一体式水泥环破碎回收工具及方法

本发明涉及弃井作业领域，具体涉及一体式水泥环破碎回收工具及方法。

背景技术：

1、油气井开发进入中后期，油气资源逐渐枯竭，大量的油气井被永久弃置，在使用水下井口装置时，应该按照行业要求进行永久弃井作业，临时弃井和探井要进行永久弃井处理，要弃井作业的油气井数量逐年增加，《gb2019石油天然气钻井海洋弃井作业规程》要求弃井作业要选择适当的井深处对套管从内至外层层切割和打捞回收，然后用水泥进行永久封堵，目的是实现油气的封隔，防止残余油气泄露造成海洋生态污染和破坏，在完成固井作业后，内层套管、水泥环、外层套管和地层之间因为水泥浆凝固作用而胶结在一起，这大大增加了拔拉套管阻力，导致套管很难拔出甚至是无法拔出井眼，而先切割一小段套管后再逐次进行拔拉，则会增加弃井作业周期和成本。为了克服前述问题，本案发明人团队首次提出了“一种高寿命辅助套管回收的水泥环偏心滚动挤压破碎工具”(申请号202210372707x)，该工具能够降低套管与水泥环之间的胶结作用，进而降低对套管的拉拔阻力；之后，还研发设计了与该工具相配套的“一种弃井套管水泥环破碎试验装置和方法”(申请号2023102119870)用于进行相关试验研究。

2、随着相关研究及试验的不断深入开展，发明人团队发现，前述偏心滚动挤压破碎工具虽然能够有效破坏套管和水泥环之间的胶结，但是其对于水泥环自身的破碎能力有限，在用于相邻两层套管间的重叠段时，使用该工具破碎内层套管与环空水泥环之间的胶结并拉拔出内层套管后，水泥环自身结构依然较为完整，因此对外层套管的拉拔回收作业依然较为困难。所以，有必要对这种内壁处于暴露状态的环空水泥环做进一步的破碎回收处理，以便于回收外层套管。现有技术中还没有能够与前述水泥环偏心滚动挤压破碎工具相配套使用的、适用于该工况下的井下破碎回收设备。

技术实现思路

1、本发明提供一体式水泥环破碎回收工具及方法，以实现能够与水泥环偏心滚动挤压破碎工具配套使用、对已经拔出内层套管后的水泥环做破碎处理，进而为外层套管的回收做好充分准备的目的。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一体式水泥环破碎回收工具，包括铣刀短节、连接在铣刀短节上方的钻具接头、连接在铣刀短节下方的举升短节、固定在铣刀短节外的铣刀盘；所述钻具接头、铣刀短节、举升短节内具有依次连通的通道，所述举升短节上开设与所述通道连通的若干射流孔，所述铣刀盘上开设若干轴向贯通的过流孔。

4、本案发明人在研究过程中发现，使用现有的水泥环偏心滚动挤压破碎工具破碎内层套管与环空水泥环之间的胶结、并拉拔出内层套管后，对外层套管的拉拔回收作业依然较为困难。分析其原因在于，前述挤压破碎工具破坏的是内层套管与水泥环之间的胶结作用，而外层套管依然与水泥环之间胶结依然良好、水泥环自身结构也较为完整。本工具正是为了克服这一技术问题而专门提出，具体的，本工具的最上方为钻具接头，用于与常规钻具相连，便于通过钻具将本工具送入井内。铣刀短节位于钻具接头之下，其外部安装有铣刀盘，通过铣刀盘对内部完全暴露在井内的水泥环进行破碎。举升短节位于铣刀短节之下，自井口泵入的钻井液或完井液等流体经钻具进入钻具接头、铣刀短节、举升短节内的通道，最终从射流孔喷出、自环空上返，由于举升短节位于铣刀短节下方，因此射流孔也位于铣刀短节下方，所以流体上返过程中即可将水泥环被破碎后所产生的碎屑携带上返、经过流孔后自环空返出至井口，再由固控系统如振动筛等进行回收处理。待将水泥环破碎至指定深度后，即可起出本工具，再次使用水泥环偏心滚动挤压破碎工具进行外层套管的回收作业。

5、可以看出，本工具实现了对内壁处于暴露状态的环空水泥环的同步破碎和回收效果，实现了与水泥环偏心滚动挤压破碎工具的配套使用，保证了水泥环偏心滚动挤压破碎工具在弃井作业过程中实际运用的可行性，使得整个弃井过程能够连续高效作业，填补了现有技术的空白。通过本工具的使用，可为外层套管的回收做好充分的先期准备，显著降低了对外层套管的回收难度、从整体上提高了弃井作业效率。此外，本工具还能够使得被破碎的水泥环碎屑上返至井口回收处理、避免其掉入井底，有利于后续可能出现的弃井再投产作业。

