海上油田防砂管柱打捞关键技术

文章编号：1000 − 7393(2022)06 − 0758 − 05 DOI: 10.13639/j.odpt.2022.06.015
海上油田防砂管柱打捞关键技术
高永华1 胡晋阳2 丁鹏飞2 许清海2
1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司；
2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司
引用格式：高永华，胡晋阳，丁鹏飞，许清海. 海上油田防砂管柱打捞关键技术［J ］. 石油钻采工艺，2022，44（6）：758-762.
摘要：现有的防砂管柱打捞技术对割点位置、井斜和钻具组合对切割作业的影响考虑较少。

从打捞防砂管柱的关键环节切割和套铣入手，确定了水力机械切割点位置，对切割时刀片受力进行了计算，并对切割影响因素进行了分析，阐明了套铣防砂管柱的关键技术。

研究表明：井斜小于12°，应适当增加钻铤数量来提高钻具旋转稳定性；井斜在12°~55°之间，应减小切割压力、增加钻铤数量、延长切割时间来保障切割作业；井斜大于55°，选择减小切割压力、减少钻铤数量、增加扶正器或者减扭器来提高切割成功率。

应用该技术在渤海油田辽东、渤南、渤西区块共进行60余井次防砂管柱打捞作业，大幅度提高了防砂管柱打捞效率和大修作业时效。

关键词：防砂管柱；打捞；切割；井斜；钻具组合；套铣中图分类号：TE358 文献标识码： A
Key technology for sand control tubing fishing in offshore oilfields
GAO Yonghua 1, HU Jinyang 2, DING Pengfei 2, XU Qinghai 2
1. CNOOC Limited Tianjin Branch , Tianjin 300452, China ;
2. CNOOC Energy Technology & Services Limited , Drilling & Production Co., Ltd., Tianjin 300452, China
Citation: GAO Yonghua, HU Jinyang, DING Pengfei, XU Qinghai. Key technology for sand control tubing fishing in offshore oilfields ［J ］. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(6): 758-762.
Abstract: The current sand control tubing fishing technology has less consideration for the effects of the cutting position, well inclination and bottomhole assembly on the cutting operation. This research focused on two key points of fishing sand control tubing −cutting and milling and identified the cutting positions of the hydraulic mechanical cutting tool. The force on cutters during cutting was calculated, the factors affecting cutting were investigated, and the key technology for milling of sand control tubing was clarified. The research showed that with well inclination less than 12°, extra drill collars are required to improve the BHA rotation stability; with well inclination of 12°−55°, the reduction of cutting pressure, increase of drill collars, and prolonged cutting time should be adopted; with well inclination above 55°, it is required to reduce the cutting pressure, decrease drill collars, and place extra centralizers or torque reducers to improve the cutting power. Over 60 sand control tubing fishing operations using the presented technology were performed in the Liaodong, Bonan, and Boxi blocks of the Bohai Bay oilfield, which greatly enhances the fishing efficiency of sand control tubing and well intervention time-efficiency.
Key words: sand control tubing; fishing; cutting; well inclination; bottomhole assembly; milling
基金项目: 中海石油(中国)有限公司科技项目“渤海油田3 000万吨持续稳产关键技术研究”(编号：CNOOC-KJ 135 ZDXM 36 TJ01-GD)子课题“渤海油田注水井大通径分层防砂技术研究与应用”部分研究成果。

第一作者: 高永华(1977-)，2009毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，现从事海上油田采油工程、井下作业、机采井管理等工作。

通
讯地址：(300459)天津市滨海高新区海川路2121号海洋石油大厦c 座。

E-mail ：通讯作者: 胡晋阳(1988-)，2016年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业，硕士，现从事海上油田井下作业、完井作业等工作。

通讯地
址：(300459)天津市滨海高新区海川路2121号海洋石油大厦c 座。

E-mail ：第 44 卷 第 6 期石 油 钻 采 工 艺
Vol. 44 No. 62022 年 11 月OIL DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY Nov. 2022
0 引言
渤海油田经过多年开发后，大多数油水井出现套管或筛管破损、封隔器失效等问题，造成地层出砂。

