一體式交替沖砂切割工具的設計與試驗

劉禹銘 ，柴希偉，郝宙正， 徐勇軍，王永康

1 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2中國石油川慶鉆探工程有限公司工程技術處 3 中國石油西部鉆探公司吐哈井下作業公司

0 引言

渤海地區大多數油田儲層疏松，開采時常伴有出砂現象[1]。因此，海上油井多采用礫石充填工藝防砂。但在開發3～5年后，防砂篩管由于地層出砂、腐蝕導致破損出砂，影響油井生產。經調研，每年渤海油田因篩管破損出砂影響油井生產的井次30余口，為保障油井產量，需要進行修井作業。

渤海油田大修井在打撈切割過程中，存在沉砂或間歇性出砂的問題，所以切割作業前需單獨下一趟沖砂管柱，使井底沉砂沖洗出井，方便切割?，F有打撈切割工藝需要下兩趟鉆，作業周期長，成本高。為提高作業效率，降低施工成本，研制了一款一體式交替沖砂切割工具，實現了一趟管柱完成通井沖砂和水力切割兩項作業，將平均切割作業時間由15 h/1 000 m下降至9.8 h/1 000 m，時間節省35%。

1 結構及工作原理

1.1 結構

一體式交替沖砂切割工具(以下簡稱“一體式工具”)結構見圖1，該工具主要由動力機構、換向機構、割刀機構三部分組成。

1.上接頭；2.本體；3.下接頭；4.芯軸；5.刀片；6.推力軸承；7.導向銷；8.卡簧；9.“O”型圈；10.噴嘴；11.浮動活塞芯軸；12.止動環；13.浮動活塞下部頭；14.卡簧；15.彈簧；16.銷軸；17.皮碗；18.活塞墊片；19.活塞卡簧；20.噴嘴保護套卡簧；21.噴嘴保護套；22.導向塊；23.導向塊固定銷釘；24.底部止動環；25.底部定位螺栓；26.固定銷釘。

1.1.1 動力機構

動力機構由噴嘴、浮動活塞芯軸、止動環及浮動活塞下部頭組成。噴嘴通過卡簧固定在浮動活塞芯軸內部，浮動活塞芯軸與止動環通過螺紋連接，止動環可以前后調整位置，浮動活塞下部頭通過螺紋連接在浮動活塞芯軸下端，如圖2所示。

圖2 動力機構示意圖

1.1.2 換向機構

換向機構主要由芯軸、導向銷、推力軸承、彈簧、皮碗組成，其中導向銷與芯軸上的導向軌道配合，皮碗安裝在芯軸上端，推力軸承和彈簧分別套在芯軸的下端。結構示意圖如圖3所示。

圖3 換向機構示意圖

1.1.3 割刀機構

割刀模塊主要由導向塊和刀片組成，導向塊安裝在芯軸上，刀片安裝在外筒上，導向塊起到支撐刀片張開的作用。結構示意圖如4所示。

圖4 割刀機構示意圖

1.2 工作原理

一體式工具隨鉆桿下放至切割位置后，開泵，通過泵壓判斷工具所處的模式，即切割模式或沖砂模式。開泵時，液體通過噴嘴產生壓降，在壓力作用下動力機構整體下移，浮動活塞與芯軸上端面接觸，形成密封，從而推動芯軸下移。此時，換向機構中的導向銷相對于芯軸沿著導向軌道上移，即進入長軌道。當停泵后，壓降消失，芯軸在彈簧力的作用下上移復位，導向銷則沿著導軌進入短軌道。經過一次開關泵，芯軸可旋轉60°，從而實現模式切換。利用換向機構，芯軸下移的同時可旋轉，使得沖砂和切割模式可以交替循環。當芯軸下移，割刀機構中導向塊正對刀片時，可撐起刀片進行切割作業，即切割模式，如圖 5所示。又因兩組導向塊之間有間隙，當間隙正對刀片時，刀片張不開，即處于沖砂模式，如圖 6所示。

