0 引 言
根据国际惯例和我国的规定，海洋石油钻井完成后，未经政府相关部门批准，不得在泥线以上留任何海底构筑物。因此，除了个别有发现的探井作为生产井用外，其余探井都必须把水下井口头系统从泥线以下4 m左右切割回收到地面，以清除泥线上的残留物，这需要有专门的水下井口头系统切割回收工具。受水下工况的影响，用传统的机械切割技术回收海底井口头存在诸多挑战。与此同时，机械切割技术的作业效率低，施工成本高。
电弧等离子切割技术可打破传统机械切割技术的局限性，简化弃井或井槽重利用作业程序，无需拆除采油树，使用连续管作业机1趟钻即可完成多层套管切割作业，降低施工风险，缩短时间，节约成本。因此，开展电弧等离子切割技术研究具有重要意义。
1 电弧等离子切割技术为了解决传统机械切割技术存在的难题[1, 2, 3, 4, 5]，GA Drilling高科技公司对电弧等离子切割技术进行了研究，利用新一代等离子发生器研发了电弧等离子切割工具，该工具可切割钢、水泥和岩石等材料[4, 5, 6]。
1.1 技术优势电弧等离子切割技术是一种新型切割技术，与传统富氧火焰或氩、氢、氧等离子切割技术相比，优势如下[4]：
(1)电弧热力学温度高达1×104 K，直接作用于物料表面，传热效率高，特别适合放射状部件。
(2)电弧长，射流截面积大，射流相对均匀，有助于高效切削。
(3)旋转螺旋电弧，内置离心泵功能，有助于清除切屑。
(4)可使用电动液压产生冲击波和压力波，有利于材料的切削和切屑的运移。
(5)应用高强度短路电流脉冲产生压力波，在脉冲积累过程中，充放电在极短的时间内改变，可增大瞬时脉冲切削效应，功率脉冲为MW级。
电弧等离子切割技术与传统机械切割或磨料水射流切割技术相比，优势如下[4, 5, 6]：
(1)多层套管切割起下钻次数减少。
(2)轻型作业船实现了100%无钻机作业，作业灵活，可满足即时需要。
(3)工具采用连续管输送方式，连续管为全自动控制，提高了作业人员安全性，降低了HSE风险。
(4)金属切屑小，可避免机械卡钻，无需高黏度高成本循环液。
(5)金属切削处理简单，循环液管理问题少。
(6)作业程序简化，时间短。
1.2 技术特征电弧等离子切割过程融合了等离子化学和热化学过程，在水蒸气环境中可实现金属的氧化、熔化和蒸发，从而达到快速切割的目的。当热力学温度高达3 500 K时，钢在熔化和蒸发过程中都极易被氧化。多参数下钢切削速率研究表明，为提高必要的热化学和热物理过程所需的恒定速率，温度和热传递是极为关键的因素。热化学和热物理过程的比例关系导致钢切削效率随温度变化而变化，具有如下基本特征[4]。
(1)氧化是一个放热过程，可为钢切削的各个子过程提供附加能量。
(2)钢的氧化和蒸发速率随等离子体温度、通过等离子和钢交界面的功率密度和等离子焓的增大而增大。
(3)从能量的角度来看，在水蒸气和空气/蒸汽混合物中钢的氧化和蒸发速率最大。
(4)在3 330~3 660 K热力学温度范围内，氧化过程释放的焓提高了3倍，意味着提供给钢切削过程的能量达3倍以上，无需提高等离子发生器的外部功率。在如此高的温度下，所有的产物都以气体形式存在，因此对于所有类型的合金钢，该热力学温度范围应该有效。
(5)当表面热力学温度超过3 660 K时，钢全部熔化和蒸发，冲击钢表面的等离子粒子以活性原子的形式存在，可导致金属的刻蚀效应。但在熔化和蒸发过程中，钢极易被氧化。
2 样机测试M.Gajdos等[5, 6]对电弧等离子切割工具样机在研发中心进行了大量的切割测试，切割对象为单一套管或多层套管柱，在纯水环境下研究分析了机械钻速和钢材型号的影响，并分别在纯水和盐水环境下研究分析了切削颗粒的尺寸。
图1为多层套管柱切割示意图，多层套管柱为管-水泥-管-水泥-管结构。
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| 图1 多层套管柱切割示意图 Fig.1 Schematic diagram for multi-layer casing string cutting |
图1a为工具正进入多层套管柱，图1b为切割后的多层套管柱样品顶部，图1c为切割后内套管和水泥完全被消除后的情况。研究人员证实，ø88.9 mm(3.5 in)工具可切割ø114.3 mm(4.5 in)、ø139.7 mm(5.5 in)和ø177.8 mm(7 in)套管。
