深水導管內刮洗裝置研究及發展綜述

周展鵬，張廷昊，孫巧雷,2*，李樂勤，田杰，熊子健

開發與應用

深水導管內刮洗裝置研究及發展綜述

周展鵬1，張廷昊1，孫巧雷1,2*，李樂勤1，田杰1，熊子健1

（1. 長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023； 2. 湖北省油氣鉆完井工具工程技術研究中心，湖北 荊州 434023）

導管內刮洗裝置在石油鉆探技術中有著廣泛的應用，主要用于油氣井管柱的管壁刮削、附著物去除、化學物質清洗等?；诋斍昂Ｑ笥蜌鈱Ч芮逑囱b置的發展狀況，在調研當前國內外內刮洗裝置（刮管器和清管器）基礎上，分析了傳統刮洗裝置的工作原理及結構特點。同時，通過國內外刮洗裝置領域的研究對比，分析了國內外市場上應用較多的刮洗裝置的種類和研究成果，提出了深水導管內刮洗裝置存在的不足及發展方向，為深水導管內刮洗裝置的后續發展奠定一定的基礎。

深水導管；刮洗裝置；附著物；結構分析；數值模擬

近年來，隨著陸上可供開采油氣資源的逐漸減少以及社會對能源日益突出的需求，加大海上油氣資源的開采力度已成為一種必然的趨勢[1]。在海洋油氣勘探開發的進程中，深水導管被廣泛應用于平臺間及平臺與陸地間石油天然氣的集輸。海上導管在鉆井、固井等作業過程中需要注入和循環各類入井液，由于深水導管所處環境變化范圍大，泥線段溫度較低，管道管壁與海水下部低溫環境不斷進行熱交換，導致管內流體的溫度大幅度降低，使得各類有機物和無機物更易析出，導管的管壁會附著各類殘留物；同時，海上油氣井的生產過程（特別是氣井）一般為高壓高產，受井底硫化物、蠟質、青狀膠質、析出液、管柱腐蝕等影響，各類導管的管壁附著物會增加，在極端情況下，會導致導管的局部堵塞，嚴重影響海底立管的正常運行[2-4]。

為了減小管壁附著物對鉆完井后續測試、生產的影響，減小水合物生產、管道堵塞的影響，工程上一般會在生產前對管壁進行刮削和清洗，對于較易處理的常規有機堵塞，一般可借助化學或物理清管進行初步處理，但是對于難清洗物則需借助刮管器進行進一步處理[5-6]。對比化學劑清洗、物理加熱等方式，刮洗裝置的使用一般需要配套裝置，流程較復雜，所以早期刮管器的使用主要在修井中。隨著刮洗裝置結構的改進、工作性能的優化，目前刮洗裝置在鉆完井后期、生產前、修井等過程均有應用。

刮洗技術作為完井階段的基礎性作業步驟，是確保后續作業步驟正常進行的關鍵，我國對刮洗裝置（即刮管器和清管器）的研究起步較晚，當前相關技術落后于發達國家，在創新發展這方面仍存在一定的不足?；诖?，本文針對刮洗裝置已有的國內外研究，調研了其發展現狀，總結了其存在的問題和不足，指出了其發展趨勢，通過對這些問題的分析和對比，為深水導管刮洗裝置的后續發展提供了一定基礎。

1 國外研究現狀

通過了解，清管器的發展可以追溯到19世紀初，隨著美國的潮汐公司開始對輸流管道進行清洗工作，第一個清管器也隨之出現。第一個電子定位功能清管器的出現是在20世紀60年代末，這意味著清管技術已經得到了很大的發展，而且它能夠快速精確找到當清管器卡堵時的卡堵位置。后續相關公司和研究人員在初代清管器的基礎上，逐步對刮管裝置進行了研究和改進。

韓國NGUYEN[7]等提出了一種清管器速度控制方法，他們首先假設清管器旁通孔內的天然氣體不可壓縮，利用數值模擬推導出清管器旁通孔局部流體阻力的計算公式以及帶旁通孔的清管器前后壓差與動力學方程?；诖?，他們認為速度控制的方法與3個參數相關——清管器位置、速度和旁通孔流速，通過模擬計算和實驗驗證了猜想。

