海上油气井套管拔桩工具能力分析及试验验证*

贾宗文 刘兆年 邓贺 徐鸿飞

(1.中海油研究总院有限责任公司钻采研究院 2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司)

0 引 言

随着海上油气田开发年限的增长，多数平台处于生产中后期，不可避免地面临减产和关停等问题。为弥补产能不足，通常采取增设调整井方式挖掘潜力，受限于平台空间及井槽资源，老井侧钻和井槽重入等[1-2]是实现调整井功能的主要方式。对于老井侧钻，为实现轨迹最优化，降低作业难度，海上作业的常用做法是先对待回收套管进行套铣作业除掉环空水泥[3-5]，再下切割工具及打捞工具进行切割、回收套管，为侧钻作业提供良好的井筒条件。根据作业经验，套铣速率一般为1～5 m/h(复杂情况下甚至低于1 m/h)，效率极低，对于几十米的套铣长度，即便在作业顺利的情况下，也需要数天甚至十几天的工期[6-7]，对于海上动辄上百万元的综合作业日费来说，意味着常规的回收作业需上百万甚至上千万的费用；同时在套铣或切割不完全的情况下，海上平台修井机(多为HXJ180及以下级别)的载荷能力存在不能将套管顺利拔出的问题[8-10]，若动用钻井船作业将带来更高的费用支出(仅动复员费就达(600～700)万元)，导致经济性更差。因此，亟需开发一种兼顾效率和费用的工具，解决海上常规套铣回收作业耗时长、费用高、经济性差的问题，同时解决平台修井机具拔桩载荷限制。

针对上述常规套铣回收套管作业的问题，研制了一种基于液压原理的轻便型套管拔桩工具。该工具由多级液压缸、锚定结构和活塞拉杆等组成，通过多级液压缸串联组成液压增力器，由地面泵组加压产生回收胶结套管所需的高强拔桩力。基于理论研究，计算了3个液压缸串联方式驱动、额定工作压力下工具可产生的理论拔桩力；同时考虑套管胶结条件，建立了可拔出套管长度与拔桩力、水泥胶结强度、待拔桩套管外径及套管自重等的关系模型，对于现场常用的ø244.5 mm生产套管，计算了工具额定工作压力下的可拔出套管理论长度。在室内条件下开展了针对ø244.5 mm套管拔桩的全尺寸模拟试验，并将试验结果与理论模型计算结果进行了符合性检验。理论分析并结合全尺寸模拟试验，验证了液压拔桩工具的可行性，所得结果可为拔桩工具的现场应用提供理论及试验依据。

1 技术分析

1.1 工具结构

液压拔桩工具由多级液压缸、平衡开关、行程开关、锚定结构和活塞拉杆等构成，其结构如图1所示。液压拔桩工具锚定在外层套管内壁(拔内层套管)或钻台上(拔隔水导管或多层套管)，下部接高强度打捞锚，通过平台泵组向液压缸组加压，实现为工具提供向上的拔桩力。液压拔桩工具外径308.0 mm，可锚定在ø339.7 mm套管内部，下部连接高强度套管捞矛，可回收井筒内被水泥胶结的ø244.5或ø177.8 mm套管，或用于钻、修井作业解卡。

1—平衡开关；2—行程开关；3—一级液压缸；4—二级液压缸；5—三级液压缸；6—卡瓦锚定机构；7—活塞拉杆。图1 液压拔桩工具结构示意图Fig.1 Main components of hydraulic casing pulling tool

1.2 工作原理

工具的作业工艺流程如图2所示。

图2 液压拔桩工具套管回收作业工艺流程Fig.2 Process of casing recovery with hydraulic casing pulling tool

锚定套管：地面泵组加压，高压液流通过锚定机构水眼进入液压空腔再向上挤压锚定机构活塞，推动活塞及卡瓦向上移动；卡瓦沿着壳体斜面运动，外径变大、扩张，完成液压拔桩工具及下部高强度打捞矛与套管的锚定。

加压拔桩：地面泵组加压进入液压缸，为活塞拉杆提供拔桩拉力，同时将拔桩力传递给高强度打捞矛，高强度打捞矛通过卡瓦咬合套管，带动套管克服待拔出套管自身重力及与水泥环的胶结强度，实现将胶结套管从井筒中拔出；拔桩产生的反向作用力由锚定的外层套管承担。

解脱套管：地面泵组泄压，锚定机构活塞压力释放，在复位弹簧的拉伸下活塞带动卡瓦返回至原定位置，实现解脱。

2 工具拔桩能力理论计算

拔桩工具的液压增力器采用三级液压缸串联，可产生的总拉力如下：

F=f1+f2+f3-f0

(1)

f=(S-S′)p

(2)