6、本领域技术人员应当理解，本技术中上、下，是以工具入井后朝向井口方向为上、朝向井底方向为下。

7、进一步的，所述通道包括位于钻具接头内的第一流道、位于铣刀短节内的第二流道、位于举升短节内的第三流道；所述第一流道、第二流道的上下两端均敞口，所述第三流道至少上端敞口。

8、本方案对本工具内用于流体通行的通道进行具体限定，其中包括第一流道、第二流道和第三流道。其中第三流道底端优选的设置为封闭状态，便于流体在高压作用下从射流孔中喷出，进而对水泥环碎屑提供较为强大的裹挟效果。

9、进一步的，所述铣刀短节与钻具接头之间可拆卸连接有转换接头，所述转换接头内部具有第四流道，所述第四流道的上、下两端分别与第一流道、第二流道连通。

10、本方案在铣刀短节与钻具接头之间连接转换接头，在使用时只需保证转换接头与钻具接头、铣刀短节之间的连接扣型相同，即可通过更换不同的钻具接头来适配不同尺寸或扣型的上部钻具、并可通过更换不同的尺寸的铣刀短节来适配不同尺寸内外层套管所对应的水泥环的破碎需求，进而显著提高本技术的通用性。

11、进一步的，所述举升短节顶部具有对接部，所述第二流道内壁开设与所述对接部相匹配的定位槽；所述对接部下方设置有固定在举升短节外的限位环，所述限位环的外径大于定位槽的外径。

12、本方案使用时，将对接部自下而上插入定位槽内，直至限位环抵拢铣刀短节的下表面，之后再对举升短节和铣刀短节进行固定；此种设置可保证第二流道与第三流道的稳定连通，同时便于对举升短节的快速安装和定位。

13、进一步的，所述定位槽内壁开设若干l型槽，所述l型槽的一端连通至铣刀短节底面；所述对接部外壁设置若干与所述l型槽相匹配的定位块，所述定位块与l型槽一一对应。

14、本工具在工作过程中，流体对举升短节具有极大的向下冲击力，这对工具的使用寿命和井下安全均提出严重挑战，本方案通过l型槽与定位块的配合来克服这一缺陷。

15、在安装举升短节的过程中，本方案将各定位块正对对应的l型槽，然后将对接部自下而上插入定位槽内，此过程中使各定位块进入对应的l型槽的一侧边中，待限位环抵拢铣刀短节的下表面时，定位块正好抵达l型槽的拐角处，此时整体转动举升短节，使定位块在l型槽内横向移动，直至举升短节无法再转动，此时各定位块已经抵达l型槽的横向分布的另一侧边的端部位置，此时再对举升短节和铣刀短节进行固定即可。

16、本方案使得流体对举升短节的冲击力主要由各定位块承担，保证了举升短节与铣刀短节之间的长期连接稳定可靠，显著缓解了两者连接部位长期应力集中而导致的疲劳受损等问题，有利于延长工具使用寿命、降低作业过程中的井下安全风险。

17、进一步的，还包括固定在举升短节外部的举升筒，所述举升筒底部封闭、顶部敞口，所述射流孔位于所述举升筒内。

18、本方案在举升短节外固定安装举升筒，举升筒呈底部封闭、顶部敞口的桶状结构，因此举升筒内壁与举升短节外壁之间形成一环空，高压流体经射流孔喷射至该环空内，沿该环空上返。该环空首先能够对喷射出的流体做上返导向，引导其向上运动，进而更有利于保证流体稳定的裹挟被破碎的水泥环碎屑上返至井口；其次对于质量较大难以随流体上返的碎屑、以及形状异形或体积较大难以通过过流孔的碎屑，可通过该环空来对其进行暂存，待工具整体出井后再由人工统一清理，避免了其下沉至井底而干扰后续可能出现的弃井再投产作业。

19、进一步的，若干射流孔沿周向均匀分布在举升短节侧壁底端，且射流孔由内至外向下倾斜，即是射流孔的轴线沿径向方向，由内向外向下倾斜。由于举升筒的底部封闭，因此流体沿射流孔进入环空时，是沿斜下方向流动，进入环空内的流体在环空内与举升筒的内壁激烈碰撞直至改变流向向上运动；在此过程中，可使得各射流孔喷射出的流体在环空内形成十分紊乱的紊流状态，以此紊流状态从举升筒顶部的敞口端向上流动，进而更加有利于提高对被破碎的水泥环碎屑的裹挟能力，使得更多的碎屑被直接返排至井口处理，降低暂存在举升筒内的碎屑量。