巴西的AZEVEDO[8]、NIECKELE[9]等在論文中提到了旁通孔徑對泄流量和清管器動力學的影響，猜想得到一個瞬態停滯/滑移模型，認為它能夠分析旁通清管器在管道中的運動特征。他們對小型旁通清管器利用流體力學和有限元分析等方法建立了實際的理論模型，最后通過數值計算和分析，結果符合實際情況，說明了這個模型的確能夠反映清管器在管道中的運動特征。

伊朗的HOSSEINALIPOUR[10]等在總結了前人的經驗后，研究了天然管道內的清管器的動力學方程，并且用數值模擬結果對比了運行壓力為 9 MPa 的管道實測數據，通過對比同時研究了真實的流體流動特征和理想流體的偏差。

MINAMI[11]等對前人的清管研究工作進行總結，進行了理論研究和非穩態清管實驗，提出了MINAMI清管模型。認為MINAMI清管模型與KOHDA 清管模型相似，管道可以為 3 個流動段，分別為上游瞬態兩相流區、液塞區和下游瞬態兩相流區，而并非Mc Dondald-Baker 模型中劃分的 4 個流動區域，最后他們通過計算結果和實驗結果進行比較，得出要計算清管器內部清洗的時間和速度要根據管內氣體的速度以及清管器運行的速度這 2個參數綜合考慮。

圖1 Minami模型[11]

LIMA[12-13]等建立了以雙流體模型為基礎的清管模型。從他們的模型中可以知道，模型將管線分為兩大區域：第一部分是從清管器所處的位置到管線出口和從管線的入口到清管器所處的位置，第二部分是從清管器到管道出口。

加拿大的BOTROS[14]與GOLSHAN[15]研究了天然氣管線中清管器運動的動態模型。相對一般的運動模型，其全面考慮了影響清管器在運動過程中的各種參數，從管壁到清管器本身、管道的材料和類型、管道的物流性、管道的規模和尺寸、管道所處的環境、管道和清管器之間的摩擦力、可控制清管器速度的旁通孔以及清管器的類型和種類，并且通過數值模擬和多次起伏管路的實驗驗證了模型，發現計算的模型和實際實驗數據相符合。

總的來說，國外的清管和刮管技術起步較早，且應用于陸地輸流管的清洗理論研究較多，但由于海上導管的刮洗較復雜，當前的刮洗裝置主要集中在大型公司，相關公司以技術服務為主，鮮有理論和應用進行公開。

2 國內研究現狀

早期國內刮管存在效果不明顯的問題，特別是對于高低落差大的管道，刮管器跟蹤預測精度低且清管器卡阻時有發生[16]。另外，國內未制訂統一的清管標準規范，行業標準《天然氣管道運行規范》（SY/T 5922—2012）和《原油管道運行規程》（SY/T 5536—2004）側重于制訂清管方案、刮管器發送、接收操作程序和清管安全措施，對管道清管技術要求闡述得較少，不能完全指導管道清管作業。近幾年，在傳統刮管器的基礎上，國內圍繞刮洗裝置中刮削率低下、卡堵現象嚴重、壽命短、旁通率低、能量利用有限等問題進行了研究。

2.1 結構設計與優化

現有的刮洗裝置主要由液壓或管柱組合驅動刮刀或沖洗頭進行刮洗，其典型套管刮管器如圖2所示。結合數學模擬、數學仿真技術的發展，國內相關研究者在已有輸流管的基礎上，逐步對復雜管道和深水導管內刮洗裝置的結構進行了進一步設計與優化。

1—上接頭；2—活塞桿；3—上部彈簧；4—活塞缸；5—花鍵體；6—下部彈簧；7—花鍵軸；8—鎖緊螺釘；9—鎖緊半環；10—刮刀體； 11—推刀軸；12—下接頭；13—刮齒；14—封閉式伸縮槽； 15—第一斜齒；16—第二斜齒；17—應力消除孔

葛俊瑞[18]等研究了一種可變徑刮管器結構并做出了相應的實驗仿真。研制了通過板簧的壓縮實現刀片收回的可變徑環形剃刀刮刀片。刮刀片采用2組刀片，每組10片的環形分布，刮刀能夠在管道內實現360°全方位的刮洗，四周全覆蓋，而根據不同直徑的管道刮刀則會使用不同的功能，直徑略大的管道，則能夠實現兩組刮刀的交疊，實現全面刮洗，這種新型的設計能夠明顯提高多層套管刮削效率，減少工程費用。

