含疏砂槽結構的裸眼封隔器減阻效果實驗

李子豐 宋廣明 楊軍偉 張超越

燕山大學石油工程研究所

0 引言

在裸眼水平井中下入多封隔器套管柱，已經越來越廣泛地被應用于油氣田的完井作業中，尤其是在油氣田進行水平井裸眼完井分段壓裂時，裸眼封隔器的應用較多[1-4]。當封隔器隨套管柱下入裸眼水平井時：①與井壁巖屑床直接接觸，產生摩擦阻力；②巖屑堆積在其前方，并隨著下入深度的增加而增多，從而導致下入阻力增大，甚至發生砂卡；③封隔器的膠筒被巖屑磨損得比較嚴重，影響其坐封性能。目前國內外對于封隔器的研究工作大多集中于坐封性能的改善和下入封隔器管柱力學分析等方面[5-11]，而對于減小巖屑床摩阻力的研究尚不充分。

筆者通過實驗模擬裸眼水平井中下入封隔器的過程，研究巖屑床對封隔器下入過程的影響，對原有封隔器的結構進行改進，設計了既能疏導巖屑、減少下入阻力，又能減少膠筒磨損的疏砂槽結構；通過實驗驗證應用于裸眼封隔器的疏砂槽結構的疏砂效果，并對其相關結構參數進行了初步研究[12]。

1 巖屑床對封隔器摩阻力影響實驗

1.1 水平井下入封隔器模擬實驗裝置與實驗流程

為了研究巖屑床對封隔器下入時的影響，參考井下工況[13-14]，設計并加工了水平井下入封隔器模擬實驗裝置。該實驗臺以有機玻璃管模擬井筒，石英砂模擬巖屑，并可加入水等液體模擬鉆井液。實驗現場及裝置設計圖如圖1所示。

圖1 實驗現場及裝置設計圖

實驗流程大致為：底座上兩端安裝“U”形槽，且將有機玻璃管兩端分別裝入“U”形槽并密封。將石英砂倒入有機玻璃管中并使其均勻分布，打開減速電機，使其以固定轉速旋轉，通過鋼絲繩拖動封隔器模型在水平方向勻速移動。封隔器模型一端連接拉力傳感器，測量其運動過程中所受拉力大小，所得數據輸出到計算機進行處理。搖柄可在關閉電機后將封隔器模型牽引回位，方便進行下一次實驗。

1.2 實驗參數及測量結果

在進行管柱下放施工時，水平井眼中的巖屑量一般比較少，根據實驗裝置大小，加入了適量石英砂。主要實驗參數如表1所示。

表1 摩阻力測量實驗模擬主要參數表

依據表1中的石英砂粒度、加砂量設計了4次模擬實驗，圖2為實驗效果圖，圖3為實驗所測得的結果。

圖2 普通封隔器模型實驗效果照片

圖3橫坐標為封隔器模型滑動距離，縱坐標為所受摩阻力，藍色虛線為采集的數據，黑色實線為回歸的對數趨勢線。因在電機起動后短時間內，封隔器模型向前運動不穩定，故分析所用的數據從位移為0.1 m開始。由圖3可知，①摩阻力隨著位移的增加而增大；②摩阻力隨加砂量的增加而增大（分別對比圖3-a與圖3-b、圖3-c與圖3-d），且砂子粒度對摩阻力增長的影響不大（分別對比圖3-a與圖3-c、圖3-b與圖3-d）。在圖3-b中出現了跳躍點，其原因是，隨著封隔器的移動，石英砂不斷堆積在其前方，形成小砂堆，如圖2所示；由于砂堆的支撐作用，會使封隔器與“井壁”上部接觸，造成摩阻力的急劇增大，進而發生砂卡，圖2中可以看出封隔器模型前方被砂堆抬起與上壁接觸，且有砂子卡在其間。

