无隔水管深水井口系统切割回收工程化应用

张武辇，贾银鸽，张 静，刘 健，栾 波

[1. 深圳市远东石油钻采工程有限公司，广东 深圳 518068； 2. 中海油研究总院，北京 100027； 3. 中国石油大学(华东)机电工程学院，山东 青岛 266580]

无隔水管深水井口系统切割回收工程化应用

张武辇1，贾银鸽1，张 静1，刘 健2，栾 波3

[1. 深圳市远东石油钻采工程有限公司，广东 深圳 518068； 2. 中海油研究总院，北京 100027； 3. 中国石油大学(华东)机电工程学院，山东 青岛 266580]

深水水下井口系统切割回收作业是深水钻井工程无隔水导管作业之一。介绍了我国自主研制的深水外悬挂水下井口切割回收工具系统各关键设备的研制、试验和改进完善进程。统计了10口井的实际作业简况，与国外技术进行比对，证实所研制的深水机械切割系列和动力切割系列装备都达到工程化应用水平。还进行了刀片受力分析和工程系统水力学设计，说明了作业排量和割刀喷嘴直径合理选配的重要性。

水下井口系统；切割回收；外悬挂器；螺杆马达

0 引 言

我国在20世纪80年代才正式进入海洋石油勘探开发工作，而涉足深水油气勘探则是21世纪初的事了。海上作业的装备和工具大多为进口，长期受国外技术垄断所限制。我国非常重视海洋石油特别是深水作业装备和工具的国产化研制。“深水水下井口切割回收工具系统研制”是“深水钻完井工程技术”项目中的一个子课题，为配合981平台深水作业的需要，要求用三年时间，自主研发一套完全具有自主知识产权的深水外悬挂水下井口切割回收工具系统，达到实现现场作业工程化的水平。经过艰苦努力，我们于2012年8月6日，用自己研发的工具在981平台BY13-2-1井721.8 m水深首次试验中成功完成了深水水下井口头国产化工具切割回收作业；而后经过一年多的改进、完善和提高，完全国产化的深水水下井口切割回收工具，不管是机械式还是螺杆动力式系列，都达到了工程化应用水平，成为极少数能在981平台上使用的全国产化装备之一。本文全面介绍该深水井口系统切割回收工具系统各关键设备的研制、试验及改进过程。

1 水下井口系统切割回收概念

对于海洋石油钻井而言，水深不同，使用的钻井平台不同，水下井口装备也不同[1]。水深超过300 m的井国内一般就称为深水井。深水井的钻井只能用半潜式平台或浮式钻井平台来实施，它的井口装置安装在转盘正下方的海底，除了建立钻井循环，最重要的是为了座挂各种套管，完成井控作业，保证建井安全。如图1所示，它包括：(1) 座在海底支撑井口装置的导向基座；(2) 连接30英寸(1英寸=2.54 cm)或36英寸等尺寸导管并锁紧在导向基座上的低压井口头；(3) 连接20英寸表层套管并座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、防磨套等附件；(5) 通过H-4液压连接器将防喷器(BOP)系统组装在高压井口头上。以上装置的严密组合，就形成了深水钻井水下井口系统。

图1 水下井口系统图Fig.1 Subsea wellhead system

随着我国海洋事业的迅猛发展，渔业、海洋资源勘探开发、国防等各方面对深海海床清洁环境的要求越来越高，越来越严格。按照国家海洋局的要求：800 m水深以内的油气井，或者水深超过800 m，只要国家有要求，在实施永久弃井前，必须清除泥线以上的构筑物，必须对水下井口系统从泥线下4 m左右进行切割，并将其从海底清理回收到平台上。这就是深水水下井口系统的切割回收[2]。该作业是在弃井前，准备拖离平台时，井口头内各层套管被取出并完成起出隔水导管和BOP系统后，高压井口头裸露在海水中进行的，是无隔水导管深水水下作业的一部分。这一作业要求作业人员在钻台上，操控一套适合深水切割回收的工具，对几百米甚至千多米水深的水下井口系统进行远距离切割并回收。由于作业环境恶劣，作业难度大，以往这套工具和切割回收技术都由国外公司垄断。21世纪到来之前，中方通过合作公司参与了水下井口系统的切割回收作业，但仅限于浅水区，且全套核心技术仍控制在国外公司手中。随着我国海洋油气勘探开发开始向深水进军，无隔水导管深水水下井口系统切割回收技术的攻关被列入了国家重大专项科研项目中。深圳市远东石油钻采工程有限公司承担了“深水水下井口切割回收工具系统研制”子课题，而且为了配合981平台深水钻井作业的急需，要求2013年达到工程化应用水平。