圖5 切割模式

圖6 沖砂模式

2 關鍵工藝參數計算

2.1 沖砂水力學參數計算

對砂粒沉降速度、最低排量、壓降3個參數進行了理論分析和數值計算[2]，可為后續作業提供數據支持。

2.1.1 砂粒沉降速度計算

計算砂粒沉降速度需要將水平井分成直井段、造斜段及水平段，分別計算不同井段的沉降速度。

直井段砂粒的沉降末速與砂粒直徑、砂粒密度及沖砂液密度有關，計算公式為[3]：

(1)

式中：ν1—砂粒的沉降末速，m/s；ds—砂粒直徑，m；ρs—砂粒的密度，g/cm3；ρ1—沖砂液的密度，g/cm3；g—重力加速度，取9.8 m/s2；Cd—阻力系數，雷諾數在500～100 000之間時取0.5。

造斜段砂粒的沉降末速即環空止動返速，是阻止砂粒沿井壁向下滑動的返速。若確定環空止動返速應掌握造斜段地層、巖性等參數，以及沖砂液的流變性，計算公式為[4]：

(2)

式中：v2—環空止動返速，m/s；δ—環空流核寬度，m；r1、r2—環空外、內半徑，m；τ0—沖砂液靜切應力，Pa；K—沖砂液稠度系數，Pa·sn；n—流性指數。

水平段砂粒一定條件下基本保持動平衡的狀態，若返出，需要應用水力學中的泥沙瞬時啟動流速來確定砂粒的沉降末速。計算公式為[5]：

(3)

2.1.2 最低排量計算

利用砂粒的沉降速度與沖砂液上返流動時的最大截面積，可計算出沖砂洗井所需的最低排量[3]。

Qmin=3 600Avmin

(4)

式中：Qmin—沖砂洗井所需最低排量，m3/h；A—返流時最大截面積，m2；vmin—砂粒上升的最低液流速度(砂粒沉降速度的2倍可獲得砂粒上升的最低液流速度)，m/s。

2.1.3 壓降計算

獲得最低排量后，可根據芯軸的內徑大小計算出沖砂時的壓降，即泵壓。

(5)

式中：p—壓降，MPa；An—芯軸內徑的截面積，mm2。

同時，通過上述數學公式也可以計算得出切割模式下，不同噴嘴大小所對應的壓降，以便于通過泵壓判定割刀處以何種模式，也可判定套管是否割開。

2.2 切割扭矩計算

2.2.1 切割套管扭矩計算

假定割刀在不偏心工況下切割，所需最大切割總扭矩為[6- 7]：

(6)

式中：M2—工具切割套管所需最大扭矩，N·m；f—切割摩阻系數；Ff—圓周切削力，kN；R—套管切斷時割刀刀尖半徑，mm；F2—套管作用于割刀上的等效力，kN；A—單片割刀上總的硬質合金塊承壓面積，mm2；B—切削寬度，mm；t—切削深度，Δlsin(γ+θ)，mm；SZ—每齒進給量，可取0.12～0.2 mm；Z—硬質合金切削刃個數。

2.2.2 切割扭矩計算

井口扭矩主要由三部分組成，刀具切割扭矩、修井液阻力扭矩和鉆桿的慣性扭矩[8- 9]，公式為：

M=M1+M2+M3

(7)

式中：M—井口驅動扭矩，N·m；M1—修井液阻力扭矩，N·m；M2—刀具切割套管產生的扭矩，N·m；M3—慣性扭矩，N·m。

修井液阻力扭矩計算公式為[10]：

M1=43 925.4CρgD2L×10-9

(8)

式中：C—井斜系數，選1.88×10-4；ρ—修井液密度，kg/m3；g—重力加速度，9.8 N/kg；D—鉆桿外徑，mm；L—切割深度，m。

慣性扭矩計算公式為：

M3=

(9)