20、进一步的，所述铣刀盘包括上大下小的锥体部，所述锥体部位于铣刀盘的下部区域，且锥体部侧壁设置若干铣刀。

21、本案发明人在深入研究的过程中发现，若采用常规的铣刀布置方式，工具在入井和出井过程中，铣刀容易与套管内壁接触进而导致上部套管损伤，这不利于对套管回收后的再利用。为了克服这一问题，本方案将铣刀盘下部设置为上大下小的锥状结构，并将其定义为锥体部，再将铣刀安装在锥体部侧壁，因此使得铣刀沿着椎体部侧壁的斜面倾斜布置。这种布置方式首先使得铣刀整体自上而下向内倾斜，降低工具出入井过程中铣刀与套管内壁的接触风险，其次还能够在不改变铣刀径向长度的前提下增大了铣刀的实际长度，使得铣刀盘下行过程中变相延长铣刀与水泥环顶部的接触时间，更加有利于对水泥环的充分破碎，进而降低水泥碎屑体积过大或质量过大的风险。

22、优选的，所述过流孔为腰型孔，且过流孔的轴线平行于铣刀盘的轴线；若干过流孔在铣刀盘上环形均布。

23、基于本技术中一体式水泥环破碎回收工具的水泥环破碎回收方法，包括：

24、s1、在拔出内层套管后，使用钻具连接钻具接头，将所述一体式水泥环破碎回收工具送入井内，直至所述一体式水泥环破碎回收工具抵达水泥环上方设定高度；

25、s2、启动泥浆泵，使钻井液或完井液经钻具进入所述通道；使钻具以设定转速旋转；

26、s3、下放钻具，使举升短节进入水泥环内部；继续下放钻具，由铣刀盘逐渐破碎水泥环至设定深度；

27、s4、停泵、停转，起钻。

28、本技术的水泥环破碎回收方法是在已经采用在先申请的水泥环偏心滚动挤压破碎工具破坏水泥环与内层套管之间的胶结、并拔出内层套管后进行，在执行完本方法步骤后，即可再次采用在先申请的水泥环偏心滚动挤压破碎工具对外层套管与地层之间的水泥胶结进行处理，最终实现轻松拔出外层套管的效果。

29、本方法中用于连接钻具接头的上部钻具，除使用常规钻杆外，还可采用加重钻杆、油管等本领域技术人员能够想到的任意现有管柱。

30、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

31、1、本发明一体式水泥环破碎回收工具及方法，实现了对内壁处于暴露状态的环空水泥环的同步破碎和回收效果，其用于与在先申请的水泥环偏心滚动挤压破碎工具配套使用，保证了水泥环偏心滚动挤压破碎工具在弃井作业过程中实际运用的可行性，使得整个弃井过程能够连续高效作业，填补了现有技术的空白。

32、2、本发明一体式水泥环破碎回收工具及方法，可为外层套管的回收做好充分的先期准备，显著降低了对外层套管的回收难度、从整体上提高了弃井作业效率。

33、3、本发明一体式水泥环破碎回收工具及方法，能够使得被破碎的水泥环碎屑上返至井口回收处理、避免其掉入井底，有利于后续可能出现的弃井再投产作业。

34、4、本发明一体式水泥环破碎回收工具及方法，可通过更换不同的钻具接头来适配不同尺寸或扣型的上部钻具、并可通过更换不同的尺寸的铣刀短节来适配不同尺寸内外层套管所对应的水泥环的破碎需求，具有较强的通用性。

35、5、本发明一体式水泥环破碎回收工具及方法，流体对举升短节的冲击力主要由各定位块承担，保证了举升短节与铣刀短节之间的长期连接稳定可靠，显著缓解了两者连接部位长期应力集中而导致的疲劳受损等问题，有利于延长工具使用寿命、降低作业过程中的井下安全风险。

36、6、本发明一体式水泥环破碎回收工具及方法，能够对喷射出的流体做上返导向，引导其向上运动，有利于保证流体稳定的裹挟被破碎的水泥环碎屑上返至井口；还能够在井内暂存无法上返的碎屑，待工具整体出井后再由人工统一清理，避免了其下沉至井底。

37、7、本发明一体式水泥环破碎回收工具及方法，使得各射流孔喷射出的流体在环空内形成十分紊乱的紊流状态，有利于提高对被破碎的水泥环碎屑的裹挟能力。