2 2009年前水下井口系统切割回收技术状况

2.1 国内情况

2009年国内远东公司是唯一能提供浅水(小于300 m水深)水下井口系统切割回收的专业公司。其切割回收采用的是传统座压式切割，捞矛打捞回收的办法，如图2所示。

图2 压弯钻具座压式切割图Fig.2 Schematic of drill stem pressure cutting

在切割钻柱受压弯曲的环境条件下，靠钻柱一部分质量压住旋转头压在高压井口头上，靠钻柱转动带动割刀实施对井口导管的机械切割。这套作业方式相对落后，存在许多问题：

(1) 在无隔水导管约束环境下，受压弯曲钻柱自转并公转形成弯曲甩动，并可能造成钻柱沿轴向伸缩的纵向振动。当某一激励与钻柱自身的固有频率接近时，会发生钻柱位移场突变的共振现象，其交变应力和振幅的变化容易导致断钻具事故。

(2) 由于旋转头与高压井口头之间没有相对固定关系，因此切割过程中刀具晃动大，不易扶正，不能保证刀片在一个水平面上切割，容易对管体形成椭圆切口，或造成大半边切断留下一小段未切断的问题；而且刀片受力不均，极易卡蹩，割刀工况十分恶劣。

(3) 旋转头位置与20英寸内捞矛位置的长度配置繁琐且不精确，造成捞矛挡环顶着高压井口内台肩进行切割，捞矛极易磨损并碰撞井口头内密封面，造成高压井口头报废损失。

(4) 容易造成捞矛捞不住，或捞矛卡在高压井口头内从而捞住却不易卸脱的问题。

(5) 容易发生井口头割断后的倾倒或导向基座连同导向绳缠绕在一起的问题，造成打捞困难。

(6) 当20英寸割断，而30英寸未断完，需要换刀时，常发生刀片蹩进割缝内被卡死、起钻换刀难的问题。

(7) 切割钻柱受风浪流影响严重，天气条件往往带来许多非生产时间发生。

很显然，这套座压式水下井口系统切割回收技术用于浅水还勉强可行，要用于钻柱长的深水井口切割回收则是绝对不行的。因此，当时水深大于300 m的水下井口切割回收工作只能由国外公司来完成。美国威德福公司对这一技术在中国形成了垄断。

2.2 国外情况

对于深水水下井口系统切割回收技术，国外以威德福公司发明的MOST(Mechanical Outside Trip)外悬挂深水水下井口切割回收工具为代表，形成两套系列：在MOST上部加1400MS旋转头组合的水下机械切割(见图3)；MOST配套螺杆马达的动力切割回收技术(见图4)，在墨西哥湾作业水深达到2 133 m[3]。

图3 机械切割Fig.3 Mechanical cutting

图4 动力切割Fig.4 Dynamic cutting

该套深水水下井口系统切割回收工具的功能优点如下。

(1) 提拉切割：外悬挂工具的卡爪在受控状态下抱紧18-3/4英寸高压井口头，切割钻柱处于受拉状态，避免弯曲甩动问题发生；切割钻柱与水下井口系统连为一体，钻柱下部失去了纵向振动场发生的条件，确保下部水力割刀系统处于最优外侧力支撑，切割平稳，对中性好，切割效率高，并且不会形成椭圆切口问题，更不会发生井口割断倾倒问题。