馬青印[19]提出了一種旋轉式油管刮削器，使用了特殊的刮刀結構，分析了旋轉型刮刀的運動原理。當刮管器軸向遇到阻力時，會產生相應的旋轉力，高壓液體從孔中噴射出時刮刀會受到油管壁的反作用力，驅動刀體轉動。轉式油管刮削器結構新穎，實用性強，能滿足油管初步除垢的需要，增加油管封堵的成功率，為下步帶壓作業順利進行提供了技術支撐。

李笑林[20]研究了一種液壓式刮管器，通過結構的優化和升級，刮刀使用了旋轉特性，其內部由 5級葉片式液力馬達構成，該刮管器依靠高壓洗凈液能量驅動液壓馬達產生高速旋轉扭力，帶動刮削刀片高速旋轉，將井筒內壁上的結蠟結垢粉碎，由洗井液帶出井筒。

除上述研究外，還有一些研究者也設計了具有一定特色的刮管器。邵衛林[21]設計了一種測徑刮管器，提出了內檢測前實施刮管作業所用刮管器的技術要求，討論了刮管實施階段刮管速度的選擇。于小龍[22]等設計了一種能夠進行變形的分瓣刮刀與環形刮刀構成的刮管器，能夠增加套管內某一點的切削次數；同時環形刮刀片相對軸心不能夠提供一定的扭矩，從而遇到卡堵的物質時能夠自動的繞開雜物，由于分瓣刮刀可通過不同厚度的調節環，刮刀能夠相對軸心產生扭矩，從而起到功能互補的效果，通過更換不同厚度的調節環改變扭矩的大小，從而能夠刮削掉不易清洗的管壁雜物。崔嶸等[23]設計了一種在刮管器本身貫設有流體通道，可在刮管器尾端形成噴射口進行射流清洗；通過壓力閥控制，保證了刮削的效率，同時也降低了工作中的卡堵問題。徐峰[24]等設計了一種水力投送式刮管器，主要包括密封皮碗機構和螺旋式刮刀機構，采用刮刀機構嵌入刮刀器本體內的新型設計，刮刀體內設置有彈性件弓簧，堵塞時能夠提高泵壓，從而達到清管的效果，且可使堵塞器一次性投放至井底，提高刮管器的重復使用率，節省井下刮管工作時間。

2.2 結構分析與數值模擬

除了進行基本結構改進外，國內還有部分學者通過結構分析、數值仿真和模擬對刮管裝置進行了研究。鄧國雄[25]通過 PIG 清管技術在長距離高壓管道的應用，介紹了PIG清管裝置主要由PIG發射器、接收器、壓力測量儀表、PIG跟蹤儀及閥門等組成，分析了電子定位清管器的工作原理，對該系統在長距離高壓管道清洗中可能出現的問題提出解決方案。

賈康等[26]通過建立刮削加工運動學模型和受力分析，結合切削刃的接觸分析，基于曲面共軛原理提出了一種刮削切削齒刃形曲線的計算方法。董潔楠[27]綜合考慮輸油管道的實際情況，通過SolidWorks和ANSYS等軟件建模仿真，利用Fluent中的UDF模塊編程和仿真分析，得出了紊流流態增大對刮管器皮碗的影響以及刮管器的皮碗裙過盈量和剪切力的變化關系，從而分析清管效果。分析認為，過盈量過小，刮管器刮管效果較差，而過盈量過大時，易發生卡堵，不利于刮管工作，建議刮管過程中過盈量保持在 2%～4%之間為最佳。魏兆成[28]等針對球頭銑刀三維曲面加工，提出一種考慮根據刀具界面任意變化的銑削力和進給方向的預報方法。根據各微小穩態加工的始末刀具坐標，建立進給轉向角和進給傾斜角理論模型，修改了未變形時切屑模型的厚度參數，使其適應在三維曲面加工中進給方向和刀具切觸界面的任意變化。