式中：F为液压拔桩工具总拉力，kN；f1、f2和f3分别为一级、二级和三级液压缸产生的拉力，kN；f0为液压锚定机构活塞产生的反作用力，kN；S为活塞横截面积，m2；S′为拉杆横截面积，m2；p为钻台泵组提供的液压力，液压缸组的额定工作压力为20 MPa；f为拔桩力，kN。

由式(2)可知，在工具尺寸及液压缸组数量不变的情况下，液压拔桩工具产生的拔桩力与钻台泵组向液压缸组提供的液压力呈线性关系，如图3所示。每1 MPa的液压力能产生约151.3 kN的拔桩力，当给予液压缸20 MPa的额定压力时，工具可产生约3 025.5 kN的拔桩力。

图3 工具拔桩力与钻台泵组提供的液压力的关系Fig.3 Relationship between pull-out force and hydraulic pressure provided by pump set on drill floor

基于套管与水泥环胶结强度理论，以胶结面失效时的压力为最大拔桩阻力[11-13]，建立了水泥完全胶结条件下，可拔出套管长度与拔桩力、水泥胶结强度、待拔桩套管外径及套管自重的关系模型，即有：

(3)

式中：l为待拔出套管长度，mm；d为套管外径或水泥环内径，mm；σs为套管与水泥环的界面胶结强度，MPa；w为套管线质量，kg/m；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

根据胶结强度理论，在固井质量优质的条件下，套管与水泥环的最大胶结强度约为1.42 MPa[14-15]。以钢级N80、线质量70.01 kg/m的ø244.5 mm套管为例，根据上述公式，在液压缸额定工作压力条件下，单次理论可拔出的套管长度约为2.772 m；在固井质量一般或较差的情况下，单次可拔出几米到十几米长度的套管。

3 拔桩验证模拟试验

3.1 试验过程

在室内条件下建立了全尺寸的套管拔桩模拟试验平台。考虑安全性、场地空间及试验便利性等因素，本次建立的试验平台为横向拔桩试验平台，未体现待拔桩套管自重影响，可在横向试验拔桩力结果的基础上附加套管自重来体现。拔桩模拟试验平台主要由锚定用液压缸、手动试压泵、压力表、液压泵、液压罐、液压拔桩工具及待拔桩套管等组成。手动液压泵为锚定用液压缸提供液压力，锚定用液压缸为工具提供锚定机构胀开卡瓦咬合套管的扩张力，压力表1监测锚定用液压缸的液压力，液压泵为深部拔桩工具的串联液压缸提供液压驱动力，压力表2监测工具内部液压缸的液压力。试验平台如图4所示。

1—锚定用液压缸；2—压力表1；3—锚定卡瓦；4—ø339.7 mm套管；5—水泥环；6—ø244.5 mm套管；7—高强度打捞矛；8—液压拔桩工具；9—液压罐；10—电动液压泵；11—压力表2；12—手动试压泵。图4 液压拔桩工具模拟试验平台Fig.4 Simulation experiment platform for hydraulic casing pulling tool

采用现场常用的ø339.7和ø244.5 mm套管开展全尺寸模拟试验，将ø244.5与ø339.7 mm套管利用固井水泥环固结，模拟套管在地层中的状态，使用液压拔桩工具将ø244.5 mm套管从ø339.7 mm套管中拔出；为保证试验成功率，封固长度设计为2.000 m(不超过理论计算的2.772 m)；将液压拔桩工具锚定在ø339.7 mm套管内部，下部连接锚定于ø244.5 mm套管的高强度打捞矛以模拟拔桩作业。通过模拟试验，验证了液压拔桩工具拔桩能力及拔桩的可行性，同时检验了拔桩工具是否会对外层套管造成破坏。

根据理论分析，液压拔桩工具的拔桩力与液压力(试验泵压)呈线性关系，可通过泵压来计算液压拔桩工具实时产生的拔桩力。试验过程中泵压不超过拔桩工具液压缸的额定工作压力20 MPa。

试验时，电动液压泵按照逐级加压的方式缓慢加压，每加压5 MPa稳压5 min，这期间时刻观察压力表2是否出现压力降低或ø244.5 mm套管是否出现滑动。若在加压或稳压过程中压力表2出现压力降低或观察到ø244.5 mm套管出现滑动迹象，则表示套管与水泥的胶结面发生破坏，ø244.5 mm套管与固井水泥环发生脱离。套管拔出后，泄压拆除工具，观察ø339.7 mm套管内壁锚定位置是否有明显破损，同时观察锚定机构及卡瓦是否发生滑移。

试验步骤如下：

(1)在ø339.7 mm套管中套入ø244.5 mm套管，在环空注入长度2 m的固井水泥浆，候凝不少于48 h，候凝完成后测量验证水泥胶结的长度，若不足2 m则补水泥直至满足2 m封固长度要求；