(2) 钻柱处于提拉状态的动力切割，钻柱不旋转，其割刀由螺杆马达驱动，作业更加平稳、高效、安全，可以在水深更深的井口应用。

(3) 高压井口头内密封面得到很好保护，不会有磨损撞击破坏密封面问题发生。深水高压井口头的重复使用可大大降低设备费用。

(4) 中途换刀方便安全。由于切割钻柱下部有伸缩短节，可有0.5 m活动伸缩距，便于刀片的收拢和防卡，中途换刀快捷方便安全。

(5) 提升回收安全可靠，外悬挂工具就是提捞工具，免去了捞矛打捞作业的复杂和不安全问题发生，而且工具容易从井口系统解脱。

(6) 风、浪、流对该切割工具影响小，提高了对恶劣天气条件的适应性，减少非生产时间。

这项新技术使钻柱受压变为受拉，钻柱卡住水下井口形成一体，动力切割钻柱只拉不转，大大改善了作业条件，加上外悬挂器对多家不同类型的井口头都可连接，使MOST技术成为世界领先技术，堪称水下井口系统切割回收领域的一场革命。我们通过对其学习、吸收并加以创新，研发出一套完全国产化的全新深水水下井口系统切割回收工具，并已有一批工程师很好地掌握了这套技术。

3 国产工具设备研制

3.1 外悬挂器的研制

外悬挂器是抓牢高压井口头使切割钻柱实现受拉状态拉直切割的关键设备，也是组配水下切割工具的关键设备。切割方式不同，配套装备也不同。深水机械切割由外悬挂器配合水下旋转头带动割刀切割；深水动力切割其外悬挂器组配螺杆钻具做动力，带动割刀切割[4-5]。因此，外悬挂器是弃井操作中最关键的一套设备(图5)。

图5 外悬挂器结构Fig.5 Structure of the outside stretch latch rotary (OSLR) tool

利用ANSYS软件对关键卡爪进行了安全性分析。分析时的网络划分及应力云图见图6、图7。

图6 卡爪网格划分图Fig.6 Grid pattern of slip

图7卡爪应力云图Fig.7 Stress pattern of slip

首先，利用Solidworks 2010建立三维参数化模型。

设计卡爪总受力980 kN，单爪受力324 kN，考虑三爪受力不均衡性，受力分析取单爪392 kN。

划分网络形成196 500节点和136 800个单元。

卡爪材料属性为：42CrMo钢，屈服强度[σ]=950 MPa，杨氏模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 g/cm3。

≤[σ]的计算应力分布图校核结果，卡爪危险断面最大应力值为209.6 MPa，即σmax=209.6 MPa<[σ]=950 MPa，安全。

对外悬挂器卡爪实施1 177 kN(设计值980 kN)24 h强拉试验，无任何变形和裂纹问题。

我们研制的外悬挂器在结构和安全性上与MOST相比有许多创新点：径向离合器的设计，可对井口实施拉/压两种方式的切割作业，这一点非常重要；另外，加装了定位锁紧防掉装置，井口系统切割完成后，在系统回收上提过程中发生涌浪冲击时可能因卡爪松脱而造成水下井口系统掉海的严重事故。该装置可防止事故的发生。威德福公司MOST是没有这些功能的。详细比较见表1及图8。

表1 研发工具与威德福工具对比

图8 研制设备相对于MOST的改进设计Fig.8 Improvement of the new design in comparison with MOST

3.2 提拉与下压双程序径向离合器的研制

鉴于作业实践中，经常发生提拉切割时，当20英寸表层套管割断后，磨削并张开刀杆切割30英寸/36英寸导管时，高压井口头与低压井口头连接卡簧滑脱致使高压井口头连同割断的20英寸套管一起被拔出的情况，占了总作业量60%以上。要将水下井口系统全套切割完后整体提捞上来，必须把20英寸套管连同高压井口头插回低压头内，再次锁紧卡簧继续切割外层大导管。此时的切割为防止再拔出就只能在高压井口头加压的状态下实施切割作业。单轴向离合只能提拉作业，无法实施下压切割作业。为此，我们改进设计了径向拉压双程序离合装置(见图8)，很好地解决了这个问题，在981平台深水弃井作业中发挥了很好的作用。