隨著數值仿真技術的不斷發展，把理論與限元分析結合進行清管器性能分析的研究逐漸增多。王宇楠[29]等設計了一種新型管道泡沫測徑清管器，通過 ABAQUS 軟件仿真模擬其遇到管道污垢時的變形情況以及變形時泡沫體密度與厚度的變化規律。張行[30]等采用有限元法，建立了單皮碗的二維軸對稱模型，計算并分析了密封皮碗過盈量、夾持皮碗半徑及密封皮碗厚度對密封皮碗接觸應力和彎曲應力的影響。曹宇光[31]等基于有限元軟件 ANSYS 建立清管器與管道的 3 維有限元模型，進行數值模擬，分析了清管器接觸應力分布對泡沫密度、管道橢圓度、清管器過盈量、管壁摩擦等因素的影響，得到清管器接觸應力的規律。

整體上說，當前我國的管道刮洗裝置及其理論研究處于發展階段，受刮洗對象及其設備影響，刮洗的特點不盡相同；刮洗受管壁不同附著物影響，其相關的流動理論、刮削理論等仍存在不足，而深水的復雜環境因素使得海上導管內刮洗與常規的管道刮洗差異性更大[32]。

3 結論與認識

海上導管清管是一項涉及無機和有機物質刮除、表面清洗、管道保護以及防堵風險防控的系統性工作，相關研究的主要目標是清除管壁表面的附著物、降低管道附著物對油氣井后續工作的影響。盡管目前國內外市場已經有各種形式的清管器，但是隨著海底管道的復雜程度以及清管工作要求的日益提高，現有的深水導管內刮洗裝置仍然存在一些技術上的問題，從而導致市場難以完全認可接受各種清管器，主要存在的問題如下：

1）深水導管管壁的附著物組成復雜，附著物厚度和強度變化大，刮洗工具的作業要求高。由于深水導管內壁附著物種類多、析出物組分受內外環境影響大，導致管壁附著物的厚度和強度變化大；現有的工具主要基于單一厚度和強度進行刮洗，因此目前刮管不干凈導致防砂管柱下入遇阻，嚴重影響刮管效率。

2）受流體組分、流動參數、溫壓場等變化影響，導管內壁附著物厚度和強度變化大，在原有內徑影響下，深水導管的管壁清洗涉及尺寸變化廣，需進行多次刮管作業。當前，缺少適用于多管徑、復雜內徑的刮削裝置。

3）油氣井管柱受鉆井液、完井液、生產油氣及地層復雜產物影響，管壁附著的沉積物幾何和物理特性難以精確描述，導管刮削理論分析還需結合沉積物的流變特性、物理性質、力學理論等進行，但當前鮮有綜合沉積物流動特性和切割力學的導管清洗理論。

除上述問題外，當前刮管器還存在刮削作業標準不統一、缺少刮削清洗壁面要求準則、復雜流體流變理論不足等問題。后續研究，可圍繞上述問題，進一步在刮管器理論建模、數值模擬、數值仿真、仿真計算等基礎上，結合實驗以及所有的理論基礎對刮管器進行深入研究。

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Research and Development of Internal Scraping Device in Deepwater Casing

1,1,1,2*,1,1,1

（1. College of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou Hubei 434023, China;2. Hubei Engineering Research Center for Oil & Gas Drilling and Completion Tools, Jingzhou Hubei 434023, China）

Pipe scraping device is widely used in oil drilling technology, which is mainly used for pipe wall scraping, attachment removal, chemical cleaning of oil and gas well string. Based on the current development of offshore oil and gas pipeline cleaning device and the investigation of current pipe scraping device (scrapers & pigs) at home and abroad, the working principle and structural characteristics of traditional pipe scraping device were analyzed. At the same time, through the research comparison in the field of scraper at home and abroad, the types and research results of scraper and pig widely used in the market at home and abroad were analyzed. The shortcomings and development direction of pipe scraping device in deepwater casing were put forward. The paper can lay a certain foundation for the follow-up development of internal scraping device in deepwater casing.

Deepwater casing；Scraping device；Attachment；Structural analysis; Numerical simulation

TE832.3

A

1004-0935（2022）04-0486-05

湖北省自然科學基金(青年項目)（項目編號：ZRMS 2021001482）；長江大學2020年大學生創新創業計劃項目（項目編號：Yz2020122）。

2021-09-16

周展鵬（2001-），男，湖北省隨州市人，研究方向：機械設計與石油裝備。

孫巧雷（1990-），男，講師，博士，碩士生導師，研究方向：海洋油氣裝備設計與仿真、管柱力學、油氣鉆完井工具設計開發與診斷等方面的教學與研究工作。