可變徑刮管器的評價及應用

葛俊瑞，李三喜，李舜水，邢洪憲

1.中海石油（中國）有限公司上海分公司 （上海 200335）

2.中海油能源發展股份有限公司工程技術公司 （天津 300456）

套管內壁清潔是井筒內環境良好的重要基礎，是套管內作業的安全保障，尤其在完井作業中對工作液清潔、管柱下入摩阻、封隔器密封、鋼絲作業、儲層保護等有重要影響。通常完井作業的第1步是刮管洗井，根據井下套管型號采用對應尺寸的刮管器進行套管刮削，主要清除套管內壁上的殘余水泥、泥塊和軋制中產生的毛刺、鱗片、管內防砂射孔時鑲在管壁上的毛刺以及生產井套管上的鐵銹、水垢、硬石蠟等影響正常施工作業的雜物[1-5]。海上油氣田常用的生產套管為Φ244.5 mm套管或Φ177.8 mm尾管，分別下入2趟管柱，對2層套管刮削[6-10]，效果較好但作業時間長。若采用1趟管柱攜帶2種尺寸的刮管器，雖然能夠節省時間，但2個不同尺寸的刮管器同時入井風險較大。

為了有效地提高刮管洗井效率，綜合2種方式的優缺點，設計了新型可變徑刮管器，實現套管尺寸全覆蓋。在刮削完Φ244.5 mm套管后，施加壓力使刀片收縮，繼續刮削Φ177.8 mm尾管，達到1趟管柱刮削2層套管的目標。

1 可變徑刮管器設計

1.1 工具結構

可變徑刮管器主要由短節、扶正套、刮刀片、板簧、固定銷釘、芯軸組成（圖1），通過板簧的壓縮實現刀片的收回，適應套管尺寸。

圖1 可變徑刮管器結構

1.2 工作原理

將可變徑刮管器安裝在刮管管柱上，當進入Φ244.5 mm套管中，板簧處于微量壓縮狀態，刮刀片刮削套管內壁；當刮管器進入Φ177.8 mm套管中，套管內壁對板簧造成徑向壓縮，刮刀片隨之向內收縮，從而適應套管內徑，達到1趟管柱刮削清洗多層套管的目的。

1.3 部件設計

1.3.1 刮刀片數量

為了解決刮管器的尺寸適應問題，研制了可變徑環形剃刀刮刀片，通過板簧的壓縮實現刀片的收回。以1趟管柱清潔Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm套管為設計依據，刮刀片采用2組刀片、每組10片的環形分布，在Φ177.8 mm套管內1組刀片即可實現360°全周向覆蓋，在Φ244.5 mm套管內上下2組刀片交疊5°，可實現全周向覆蓋刮管。

1.3.2 刮刀片結構及材質

刮刀片兩端大角度倒角，避免遇阻，材質優選20CrMnMo，表面滲氮處理、切削能力好、心部韌性好。

1.3.3 部件連接方式

刮刀片與板簧連接采用“燕尾槽+固定銷+彈性擋圈”的固定形式，燕尾槽承受剪切應力。每個刮刀片由2個固定銷釘及彈性擋圈固定，銷釘外徑17 mm，單個抗剪力6.8 t，密封圈耐溫180℃。

芯軸與上下短節采用螺紋連接，扶正套位于芯軸上下，處于自由活動，實現刮管器入井過程中的通暢。

整體連接結構牢固可靠，實現良好的抗拉、抗扭、抗高溫性能，滿足高溫高壓深井的使用要求。

可變徑刮管器的具體技術參數及主要特點見表1。

表1 可變徑刮管器的具體技術參數及主要特點

2 室內工具性能測試

2.1 板簧力學性能測試

可變徑刮管器主要利用板簧的壓縮適應不同套管尺寸，板簧材質為65Mn彈簧鋼。室內對批量加工的板簧抽檢8支，利用壓力測試儀測試板簧壓縮位移與壓縮力的關系，實驗板簧如圖2所示。

圖2 板簧壓縮位移與壓縮力測試

本次設計的刮管器主要用于Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm尾管，外徑相差66.7 mm。考慮不同壁厚的套管類型內徑相差不同，單個板簧最大壓縮位移不大于35 mm，實驗考慮1.5倍的安全系數，以壓縮量50 mm進行測試分析，結果見表2。當壓縮位移達到50 mm時，平均壓縮力為1.36 kN。室內壓縮板簧并保持24 h后，檢測抗疲勞性能，反復實驗150次，未發生變形現象。

表2 板簧壓縮位移與壓縮力的實驗數據

2.2 套管刮削效果測試

室內共進行了4組實驗：單組刮刀片Φ244.5 mm套管通過性及刮削效果實驗；單組刮刀片Φ177.8 mm套管通過性及刮削效果實驗；單組刮刀片Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm套管變扣通過性實驗；完整刮管器Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm套管整體通過性及刮削效果實驗。使用的Φ244.5 mm套管實測內徑為220.5 mm，Φ177.8 mm套管實測內徑為158 mm，變扣實測最小內徑為153 mm。4組實驗通過套管順利，無明顯遇阻現象，套管刮削效果良好，實驗效果如圖3所示。