3.3 水下旋转头和动力螺杆配套外悬挂器系统的研制

当实施机械切割时，用顶驱或转盘带动钻柱旋转驱动水力割刀切割，必须在外悬挂器芯轴上与钻柱之间组配水下旋转头，用于传递扭矩和循环液流；而当实施动力切割方式时，必须用螺杆马达替换外悬挂器芯轴。支撑外悬挂器重量施加在螺杆外壳体上，就要有与外悬挂器内腔配合的提放结构设计；并且该位置与下部割刀系统配长要满足割口在泥线下4 m的要求。

3.4 伸缩节的研制

伸缩节(图9)装在外悬挂芯轴或螺杆转子下部与水力割刀之间。它不仅要传递扭矩，循环液流，还要有0.5 m伸缩距，这是卡爪解锁所需行程，并使换刀时刀片容易缩回提起。设计抗扭强度安全系数达到5.06倍，刚度校核最大扭转角θmax=0.975°/m < [θ] = 2°/m。

3.5 活塞喷嘴式水力割刀的研制

活塞喷嘴式水力割刀(图9)既能保证流体通过喷嘴形成对割刀片的冷却并循环出铁屑；又能通过喷嘴形成的压差使活塞受压下行顶压刀杆，使割刀片张开，在旋转力带动下对井口管实施切割作业。当然，机械切割和螺杆动力切割对水力压降要求不同，配置喷嘴直径也不同。随着深水井井身结构的变化，导管已不是单一的30英寸，而是用到36英寸甚至42英寸导管。对割刀刀杆长度的合理匹配设计也是必不可少的，原则是一付刀片可以完成切割20*30英寸或20*36英寸两层管。

其余切割钻柱的引导头、非旋转扶正器、配长短节等当然也是不可少的工具，必须配套完成。当以上设备加工完成后，必须对工具系统进行地面和井下的试验和作业实践，通过实践发现问题，改进、提高、完善后才能逐步迈向工程化应用。

4 螺杆动力切割系统地面试验

试验主要要弄清楚以下问题：

(1) 使用国产钻井螺杆做动力，而钻井螺杆是一种容积式马达，液流在马达两端形成压差推动马达转子旋转，扭矩和转速通过万向轴和传动轴传递给钻头。此时马达是受压的，当钻压加大时，马达压降增加，旋转扭矩也加大。然而，切割钻柱螺杆马达作业工况变化了，是在悬吊状况下工作的。悬吊工况螺杆扭矩与割刀切割扭矩到底是什么关系？悬吊工况螺杆马达能否输出大扭矩？这是关键问题，关系到能否用钻井螺杆马达来改装成动力切割的动力源。

(2) 螺杆悬吊切割时，螺杆轴向窜动量变化情况。

(3) 螺杆起动排量、空转转速、螺杆压降、输出扭矩这些变量间的相互关系。

(4) 检验K7LZ203*7.0螺杆，其输出扭矩11000 N·m，最大扭矩17600 N·m，是否能够满足切割20*30英寸或20*36英寸厚壁管的功率要求。

(5) 割刀喷嘴大小对螺杆马达压降的影响关系。

通过这些现场试验资料，证实钻井螺杆马达悬吊工况可以输出高扭矩。重新选配C7LZ244*7.0高扭矩马达，工作30 h以上，螺杆窜动量变化很小。基于此，可对动力切割系统重新进行全套水力学设计。

5 系统水力学计算

水力学计算原则是：切割系统总压耗ptot应小于泥浆泵相对排量下允许的功率压耗值pp，即

ptot=pgr+pst+psc+pcut≤pp,

(1)