目前治理出砂井手段主要有2种：同层侧钻和大修。

受作业成本及作业风险较大的制约，同层侧钻并不是治理出砂井的第一选择，而“分段套铣+震击倒扣”打捞防砂管柱作业因倒扣打捞及作业工期不可控已逐步被淘汰［1］，为此，学者们提出了“割捞一体”、“切割+震击倒扣”的打捞思路［2-5］。

“割捞一体”作业模式虽然可提高打捞效率，但并不适用于长井段防砂管柱砂卡或硬物卡的目标井，而“切割+震击倒扣”技术仅适用于环空间隙太小无法套铣井段，且存在倒扣和工期不可控因素。

文献［6-8］提出了利用液压增力器将防砂管柱提出来的思路，但在防砂管柱、生产套管破损或套管固井质量较差的情况下易出现防砂管柱拔断、套管变形等井下事故，加之其作业费用较高，现场使用较少。

郝建刚等［9］对防砂管柱遇卡原因进行了详尽分析，但对切割、套铣等技术只是简单提及。

韩耀图等［10］给出了割点深度，但对影响切割作业的关键因素和割点位置未做过多说明。

笔者提出根据防砂管柱下入顺序，先对各封隔器下端的盲管依次进行水力机械切割，接着下入回收工具回收顶部封隔器，再套铣上层防砂管柱并打捞出其下部的隔离封隔器，依次重复，直至打捞出所有防砂管柱和隔离封隔器的方法。

在此基础上，对影响水力机械切割成败的关键因素进行了研究以期提高切割成功率，进而提高防砂管柱打捞效率。

1 防砂管柱打捞技术
1.1 水力机械切割
防砂管柱打捞技术的关键点在于切割和套铣。

目前海上油田切割技术主要有水力机械切割、电缆输送切割和连续油管输送切割。

由于电缆切割和连续油管切割对井斜、井身结构以及井眼清洁程度要求较高，故在涉及防砂管柱切割作业时，常选择水力机械切割，可在不同位置进行一趟多刀切割，并保持相当高的成功率。

1.1.1 切割位置的选择
水力机械切割点的选择关系到后续防砂管柱打捞的成败，影响后续套铣作业是否能够顺利进行。

割点较浅，增加了套铣打捞趟数，降低了整个防砂管柱打捞效率；割点较深，套铣作业时的卡钻风险则相应增加。

故割点选择应遵循2点：避免将割点选在接箍上；为降低套铣作业卡钻风险，割点不能太深，最好选在盲管中部，必要时选在筛管中部亦可。

1.1.2 切割时刀片受力计算
受井斜影响，割刀在防砂管柱内实际处于“平躺”状态 ，在水力作用下，刀尖作用在管壁上的切割力与管壁对刀尖的支持力互为作用力与反作用力。

若该支持力不足以将割刀及其上部的钻具支撑起来，使得切割过程中刀片不能完全撑开从而进行“偏心”切割，易造成防砂管柱高边切割不彻底、低边割透甚至伤害生产套管的现象(图1)。

图 1　偏心切割示意图
Fig. 1 Eccentric cutting
对刀片进行受力分析(图2)，由刀片两端力矩平衡可得
图 2　切割时刀片受力分析示意图
Fig. 2 Stress analysis of blade during cutting
高永华等：海上油田防砂管柱打捞关键技术759
式中，F 1为活塞作用在刀片根部的力，kN ；F 2为刀尖作用在盲管壁的切割力，该力是盲管壁对刀尖支持力的反作用力，kN ；L 1、L 2分别为刀片轴部与活塞、刀尖的距离，mm ；L 3为刀片根部与刀尖距离，mm ；D 1、D 2分别为盲管内直径、割刀外直径，mm ；d 1、d 2分别为割刀活塞直径、活塞水眼直径，mm ；p 为切割压力，MPa 。

将式(2)、(3)、(4)依次代入式(1)，即可得出切割时刀尖作用在盲管壁的切割力F 2。

以外径为79.38 mm 的割刀为例，相关参数见表1。

当刀片完全撑开时，每支刀尖作用在盲管壁上的切割力F 2为3.42 kN ，若因钻具偏心，极限情况下，每支刀尖受力最大达10.26 kN ，刀片崩损风险增加，进而造成切割失败。