2.3 套管內操作測試

通過室內測試架在平面上對可變徑刮管器與套管作用力進行了實驗評價，測試通過Φ244.5 mm套管、Φ177.8 mm套管時的壓入力、摩擦力。實驗步驟為：①將Φ244.5 mm套管固定在測試架上；②將刮管器一段與測試臺連接，并將另一段放入套管；③啟動測試臺，推動刮管器完全進入套管，并從傳感器上記錄最大推入力；④將刮管器完全拉出套管，并從傳感器上記錄最大拉出力；⑤重復以上步驟3次，記錄相關數據；⑥對7套管重復以上步驟。實驗數據見表3。在Φ244.5 mm套管中，推入力為0.5～0.6 t，推入后摩擦力為0.2～0.3 t，拉出摩擦力為0.2 t；在Φ177.8 mm套管中，推入力為2.2～2.3 t，推入后摩擦力為0.4～0.5 t，拉出摩擦力為0.4～0.5 t。

圖3 套管刮削效果對比

表3 可變徑刮管器與套管作用力實驗數據 /t

3 試驗井綜合評價

通過試驗井模擬現場施工過程，測試可變徑刮管器1趟管柱完成Φ244.5 mm及Φ177.8 mm套管的刮管作業。通過測量記錄關鍵位置的各項參數、觀察對比工具內外狀態，記錄操作鉆壓、上提下放懸重等試驗參數，綜合評價工具性能。

試驗井井身結構為Φ477.5 mm表層套管×152.50 m+339.7 mm（1338″）套管×1 502.00 m+Φ244.5 mm套管×（1 348.32～2 120.00 m）。首先在試驗井中依次下入177.8 mm（7"）與244.5 mm（958"）套管柱，由下至上為：177.8 mm（7"）套管盲堵 +177.8 mm（7"）BTC套管×11根+變扣+244.5 mm（958"）BTC套管×10根。根據海上目標井井況，變扣內部加工有左旋方扣，模擬尾管懸掛器脫手部件，驗證刮管器通過尾管懸掛器能力。共進行了3組管柱組合試驗，進行多類施工參數對比，具體試驗數據見表4。

通過驗證，可變徑刮管器可滿足Φ244.5 mm和Φ177.8 mm 2種套管同時刮削。通過性良好，整個管柱可旋轉作業，刮管器刮刀片組相對于套管不轉動，上下滑動刮削套管內壁，刮刀片兩端大角度倒角，降低卡鉆風險，刀片與板簧連接可靠。

4 應用效果

可變徑刮管器已在海上油氣田成功應用2口井，能夠明顯提高多層套管刮削效率，減少工程費用。下面以某區塊開發井A2井為例介紹應用過程及效果。

4.1 基本數據

A2井是一口定向井，井眼軌跡見表5。Φ244.5 mm套管為組合形式：1Cr-L80×47ppf×3 218.1 m+13Cr-L80×53.5ppf×913.8 m，Φ177.8 mm 尾管為 13Cr-P110×29ppf×（3 893.56～4 723.94 m）。該井采用套管內射孔完井、分層開發，射孔前、射孔后分別對Φ244.5 mm套管、Φ177.8 mm尾管進行刮管作業，若每層套管采用對應尺寸的刮管器刮削，共計需要4趟刮削作業。本井采用可變徑刮管器1趟完成2層套管同時刮削作業，共計2趟完成。

表4 可變徑刮管器在試驗井的綜合評價數據

4.2 施工過程

施工前對工具進行檢查保養，測量工具關鍵部件外徑，包括上下扶正套、花鍵套、環形刮刀片，實際測量尺寸與理論尺寸差距大于3 mm則需更換部件，確認刮刀片狀態及旋轉正常。2趟刮管洗井作業均采用可變徑刮管器管柱組合：牙輪鉆頭+變扣+可變徑刮管器+Φ88.9 mm鉆桿+變扣+Φ139.7 mm鉆桿。為了確保現場試驗的安全性，控制管柱下入速度在50 m/min以內，刮管期間旋轉速度在40 r/min以內，實際操作步驟如下。

1）第1趟刮管洗井：管柱進入177.8 mm（7"）尾管前測量上提、下放懸重為166 t、124 t，可變徑刮管器進入177.8 mm（7"）尾管順利，無明顯懸重變化；探底后上提管柱10 m，進行大排量正循環海水洗井，排量1.50～2.40 m3/min，泵壓19.03～22.07 MPa；隨后替入1.10 g/cm3完井液，起鉆，射孔作業。

2）第2趟刮管洗井：管柱結構與第1趟保持一致，177.8 mm（7"）尾管前測量上提、下放懸重為186 t、112 t，順利進入Φ177.8 mm尾管，懸重基本無變化，循環洗井期間排量2.10～2.27 m3/min，泵壓17.52～20.06 MPa。

表5 某區塊A2井井眼軌跡

4.3 應用效果

可變徑刮管器在入井2次后，刮刀片與板簧正常，外徑基本無變化，無形變。Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm尾管刮管作業安全順利，改善了套管內壁及井筒清潔條件，保障了射孔管柱、生產管柱的順利下入，封隔器坐封后，密封狀況良好。與同類井相比刮管洗井作業效率大幅提升（表6），常規刮管器需要下2趟管柱分別刮削2層套管，該工具采用1趟管柱即可完成，單井效率提高40%以上。

表6 可變徑刮管器與常規刮管器效率對比

5 結論

1）可變徑刮管器能夠實現多種套管的同時刮削，大幅提高套管刮削清潔效率。

2）板簧的力學性能對可變徑刮管器的刮削效果、操作性能具有關鍵作用，影響工具的通過性、可靠性、耐用性。

3）通過試驗井評價、現場實踐應用證明，可變徑刮管器有效簡化了刮管程序，刮管效果良好，滿足施工要求。