0 引言

随着深水油气田勘探开发步伐的加快，深水钻井尤其是探井数量快速增加；同时需要对一些不具备开采价值的深水探井实施封井，以永久消除其对环境的潜在威胁。按照国家海洋局的要求，水深800 m以内的井，在永久弃井时必须把水下井口头系统从泥线以下约4 m切割回收，这是永久弃井作业的关键一环。现阶段有多种弃井切割套管技术, 主要包括聚能切割、化学切割、金刚石切割绳技术、磨料水射流技术和机械切割。针对海上作业费用高、工期紧及风险大等问题，机械水力割刀切割套管技术以其经济、快速、安全及稳定的优点被普遍采用；同时可以根据套管的尺寸和固井情况，选择合适的水力割刀和刀片尺寸，通过优化作业程序，达到1趟切割单层、双层甚至多层套管的目的，大大缩短工期，达到降本增效的目的。笔者详细介绍了外悬挂深水水下井口系统切割回收工艺技术及现场应用情况，旨在推进我国深水套管切割技术的进一步发展。

1 前期深水井口头系统切割回收工具的选择及作业风险

由于深水水下井口头具有尺寸大及强度高的特点，且随水深增加, 使得井口头系统切割回收过程中管柱受力复杂。中国海洋石油总公司作为作业者进入深水领域，进行深水油气田勘探开发作业起步较晚, 在水下井口头系统切割回收作业方面缺乏经验，现场作业时遇到了很大的技术挑战。前期国内深水水下井口头系统切割回收采用坐压旋转的方式，主要靠钻具转动传递切割扭矩进行切割作业，而随着水深增加，该切割回收方式已不能满足深水作业需要，同时也存在较大的安全风险。图 1为坐压旋转式切割回收井口头系统示意图。

采用坐压旋转的方式切割回收水下井口头系统时, 钻柱受压弯曲，钻柱一部分重力通过旋转头作用在高压井口头上，然后通过钻柱旋转带动割刀对井口套管进行机械切割^[1]。现场应用中发现，该井口头切割回收工艺技术存在以下问题：

(1) 在无阻挡的海水中，受压弯曲钻柱自转并公转形成弯曲状，且可能造成钻柱沿轴向伸缩的纵向振动，当振动达到一定程度后，容易导致钻具疲劳失效，进而断裂；

(2) 由于旋转头与高压井口头之间没有相对固定关系，切割过程中刀具晃动大，不易扶正，进而导致不能保证在一个平面切割，而且受力不均，极易卡憋, 割刀工况恶劣，切割效率低下；

(3) 该方式切割作业时，钻柱受风浪流影响严重，且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，造成井口头系统回收困难；

(4) 该方式很难及时判断套管是否切断，同时当切割过程中需要更换刀片时，易发生刀片被卡死在割缝内，造成起钻换刀难的问题^[2]。

基于以上问题，为了保证钻柱的安全性及作业安全性，此套工具及工艺技术只能在浅水海域应用，在中国海洋石油总公司进军深水后，急需研制能完成深水井口切割回收的相应工具。另外，坐压式切割回收工艺技术在作业安全性和时效方面，也给现场带来了很大困扰，为了解决上述问题，威德福公司提出了提拉式切割回收工艺技术，该技术通过在南中国海域试用后，发现无论在安全性还是切割效率方面都优于坐压式，而且从根本上解决了坐压式工艺技术存在的问题，应用效果非常好，已经成为南中国海水下井口永久弃置的关键工艺技术之一^[3]。

2 工艺技术介绍

对于深水水下井口系统切割回收技术，国外以威德福公司设计的MOST (Mechanical Outside Trip)外悬挂深水水下井口切割回收工具为代表，形成2套系列：在MOST上部加1400MS旋转头组合的水下机械切割，以及MOST配套螺杆马达的动力切割回收技术。国内只有远东公司自主研发成功，2家公司的工具在南中国海都成功进行了现场作业，提高了井口头切割的安全性和时效性。下面以MOST配套螺杆马达的动力切割回收工具为例，介绍外悬挂深水水下井口头系统切割回收工具及其优点。

图 2为MOST配套螺杆马达的动力切割回收工具结构图。

2.1 工具介绍

威德福公司的机械外部锁定式MOST工具是一种通用型井口头系统切割回收工具，可以用于Vetcogray^TM MS-700^TM和SMS-700、Cameron、National SB及Dril-Quip^® DX型井口头的切割回收。MOST工具也可以用作提升或上提设备，对静止的对象施加上提载荷不能超过2 000 kN，当处于平稳提升状态时，最大载荷不能超过1 000 kN。同时，可以尽量减轻对井口头造成的破坏。与其他内部锁定式操作系统相比，MOST工具采用了机械驱动臂，它锁定在井口头外部，不需要锁定在内部密封区附近，该设计最大限度地减轻了对回收井口头的破坏，可以在裸井中更快地切割，而且切割管柱时不产生抖动。MOST工具由于具有优异的侧向支撑，同时连接在井口头上方，所以消除了大部分的侧向冲荡，使得切割过程更快、更平稳。