刀具切割扭矩產生的扭矩M2通過式(6)計算獲得，因此可以計算得出井口驅動扭矩M。通過上述公式計算，可為現場作業提供數據支持，方便現場工程師判定套管是否切割完成。

3 試驗井測試

一體式工具在實驗室功能性測試取得成功后，于2022年4月，在中國海油試驗基地JJSY- 3H井進行了井下測試，驗證了其結構設計的合理性，成功完成了連續沖砂切割作業。

3.1 換向功能驗證

通過實驗井設備，將一體式工具下放至距離套管接箍頂端10 cm處。開泵正循環，并以12 m3/h排量遞增。通過理論計算噴嘴選用10 mm規格，切割模式狀態下，排量24 m3/h時刀片開啟，沖砂模式時，刀片不開啟。測試結果顯示，當排量遞增至24 m3/h時，泵壓4.5 MPa，刀片開啟。停泵并泄壓，刀片轉換為沖砂狀態，排量再次遞增至24 m3/h時，泵壓1.5 MPa，刀片未見開啟，經過四輪次切割、沖砂狀態轉換，切換成功率100%，充分證明了一體式工具模式切換的可靠性及穩定性。測試數據見表1。

表1 換向測試結果

3.2 切割功能驗證

在JJSY- 3H試驗井下入?139.7 mm防砂管柱并坐掛，坐掛頂深500 m，底深610 m，目標切割點550 m。一體式工具通過鉆桿下入至切割位置，并接頂驅。

通過文中建立的力學參數計算公式，計算出切割點550 m處，割刀不同模式下的理論壓降值及井口扭矩。鉆井液密度1.2 g/cm3，噴嘴直徑10 mm，芯軸內徑14 mm，計算結果見表2。

表2 壓降值理論值計算結果

從表2可以看出兩種模式下泵壓有明顯差異，可根據泵壓顯示判定一體式工具處以何種模式。

由于沖砂模式下，鉆桿無需轉動，因此無扭矩。只計算切割模式下理論井口扭矩即可。

根據表2中計算結果，開始切割測試。當排量增大至24 m3/h時，泵壓1.2 MPa，按照理論計算結果表明工具處以沖砂模式，繼續增大排量，泵壓持續升高。停泵泄壓，切換至切割模式，排量以12 m3/h為增量逐步增大，當排量至24 m3/h時，泵壓4.6 MPa，按照理論計算結果表明割刀處于切割模式。

從圖7中可以看出，兩種模式下理論排量—泵壓關系曲線與實測曲線基本吻合。

圖7 不同排量下兩種模式理論泵壓與實測泵壓數據對比

割刀調整至切割模式，并將排量保持在24 m3/h。轉速以10 r/min的增速逐步提高，記錄扭矩、泵壓數據，轉速提高至50 r/min時并保持，記錄扭矩和泵壓變化。切割開始后5 min，扭矩由4.5 kN·m下降至1.1 kN·m，此時泵壓由4.6 MPa下降至1.2 MPa，說明套管已切開，從圖8可以觀察套管切割后的斷口比較平整，無條狀金屬絲及碎塊。

圖8 防砂管柱切割后的斷口

通過試驗井測試，驗證了力學技術參數與實測參數高度吻合，成功完成了?139.7 mm套管連續沖砂切割作業，證明一體式工具的可靠性、穩定性，為現場實際應用提供了可靠的參考和數據支持。

4 結論

(1)本文研制的一體式工具實現了一趟管柱完成沖砂、切割連續作業，且交替循環，縮短了作業周期和減少了作業成本。

(2)通過文中建立的水力學參數和切割扭矩的公式，可以計算得出：沖砂和切割兩種模式下，泵壓隨排量的變化有明顯差異，可用于判定井下工具狀態；井口扭矩與轉速成線性關系；泵壓與噴嘴、鉆井液密度及排量有關。

(3)通過現場試驗驗證了一體式工具性能的穩定性。實測泵壓、扭矩等水力學參數與理論計算結果基本吻合，確認了數學方程的準確性。

(4)此款一體化工具適用于?139.7 mm套管的切割作業，可提高作業效率35%，節約成本50%?？蔀楹罄m海上高效修井作業提供技術保障。