2.1 机械钻速不同边界条件下的大量测试证实，在特定物理环境下，切割效率与切削单位质量钢所需的能量ε密切相关。能量ε等于氧化过程释放的能量与供给等离子发生器的实际电能之和。ε取决于钢氧化程度/类型和水动力环境，可通过下式计算：
切削速率可通过下式计算：
在低压纯水环境实际套管条件下，ε=3~4 MJ/kg。当UI=250 kW时，η=70%，ε=MJ/kg，v=210 kg/h。对于ø244.5 mm(9 5/8 in)套管，210 kg/h意味着机械钻速为2.0~4.5 m/h(与壁厚有关)，可与现在的切割技术相媲美。但使用电弧等离子切割工具可一次性完成多层套管柱的切割，减少起下钻次数，提高作业效率。
2.2 钢材类型碳钢S355切屑的主要成分为氧化亚铁，证实了切屑中氧化层与扩散的金属层之间的异质性，从而导致金属/氧化多层热膨胀系数存在差异。因此，在水动力环境中，金属/氧化多层极易被破坏。而对于20%Cr和12%Ni的合金钢来说，由于微观结构的化学不均匀性级别更高，金属/氧化物多层热膨胀系数的差异更为明显。图2为碳钢S355切屑微观结构扫描电镜图像和切屑成分能量色散X射线光谱分析结果。
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| 图2 碳钢S355切屑微观结构扫描电镜图像和切屑成分能量色散X射线光谱分析结果 Fig.2 Scanning electron microscope image of microstructure for carbon steel S355 chip and energy-dispersive X-ray spectrometry analysis results of chip composition |
分析结果表明，电弧等离子切割工具可顺利切割碳钢和合金钢。
2.3 切屑尺寸切屑尺寸的大小关系到是否会对防喷器组造成伤害。测试后在套管底部收集了纯水环境中的切屑样品，见图3。扫描电镜和能量色散X射线光谱分析结果表明，切屑颗粒基本已被氧化，但在纯水和盐水环境中切屑颗粒的材料特性存在差异；纯水和盐水环境中存在不同粒度、不同含量的球形颗粒，图4为盐水环境下切屑的扫描电镜图像。
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| 图3 纯水环境中收集的切屑样品 Fig.3 Chip sample connected in pure water environment |
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| 图4 盐水环境下切屑的扫描电镜图像 Fig.4 Scanning electron microscope image of chip in salt water environment |
为了确定切屑颗粒的粒度，利用筛析法对粒度分布进行了评价。评价结果表明，纯水和盐水环境中的切屑颗粒直径基本都在0.5~5.0 mm之间，盐水环境中只有个别切屑颗粒直径大于5 mm。纯水和盐水环境中切屑的粒度分布见图5。由图可以看出，纯水和盐水环境中切屑的粒度分布存在差别。在纯水环境中，粒度大于1 mm颗粒的质量分数为90%，而在盐水环境中，粒度大于1 mm颗粒的质量分数仅为71%，粒度小于630 μm颗粒的质量分数几乎是纯水环境中的3倍。可见切屑颗粒的尺寸足够小，不会损伤井控设备。
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| 图5 纯水和盐水环境中切屑的粒度分布 Fig.5 Particle size distribution of chips in the pure water and salt water environment |
为了验证电弧等离子切割技术的优势，以北海油田一口井为例，对比了传统机械切割工具和电弧等离子切割工具的弃井过程[5]。
应用传统机械切割工具的弃井过程如下：
(1)钻机就位；
(2)拆除采油树，安装防喷器；
(3)起出完井管柱；
(4)刮管，进行固井声波测井；
(5)油气层位置注水泥塞；
(6)杂色砂岩位置注水泥塞；
(7)注环境水泥帽；
(8)从泥线以下3 m切割并回收套管和套管头。