(2)将完成候凝的套管安置在模拟试验平台；

(3)连接可退式套管捞矛及液压拔桩工具，将可退式捞矛下入至ø244.5 mm套管内，液压拔桩工具下入至ø339.7 mm套管内；

(4)液压拔桩工具上接头与锚定用液压缸、压力泵和压力表等设备连接；

(5)连接好所有试验设备及工具(本次试验拉拔力与锚定卡瓦坐封力为两个相互的作用力与反作用力，互相制约，套管不会移动，无需特殊固定)，连接加压管线；

(6)向可退式捞矛工具加压胀开卡瓦，完成捞矛与ø244.5 mm套管的锚定；

(7)手动试压泵加压使拔桩工具卡瓦产生锚定扩张力，克服锚定机构卡瓦锚定套管初始力，使卡瓦胀开咬紧ø339.7 mm套管内壁；

(8)电动液压泵向液压拔桩工具的串联液压缸加压，逐级加压，观察泵压，泵压分别在5、10、15和20 MPa下稳压5 min；若在加压期间出现泵压下降，则停止加压，同时检查井筒及工具状态；

(9)拆除工具，观察套管内壁锚定位置的破损情况。

3.2 试验结果

试验平台及工具连接完成后，按照设计方案开始加压，当泵压达到13 MPa时，观察到压力表2的泵压波动，停止继续加压，稳压观察，压力表2出现压力降低，同时听到套管滑动发出的摩擦声，并观察到ø244.5 mm套管与水泥之间胶结面已被破坏，ø244.5 mm套管出现错动位移；缓慢降低泵压，同时可听到井筒出现持续的摩擦声。维持泵压5 MPa稳压8 min，观察到ø244.5 mm套管出现明显位移，最终ø244.5 mm套管被完全拔出，如图5所示。拆除工具后检查ø339.7 mm套管工具锚定位置处的内壁，仅有较浅的卡瓦齿咬合痕迹，无明显破损痕迹及卡瓦齿滑动痕迹(见图6)，说明工具与套管锚定咬合良好，不影响套管后续作业使用。模拟试验结果如表1所示。试验过程中的泵压及拔桩力随时间的变化关系如图7所示。

图5 ø244.5 mm套管被拔出井筒Fig.5 ø244.5 mm casing being pulled out of wellbore

图6 液压拔桩工具在ø339.7 mm套管内壁卡瓦咬合痕迹Fig.6 Slip bite marks of hydraulic casing pulling tool on the inner wall of ø339.7 mm casing

图7 试验过程中泵压及拔桩力随时间的变化关系Fig.7 Variations of pump pressure and pull-out force with time during experiment

表1 液压拔桩工具拔桩模拟试验结果Table 1 Simulation experiment results of hydraulic casing pulling tool

试验结果表明：水泥胶结面被破坏时泵压出现明显下降，可作为作业时的判断依据；水泥与套管之间的胶结力破坏后拔桩阻力显著降低，所需的液压力及拔桩力也显著降低。基于建立的可拔出套管长度理论模型，拔出2 m长度水泥胶结的ø244.5 mm套管，需要的理论拔桩力为2 182.61 kN。根据全尺寸模拟试验，拔出同尺寸、同长度胶结套管需要的拔桩力为2 027.09 kN，与理论计算结果误差约7.13 %，符合性良好。若试验中考虑2 m长度套管自重产生的重力(约1.372 kN)，总的拔桩力约为2 028.46 kN，与理论计算结果误差降为7.06 %，差异很小，说明在拔桩过程中套管自重的影响很小；液压拔桩工具与套管锚定咬合良好，拔桩试验过程中未出现滑移，卡瓦齿对套管损伤较小；水泥与套管完全胶结条件下，仅30 min就完成了2 m套管的拔桩工作，效率大幅提升。

4 结 论

(1)研制了一种3个液压缸串联驱动的套管拔桩工具，工具拔桩力与液压力呈线性关系，在液压缸额定工作压力20 MPa下，工具可产生3 025.5 kN的拔桩力。

(2)在套管与水泥完全胶结条件下，建立了可拔出套管长度与拔桩力、水泥胶结强度、待拔桩套管外径及套管自重等的关系模型；对于常用的ø244.5 mm套管，在液压缸额定工作压力20 MPa下，可拔出长度为2.772 m。

(3)开展了全尺寸套管拔桩模拟试验，对于拔出同尺寸、同长度的水泥胶结套管，理论计算结果与模拟试验结果误差仅为7.13 %，符合性良好。

(4)理论分析与全尺寸拔桩试验结合，验证了液压拔桩工具的可靠性及可行性。所得结果可为工具的现场应用提供理论及试验依据。