表 1 割刀切割参数取值Table 1 Parameter values of cutting 参数取值参数取值D 1/mm 101.6L 2/mm 68.0D 2/mm 79.38L 3/mm 97.0d 1/mm 60.0p /MPa 8.0d 2/mm 15.88a /(°)135.45L 1/mm
36.0
b /(°)
17.2
将表1切割参数代入式(1)~(4)可得切割时盲管内径与刀尖切割力的关系，由图3可知，随盲管内径增加，刀尖处切割力亦不断增加。

故实际切割过程中为了降低刀片崩损风险，当盲管直径较大时，应选择加长刀片长度或更换外径更大的割刀来切割。

表2为海上油田常用水力机械割刀最大切割外径及其配套生产套管尺寸。

表 2 海上油田常用水力机械割刀切割尺寸Table 2 Cutting size of hydraulic machine cutter of
offshore oil field 割刀外径/mm 刀片长度/mm 割刀最大外径/mm 盲管外径/mm 套管外径/mm 79.38
32122114.3177.845145127244.4850
152139.795.25
51170139.7244.48
57188139.7114.3
51178139.7244.8
57
190139.764203171.570215177.875
230
184.2
1.1.3 切割影响因素分析
若切割时盲管壁对刀尖的支持力不足以支撑钻
具时，造成持续偏心切割，则易造成切割失败。

因此，在水力机械切割作业时需优化设计入井钻具组合。

通常切割作业时割刀上部连接钻铤，且割点位置附近井筒狗腿度近似为0。

若要保持刀片能完全撑开(图4)，则切割力F 2和钻铤重量之间的关系为
式中，G 为钻铤重量线密度，kN/m ；L 为钻铤长度，m ；θ为井斜，°。

图 4　水力切割钻具及刀片受力示意图
Fig. 4 Force of drill tool and blade in hydraulic cutting
以Ø79.38 mm 割刀切割Ø101.6 mm 盲管为例，Ø79.38 mm 钻铤线密度G 为0.342 kN/m ，当井斜不同时，切割力F 2和钻铤长度之间的关系如图5所示，可以看出，随井斜和钻铤长度增加，切割时刀尖切割力呈非线性增长趋势。

当切割压力为10.0 MPa 时，在井斜小于12°、
2.54.56.58.510.512.514.579.38
88.90
98.43107.95117.48127.00136.53146.00
刀尖支持力/k N 盲管内径/mm 一支刀片受力三支刀片受力
图 3　刀尖切割力随盲管内径变化Fig. 3 Tool nose support force changing with
the diameter of blind tube
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石油钻采工艺 2022年 11 月（第 44 卷）第 6 期
钻铤长度100 m 情况下刀尖切割力最大约4.0 kN ，该数值与刀尖抗压强度相差不大，故此时可忽略钻具重量对刀片撑开情况上的影响。

因钻铤具有减轻钻具摆动和跳动并增加其稳定性的功能，故在井斜较小时，可适当增加钻铤数量以保证切割作业时钻具旋转稳定性。

当切割压力为10.0 MPa 时，井斜40°、钻铤长度30 m (约3根)情况下刀尖抗压强度在4 kN 以内，因钻铤数量较少，钻具摆动、跳动现象严重，致使切割钻具旋转稳定性大幅度下降，降低了切割成功率，而当切割压力为6.0 MPa 、井斜40°时，在相同刀尖抗压强度下钻铤长度可达48 m (约5根)，因此，若割点所在位置井斜较大，应采用减小切割压力、延长切割时间来保证切割成功率。

从图5还可以看出，当井斜大于55°时，减小切割压力钻铤长度增加有限。

故在井斜较大的井或水平井进行水力切割作业时，切割过程中应考虑在钻具之间增加扶正器或减扭器以保证其旋转稳定性，提高切割成功率。

实际水力机械切割作业中，若不考虑井斜，单纯为了提高钻具旋转稳定性而增加钻铤数量，会导致刀尖崩损进而增加切割失败的风险；若在某些井斜较大井段，为使刀片能够充分撑开而减少钻铤数量，则钻具旋转稳定性会大幅度下降，降低切割成功率。