MOST拉伸切割型工具由上至下依次为特制螺杆马达、外悬挂器、伸缩短节、扶正器、水力割刀及引鞋。其中螺杆为特制低转速高扭矩螺杆，马达外壳与外悬挂器连接，保证具有较大的上提拉力；在切割过程中，外悬挂器主要用来锁紧井口头，在水下作业时，可以通过过提一定的重力或者通过ROV等可视设备可目视确认，通过外悬挂器可实现提拉切割作业，提高切割效率；悬挂器下面为伸缩节，可在刀片卡入缝隙时，使刀片安全退出缝隙；伸缩节下面为一非旋转的扶正器，这个扶正器与引鞋上扶正器配合，保证切割钻具居中，扶正器之间为水力割刀，可根据井下套管尺寸选择割刀尺寸，切割1层或多层套管。

2.2 工具优点

(1) 外悬挂切割回收工具采用马达外壳与外悬挂器连接，钻柱无需自转；同时减少了钻柱在海水中的公转，使得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，更不会发生井口头割断倾倒的问题。

(2) 该工具保持切割作业在井口头处于受拉状态，避免弯曲甩动问题发生，降低钻机疲劳断裂等风险，又可以实现高低压井口头在割断后第一时间受拉上行，不需要起钻便能确认套管是否割断，大大提高作业时效，同时降低钻柱事故风险。

(3) 针对切割过程中可能出现的卡刀现象，设计制作了伸缩节，安装在割刀之上，如果割刀在即将割断套管时出现割刀卡入刀缝的情况，伸缩节上的伸缩空间足以使刀片弹出缝隙，避免卡刀现象发生。

(4) 该工具可以通过ROV等可视设备进行锁定和解锁确认，确保安全可靠地进行高低压井口头的切割回收；同时，可有效防止井口发生旋转和倾斜，且采用内部切割，最大程度减少对井口内部的损坏^[4]。

3 现场应用情况 3.1 基本情况简介

以南海某口井为例，介绍外悬挂深水井口头切割回收工具的现场应用情况。该井设计井深3 230 m，完钻井深3 230 m，作业水深752.25 m，补心海拔29.3 m，采用三开三层套管井身结构设计，即ø914.4 mm导管+ø660.4 mm井眼/ø508.0 mm套管+ø444.5 mm井眼/套管+ø339.7 mm井眼。ø914.4 mm导管钢级X65，下入深度882.0 m，ø508.0 mm导管钢级X56，下入深度1 451 m。采用威德福外悬挂井口头系统切割回收工具进行永久弃井作业。

3.2 现场切割作业 3.2.1 割刀和刀片尺寸选择

使用提拉式切割回收工具时，对于刀片型号的选择首先要保证刀片完全张开时，能满足隔开套管的要求，但是从现场作业经验来看，对于多层套管切割，一般都存在套管偏心情况；同时，水力割刀在割开偏心边套管后，割刀也会偏向内层表层套管。因此，刀片的最小尺寸要满足套管极限偏心和割刀极限偏心时，能切割套管所需的尺寸^[5]。

在满足切割要求的情况下，现场一般选用较短的刀片，主要有以下原因：

(1) 短刀片在切割时比长刀片张开的角度要大，张开角度越大，越容易使用刀片的刀尖部切割，刀尖切割效率最高，节省切割作业时间；

(2) 随着刀片长度的增加，开刀角度势必变小，开窗高度势必增加，会使切割时间大幅增加，有可能导致刀片在长时间的切割作业中出现损坏，从而需起钻更换刀片；

(3) 在割开ø914.4 mm导管偏心边后，继续切割时，随着刀片向上抬起，刀背开始磨铣已割开边的双层套管及两层套管之间的水泥环，刀片的刀背部位也会逐渐全部进入工作状态，长刀片比短刀片的刀背面积更大，因此在切割时扭矩也会更大，扭矩大对割刀本体、销轴和销钉零部件损坏性也大。

基于以上情况，本井需要切割ø508.0 mm套管和ø914.4 mm导管，选择4刀翼、52 cm刀片的C13割刀。

3.2.2 切割深度的确定

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4.0 m左右进行切割，并将其从海底清理回收到平台上。按照上述规定并结合本井实际情况，避开套管接箍，决定在泥线以下6.2 m处进行套管切割，切割深度785 m。