圖3 普通封隔器模型所受摩阻力隨移動距離變化曲線圖

2 疏砂槽結構設計及性能試驗

2.1 疏砂槽結構設計

為了解決上述問題，在原有封隔器結構的基礎上，在其外表面添加了疏砂槽結構[15]，圖4為含疏砂槽的封隔器結構示意圖。圖4中上下疏砂槽深度相同，上下凸棱的外徑相同且大于膠筒外徑。

圖4 含疏砂槽的封隔器結構示意圖

在裸眼封隔器外表面添加疏砂槽結構與原有裸眼封隔器相比：①封隔器在井筒內做軸向運動時，位于井底的砂子、巖屑可以從疏砂槽流過，而不會堆積在其前方；②疏砂結構的凸棱外徑大于膠筒的外徑，由于疏砂結構的支撐作用，砂子、巖屑可以從膠筒與井壁的間隙處通過，減小對膠筒造成的磨損。且疏砂結構與膠筒相隔一定距離，不影響膠筒的工作性能。

2.2 含疏砂槽的封隔器性能實驗

結合裸眼水平井工況，對疏砂結構進行初步設計：①凸棱寬度不能太小，以防破壞井壁；②為保證含封隔器的管柱能順利下入，盡量減小疏砂結構的外徑，即凸棱不能太高；③槽的寬度直接影響砂子、巖屑的通過性。

為驗證含疏砂槽結構的封隔器的疏砂減阻效果，選取3種不同槽數且凸棱寬度相同的模型進行摩阻力實驗，并與前述封隔器模型的實驗結果相對比。參考實驗模擬裝置尺寸，制作的3個模型部分尺寸和其他實驗參數與表1相同，模型其他參數如表2所示，其中將本文1.2節所述無疏砂槽結構的封隔器模型編號為C0。

表2 疏砂槽效果實驗主要參數表

圖5為模型C5下入水平井模擬實驗。通過觀察可以發現，含疏砂槽封隔器模型在行進中，石英砂不會大量堆積在其前方，并且實驗過程中沒有出現砂卡現象。對比前述無疏砂槽的封隔器模型模擬實驗，其疏砂效果顯著。

圖5 含疏砂槽封隔器模型實驗效果照片

圖6為4種封隔器模型摩阻力的數據對比，所示曲線均為測得摩阻力的回歸對數趨勢線。圖6-a顯示當砂子粒度介于12～20目，加砂量為50 mL時，C5和C6模型所受摩阻力較小，且二者沒有明顯差別；圖6-c顯示當砂子粒度介于50～100目，加砂量為50 mL時，C5和C6模型所受摩阻力相近，在4個模型中較小；圖6-b和6-d顯示當加砂量為100 mL，砂子粒度分別為12～20目和50～100目時，C5模型所受摩阻力最小。

綜合上述實驗結果進行分析，可以看出，①含疏砂槽的封隔器相比普通封隔器能明顯減少所受摩擦阻力；②在本實驗條件下，當封隔器有5個疏砂槽時，所受摩阻力最小，即疏砂效果較好。相關結構參數，如槽數、槽寬、槽深、槽長等還需要在室內以及工程現場進行深入的理論和實驗研究。

分析其原因：開槽數過少時，凸棱對封隔器的支撐效果不明顯，槽雖較寬，但槽底與井壁間可能形成較小間隙（如圖7所示，疏砂封隔器槽底與下部井壁形成的間隙從左到右依次增大），造成疏砂效果并不明顯，甚至增加摩阻力，如圖6-c所示；開槽數量過多時，槽較窄，對砂子和巖屑通過性的改善效果不明顯，如圖6-d所示。

圖6 4種模型所受摩阻力與移動距離變化曲線圖

圖7 3種槽數疏砂封隔器在井筒內位置截面示意圖

3 結論

1）在裸眼水平井中，封隔器下入時，隨著位移的增加，其所受摩阻力呈增大趨勢，且巖屑量越多摩阻力越大。

2）封隔器含疏砂槽結構能有效減少其下入裸眼水平井時所受的摩擦阻力，并能減輕膠筒磨損。

3）在模擬實驗條件下，具有5個疏砂槽的封隔器疏砂減阻效果較好。相關結構需要進一步研究。