式中：pgr,pst,psc,pcut,pp分别表示地面、钻柱、螺杆、割刀的压耗，单位均为MPa。

计算公式采用《海洋钻井手册》第四章第五节水力参数设计篇，单位采用法定计量单位。

本系统割刀活塞直径20.3 cm，喷嘴直径d对应活塞受力面积S的值如表2所示。

表2 喷嘴直径与活塞受力面积的对应关系

割刀刀片切割20*30英寸套(导)管的受力分析如图10所示。图10中：

F1为割刀活塞加在刀片顶端的力；

F2为对应F1的力偶力；

F3为割刀活塞加在刀片顶端的力；

F4为对应F3的力偶力；

图10 刀片受力分析图Fig.10 Analysis of force on the blade

螺杆本身压降为3.6 MPa，而螺杆保持正常工作要求下部割刀压降应在1.8～7.0 MPa之间，同时综合分析实际切割资料，其刀尖对套(导)管切割时的正压力在8～14 kN时可以正常切割。综合试运算，对排量和割刀喷嘴直径进行优化选配。

(1) 切割20英寸表层套管时选用排量Q=55～58 L/s，d=26～27 mm合适。取Q=55 L/s，d=27 mm,对应的受力面积S=317.93 cm2。

(2) 切割30英寸套管时选用Q=60～65 L/s，d=28 mm为宜。取Q=60 L/s,d=28 mm,对应的受力面积S=317.50 cm2。

接下来对总压耗进行校核。平台上常用F1300泵或F1600泵，配以φ165 mm缸套，其每冲程排量为19.7 L，而抗压分别为22.5 MPa和27.7 MPa，那么如果泵冲为每分钟100～120冲，当容积系数取0.95时单泵排量可以达到29.7～35.5 L/s，作业时开双泵正好在所需排量范围。总压降的计算公式见式(1)。

计算可得，Q=55 L/s时，ptot=12.91 MPa;Q=60 L/s时，ptot=13.26 MPa。在两种情况下，总压降均小于22.5 MPa或27.7 MPa的抗压值。

综上所述，通过计算校核，得到如下结论：

(1) 优选排量和割刀喷嘴匹配组合很重要。选取20*30英寸组合时，C13割刀配合C13-42刀片组合可以一刀完成切割工作。切割20英寸表层套管时，Q=55～58 L/s，喷嘴直径选用26～27 mm；而切割30英寸套管时，Q=60～65 L/s，d=28 mm为宜。

(2) 校核刀具正压力为12 663 N和12 619 N，为正常力范围。从计算可以看出，C13型割刀活塞直径达203 mm，尽管螺杆允许割刀压降1.8～7.0 MPa，但实际操作时，其割刀喷嘴压降应控制在6 MPa以内，否则会造成过大的正压力，从而带来切割时刀具蹩卡的问题。

(3) 总压降为12.91～13.26 MPa，小于泵允许值22.5 MPa。整个作业可以控制泵压小于14 MPa，这是非常安全的作业条件。

6 切割回收技术工程化水平评价

课题研究内容是深水水下井口系统动力切割与回收。结合国外状况，自主配套完成了机械切割和动力切割双系列装备和技术研究。

(1) 深水水下井口机械切割回收工具(MROL Tool)。切割钻柱在外悬挂器上部加3-6柱钻铤，再接加重钻杆，上接一般钻杆，确保拉伸或加压切割都不会压弯切割钻柱，因为中和点肯定在下部钻铤上，避免机械切割时公转的发生，就会使切割平稳得多。外悬挂机械切割在981平台已用到近800 m水深。

(2) 深水水下井口动力切割回收工具(DROL Tool)。动力切割钻柱在外悬挂组合螺杆的上部加上两柱152～203 mm(6～8英寸)的钻铤即可保证即使压住井口头实施动力切割，钻柱也是直的，不旋转钻柱更安全可靠。

通过现场实际作业应用(见图11)，发现问题，改进完善。从2011年起正式开始在深水井对机械切割工具进行实际作业，共试验6次；2013年组配的螺杆马达动力切割工具则进行了4次实际作业试验。试验证实我们自主研制的深水水下井口系统切割回收工具实现了工程化应用水平。详细情况见作业统计，即表3。