故在选择割点位置时，应将该位置的井斜纳入综合分析范畴，根据井斜优化设计切割钻具组合。

1.2 套铣防砂管柱
将目标割点依次割完以后，须将防砂管柱与套
管或井眼之间的环空进行充分套铣之后才能进行打捞作业。

某些特殊井况下，所要套铣的环空单边间隙最小仅有2.0 mm 左右，故套铣过程预防卡钻是重中之重。

套铣作业时的关键点如下：(1)大排量循环并适当增加修井液黏度，提高其携砂能力，必要时配
制全井筒套铣冲砂液；(2)备用堵漏剂，防止套铣时漏失增大造成卡钻等复杂情况发生；(3)若环空间隙小，套铣泵压较大，可考虑反循环套铣；(4)因防砂管柱接箍外径与套铣管内径差值较小，常规钻压即可将其套劈，为避免这种情况发生，在套铣接箍时，不能长时间定点套铣，需间歇上下活动钻具，且钻压控制在5~20 kN 左右。

2 现场应用
近5年来，在渤海油田辽东、渤南、渤西区块共
计进行防砂管柱打捞作业约60余井次，大幅度提高了防砂管柱打捞效率。

以绥中36-1油田某井为例，该井生产套管内径157.07 mm ，采用三层砾石充填防砂(筛盲管外径114.3 mm ，内径101.6 mm)，防砂段井斜约35°~45°。

生产数年后产油量逐渐下降，动管柱作业发现出砂，冲洗防砂段发现存在陶粒及地层砂，判断筛管破损，经综合经济评价后决定采用大修方式恢复生产。

作业步骤如下。

(1)防砂管柱内通井冲砂。

(2)水力机械切割底层、中层、上层盲管(两趟三刀)，割点选择在井斜约35°位置，并严格控制钻铤下入数量和切割泵压。

钻具组合：Ø79.4 mm 水力机械割刀+Ø79.4 mm 钻铤×6根+转换接头+Ø120.6 mm 震击器+Ø88.9 mm 钻杆。

切割参数为：排量15 m 3/h 、泵压8 MPa 、扭矩11~13.5 kN · m 、转速60 r/min ，累计切割3 h 。

(3)回收顶部封隔器。

管柱组合：专用回收工具+短钻杆+转换接头+Ø88.9 mm 钻杆，当回收工具进入封隔器后，泵压上涨至4~6 MPa ，上提解封顶部封隔器。

(4)套铣防砂管柱。

管柱组合：Ø146 mm 铣鞋+Ø146 mm 套铣管×5根+转换接头+Ø139.7 mm 捞杯×2个+Ø88.9 mm 短钻杆+Ø120.6 mm 震击器
+
图 5　切割压力不同时刀尖切割力随井斜和钻铤长度变化
Fig. 5 Tool nose support force changing with well deviation and length of drill collar under different cutting pressure
高永华等：海上油田防砂管柱打捞关键技术
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Ø120.6 mm 钻铤×2 柱+Ø88.9 mm 钻杆，套铣参数为：排量50 m³/h 、泵压4.5 MPa 、钻压10~20 kN 、转速45 r/min ，扭矩7~9 kN · m ，套铣过程中密切关注井口返出情况。

(5)打捞防砂管柱。

管柱组合：Ø146.5 mm 打捞筒(配Ø114.3 mm 篮式卡瓦)+Ø88.9 mm 短钻杆+Ø120.6 mm 震击器+Ø120.6 mm 钻铤×4根+Ø88.9mm 钻杆。

重复步骤(4)~(5)，直至打捞出所有防砂管柱。

该井缩短作业工期10.6 d ，大幅度提高了防砂管柱打捞效率和大修井作业时效。

3 结论
(1)水力机械切割防砂管柱作业过程中，井斜与
钻具组合对切割成功率有着关键影响。

(2)为了降低刀片崩损风险以及提高切割成功率，应尽可能选择井斜较小的位置作为切割点，倘若割点位置无法避开井斜较大的位置，可合理优化作业时间和钻具组合来保证切割作业顺利进行。

(3)本文只对不同井斜情况下水力机械切割作业进行了研究，并对钻具进行了组合优化以提高切割成功率，在后续工作中，应进一步研究井眼曲率及旋转管柱动力学对切割的影响，为井眼轨迹复杂井和大位移井的水力机械切割提供理论依据。

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［10］ （修改稿收到日期 2022-07-11）
〔编辑 景　暖〕
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