而应用电弧等离子切割工具可简化作业程序，无需拆除采油树和起出油管，穿过油管即可下至预定切割深度，1趟钻完成油管和套管的切除。图6为该工具切除油管和套管过程示意图。
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| 图6 电弧等离子切割工具切割油管和套管过程示意图 Fig.6 Schematic diagram for cutting tubing and casing by arc plasma cutting tool |
图6a为工具穿过油管下至应注水泥塞的目标油气层位置底部；图6b为点燃电弧产生等离子射流，工具向上移动切除油管；图6c为油管切除完成后，向下移动工具至初始位置，开始切除套管和水泥层；图6d为套管和水泥层切除完成后，上提工具；图6e为起出工具，准备打水泥塞。
应用电弧等离子切割工具的弃井过程如下：
(1)连续管作业机就位，在目标油气层应注水泥塞位置之下注水泥塞，用以堆积切屑；
(2)下入工具至应注水泥塞的目标油气层位置底部，向上切除油管、套管和水泥层30 m，起出工具；
(3)在目标油气层位置注水泥塞；
(4)在应注水泥塞的杂色砂岩位置之下注水泥塞；
(5)下入工具至应注水泥塞的杂色砂岩位置底部，向上切除油管、套管和水泥层30 m，起出工具；
(6)在杂色砂岩位置注水泥塞；
(7)注环境水泥帽；
(8)从泥线以下3 m切割并回收套管和套管头。
传统切割工具和电弧等离子切割工具的弃井过程对比如图7所示。从图可以看出，除了作业程序简化以外，连续管作业机的应用还可缩短钻机动复员时间，总施工时间缩短近50%，因此电弧等离子切割工具提高了作业效率，节约了施工成本。
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| 图7 传统切割工具和电弧等离子切割工具弃井过程对比 Fig.7 Comparison of well abandoning process by conventional cutting tool and arc plasma cutting tool |
(1)电弧等离子切割技术可打破传统机械切割技术的局限性，简化弃井或井槽重利用作业程序，无需拆除采油树，使用连续管作业机1趟钻即可完成多层套管切割作业，降低了施工风险，缩短了施工时间，节约了成本。
(2)电弧等离子切割技术是一项新型无接触热切割技术，除了用于永久弃井和井槽重利用作业以外，其切屑较小的优势对于多分支井侧钻、切割打捞、损坏套管修复/更换和磨铣落物等干预作业极为有利。
(3)建议加大电弧等离子切割技术的研发力度，以提升我国深水套管切割技术水平，为海洋石油工业的发展提供有力的技术保障。
| [1] | 田晓洁,刘永红,林荣桔,等.深海套管切割工具的研究和发展现状[J].石油机械,2011,39(11):67-71. |
| [2] | 陈惟国,王和琴,赵炜.国外井下打捞工具的现状及发展趋势 (一) [J].石油机械,2000,28(7):61-64. |
| [3] | Fanguy D J.Coiled-tubing-conveyed hydromechanical pipe cutting:A safe,effective alternative to chemical and explosive severing methods[C].SPE/ICoTA Coiled Tubing Roundtable 2001.USA:[s.n.],2001. |
| [4] | Kocis I,Kristofic T,Gajdos M.Utilization of electrical plasma for hard rock drilling and casing milling[R].SPE 173016,2015. |
| [5] | Gajdos M,Kristofic T,Jankovic S.Use of plasma-based tool for plug and abandonment[R].SPE 175431, 2015. |
| [6] | Gajdos M,Kocis I,Mostenicky I.Non-contact approach in milling operations for well intervention operations[R].SPE 177484,2015. |