图11 现场弃井作业照片Fig.11 Scenes of well abandonment

表3 外悬挂弃井组合工具作业统计

续表3

7 结 论

远东公司自主研发的全国产化深水水下井口切割回收工具是非常成功的。我们走的是一套集成创新的路子，即收集和学习国外先进技术，消化吸收后进行国产化研制创新，确保短时间内实现关键技术的重大突破和系统集成能力的提高，紧密结合中海油现场试验的有利条件，边研制、边试验、边提高完善。这是一条快速实现工具研制工程化的正确有效的技术路线。

我们的工具系统经过了十几口井现场试验和正规作业的考验。不断的改进提高完善，证实工具功能发挥正常，强度设计符合安全要求，系统配套合理，符合国家要求切割深度泥线以下4 m的钻具组合要求，可以达到国外先进工具作业水平。因此，可以说该套深水外悬挂水下井口切割回收工具达到了无隔水导管工况下作业工程化应用水平，完全打破了国外公司在此项技术上的垄断，并且有创新。特别是设计了防涌浪冲脱掉海的安全装置和径向离合器，可在钻柱受拉不弯的情况下实现对井口的拉压双向切割。这些特点是国外工具不具备的。

但在工具系统整体质量和先进性方面，我们的工具与国外公司工具相比是有差距的。我们的外悬挂装置，由于将旋转头组配到外悬挂器内腔，加装了防涌浪安全锁紧装置，又加了防铁屑进入的滤网和拉压双程序离合装置，所以占用了外悬挂器许多内空腔。整体结构是紧凑了，功能也多了，但液流空腔小了，排屑流道既复杂又窄小，相对影响切割作业效率的提高，必须加以改进。

关于动力源，我们没有专门用于悬吊切割作业的螺杆马达。由于要求高扭低转速，目前国内只能利用仍处于试用阶段的空气钻井螺杆马达来改装，其效率、可靠性和使用寿命都比不过国外螺杆。用这样的螺杆做动力，带来总体切割效率比不过国外工具的现实。这也有待我们通过总体制造水平的提高来实现螺杆质量的提高，使得该动力切割深水水下井口系统的作业效率得到提高。

[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] 中国海洋石油总公司. Q/HS 2025—2006，海洋石油弃井规范[S]. 北京： 中国海洋石油总公司， 2006-03-10.

[3] Weatherford. 深海(水深>1 500英尺)弃井作业服务[R]. 2002.

[4] 北京石油机械厂. 螺杆钻具使用手册(V2010-1)[R]. 北京： 2010.

[5] 北京石油机械厂. 螺杆钻维修手册(2009-02)[R]. 北京： 2010.

EngineeringApplicationofCuttingandRetrievingforRiserlessDeepwaterSubseaWellheadSystem

ZHANG Wu-nian1, JIA Yin-ge1, ZHANG Jing1, LIU Jian2, LUAN Bo3

(1.ShenzhenFarEastOilDrillingEngineeringLtd.,Shenzhen，Guangdong518068,China； 2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China； 3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China)

Cutting and retrieving of deepwater subsea wellhead system are an operation with no riser in deepwater drilling engineering. We introduce the researches, test, and improvement process of all the key equipments of our self-developed outside stretch latch rotary (OSLR) tool. According to the operational statistics of 10 wells and by comparison with foreign technology, it is proved that both of the self-developed deepwater mechanical cutting equipments and the dynamic cutting equipments have reached the level of engineering application. The importance of a rational selection of pump rate and the nozzle of the cutter is also discussed by analysis of force on the blade and the hydraulic design of engineering systems.

subsea wellhead system; cutting and retrieving; outside stretch latch rotary tool; screw motor

TE952

A

2095-7297(2014)02-0119-10

2014-05-29

国家科技重大专项(2011ZX05026-001-008)

张武辇(1943-)，男，教授级高级工程师，主要从事钻完井和海洋油气田开发方面的研究。