以上。

（2）采用非均勻布齒+內凹齒，防止形成細長鐵絲，有利于鐵削返排。

（3）威陽89井平均單趟套管鍛銑進尺10m，最大進尺13.3m，平均鍛銑速度0.6m/h，最大速度0.7m/h，表明該工具能夠實現177.8mm套管的快速切割和高效鍛銑。

圖4 第一趟—第三趟鉆返出鉆鐵削情況

圖5 第一趟—第三趟鍛銑工具出井后刀片磨損情況

表1 威陽89井177.8mm套管切割和鍛銑結果