3.2.3 切割参数的选取

通常在使用外悬挂提拉式切割工具进行套管切割回收作业时，在选定好切割工具并组合完毕后，首先在地面进行压力测试，检查割刀打开情况，下至切割位置后开泵，当泵压达到地面测量压力时，观察到扭矩大于空转扭矩时，也说明刀片张开并开始切割。正常切割ø914.4 mm导管和ø508.0 mm套管时，依据先低泵速后高泵速的原则, 先小排量低转速, 让割刀慢慢吃入套管, 然后逐步加大排量, 提高泵压, 循序渐进均衡平稳切割套管, 保护刀片不被先期损坏, 直到进入正常切割状态^[6]。

3.2.4 作业关键点及风险分析^[7-9]

(1) 套管割断的判断。针对如何及时判断套管被切断的问题，通常采用扭矩突变来判定套管是否被切断，但使用外悬挂深水水下井口头切割回收工具时，即使套管被切断，扭矩也不会出现明显的变化。因此，只根据转矩的变化已不能判断深水套管是否被切断^[8]。采用该工具进行套管切割作业时，主要通过ROV随时观察海床与导管接触处的返出情况、泵压的变化以及井口是否上移。当ø914.4 mm导管和ø508.0 mm套管完全割断后，泵压会略有下降，且返出量很大，高、低压井口头在受拉情况下会出现明显上移。

(2) 作业过程中的风险。本次切割，为了保证2层套管能够切破，采用52 mm割刀片，随着刀片的增长，开刀角度势必变小，开窗高度势必增加，进而使切割时间大幅增加，有可能导致刀片在长时间的切割作业中出现损坏，从而需起钻更换刀片。另外，切割过程中要密切关注扭矩变化，防止瞬时扭矩过大导致钻具倒开，切割完成后，上提打捞套管时，有可能使ø508.0 mm套管从ø914.4 mm导管内脱出，应密切关注。

3.2.5 切割作业过程

(1) 组合ø508.0 mm套管和ø914.4 mm导管切割BHA。ø444.5 mm扶正器+ø304.8 mm M24割刀+ø438.2 mm非旋转扶正器+ø203.2 mm短钻铤×2+ø431.8 mm井口外捞工具+ø203.2 mm钻井液马达+X/O +145.0 mm HWDP×17。

(2) 在钻台进行割刀功能测试，开泵测试弃井工具至泵压2.75~10.34 MPa时，刀片张开，说明割刀工具正常，同时对井口的外捞工具进行功能测试。

(3) 下钻778 m，接顶驱，开钻柱补偿器，移船对井口，割刀组合入井，缓慢下放使外悬挂工具坐进井口头，使悬重减轻20 kN，然后轻轻反转钻柱超过90°，反转扭矩控制在1.5~3.0 kN·m，或当外悬挂座跟着转动时即可，使得外悬挂工具从解锁状态过渡到锁紧状态，之后缓慢过提100 kN，确认工具锁紧。

(4) 过提250 kN切割ø508.0 mm套管和ø914.4 mm导管，切割深度785 m，切割时悬重1 270 kN(包含游动系统重力)，管柱自由悬重1 020 kN，切割参数：排量48.33~50.00 L/s，泵压24.80~26.89 MPa，马达转速100~110 r/min，切割过程中ROV持续观察返出情况及工具状态。

(5) 悬重下降至1 170 kN(管柱自由悬重1 000 kN，ø476.3 mm高压井口头、ø914.4 mm低压井口头和泥垫总重力为170 kN)，钻具上行2 m，同时ROV发现泥垫上行，确定套管已割断。

(6) 起钻，坐泥垫于采油树叉车, 解锁泥垫与低压井口头, 上提管柱，坐ø914.4 mm导管于转盘，立ø508.0 mm套管和ø914.4 mm导管切割BHA于井架, 甩ø476.3 mm高压井口头和ø914.4 mm低压井口头, 拆、甩威德福ø508.0 mm套管和ø914.4 mm导管切割BHA。

3.2.6 小结

(1) 通过本井的实施，验证了割刀及刀片尺寸选择原则的正确性，满足了深木切割工艺技术的实施要求。

(2) 外悬挂深水水下井口系统切割回收工艺技术，解决了常规的坐压式切割回收工具和工艺技术的诸多问题，保证了切割回收工艺技术的安全性和时效性。

4 结论及建议

(1) 深水水下井口头系统切割回收难度大，对工具性能要求高，常规坐压式切割回收工具及工艺技术已无法满足深水作业要求，需要采用高效的外悬挂水下井口头系统切割回收工具。

(2) 外悬挂螺杆马达套管切割工具可以有效简化钻柱在深水环境下的复杂受力状况，降低了深水水下井口头系统切割回收作业风险。

(3) 水力切割套管技术在弃井作业中可以根据井况，灵活选用割刀尺寸及刀片型号，选择合理的切割方式，快速、高效地完成切割作业。

(4) 对于ø508.0 mm套管在ø914.4 mm导管内偏心、水泥未封固套管环空等情况，建议从工具作业稳定性方面进一步改进套管切割工具，以提高其现场作业效率。