一體式交替沖砂切割工具的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉禹銘 ，柴希偉，郝宙正， 徐勇軍，王永康

1 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)處 3 中國(guó)石油西部鉆探公司吐哈井下作業(yè)公司

0 引言

渤海地區(qū)大多數(shù)油田儲(chǔ)層疏松，開(kāi)采時(shí)常伴有出砂現(xiàn)象[1]。因此，海上油井多采用礫石充填工藝防砂。但在開(kāi)發(fā)3～5年后，防砂篩管由于地層出砂、腐蝕導(dǎo)致破損出砂，影響油井生產(chǎn)。經(jīng)調(diào)研，每年渤海油田因篩管破損出砂影響油井生產(chǎn)的井次30余口，為保障油井產(chǎn)量，需要進(jìn)行修井作業(yè)。

渤海油田大修井在打撈切割過(guò)程中，存在沉砂或間歇性出砂的問(wèn)題，所以切割作業(yè)前需單獨(dú)下一趟沖砂管柱，使井底沉砂沖洗出井，方便切割。現(xiàn)有打撈切割工藝需要下兩趟鉆，作業(yè)周期長(zhǎng)，成本高。為提高作業(yè)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(shí)現(xiàn)了一趟管柱完成通井沖砂和水力切割兩項(xiàng)作業(yè)，將平均切割作業(yè)時(shí)間由15 h/1 000 m下降至9.8 h/1 000 m，時(shí)間節(jié)省35%。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

一體式交替沖砂切割工具(以下簡(jiǎn)稱“一體式工具”)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，該工具主要由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)、割刀機(jī)構(gòu)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(dǎo)向銷；8.卡簧；9.“O”型圈；10.噴嘴；11.浮動(dòng)活塞芯軸；12.止動(dòng)環(huán)；13.浮動(dòng)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(hù)套卡簧；21.噴嘴保護(hù)套；22.導(dǎo)向塊；23.導(dǎo)向塊固定銷釘；24.底部止動(dòng)環(huán)；25.底部定位螺栓；26.固定銷釘。

1.1.1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

動(dòng)力機(jī)構(gòu)由噴嘴、浮動(dòng)活塞芯軸、止動(dòng)環(huán)及浮動(dòng)活塞下部頭組成。噴嘴通過(guò)卡簧固定在浮動(dòng)活塞芯軸內(nèi)部，浮動(dòng)活塞芯軸與止動(dòng)環(huán)通過(guò)螺紋連接，止動(dòng)環(huán)可以前后調(diào)整位置，浮動(dòng)活塞下部頭通過(guò)螺紋連接在浮動(dòng)活塞芯軸下端，如圖2所示。

圖2 動(dòng)力機(jī)構(gòu)示意圖

1.1.2 換向機(jī)構(gòu)

換向機(jī)構(gòu)主要由芯軸、導(dǎo)向銷、推力軸承、彈簧、皮碗組成，其中導(dǎo)向銷與芯軸上的導(dǎo)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(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 換向機(jī)構(gòu)示意圖

1.1.3 割刀機(jī)構(gòu)

割刀模塊主要由導(dǎo)向塊和刀片組成，導(dǎo)向塊安裝在芯軸上，刀片安裝在外筒上，導(dǎo)向塊起到支撐刀片張開(kāi)的作用。結(jié)構(gòu)示意圖如4所示。

圖4 割刀機(jī)構(gòu)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(kāi)泵，通過(guò)泵壓判斷工具所處的模式，即切割模式或沖砂模式。開(kāi)泵時(shí)，液體通過(guò)噴嘴產(chǎn)生壓降，在壓力作用下動(dòng)力機(jī)構(gòu)整體下移，浮動(dòng)活塞與芯軸上端面接觸，形成密封，從而推動(dòng)芯軸下移。此時(shí)，換向機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)向銷相對(duì)于芯軸沿著導(dǎo)向軌道上移，即進(jìn)入長(zhǎng)軌道。當(dāng)停泵后，壓降消失，芯軸在彈簧力的作用下上移復(fù)位，導(dǎo)向銷則沿著導(dǎo)軌進(jìn)入短軌道。經(jīng)過(guò)一次開(kāi)關(guān)泵，芯軸可旋轉(zhuǎn)60°，從而實(shí)現(xiàn)模式切換。利用換向機(jī)構(gòu)，芯軸下移的同時(shí)可旋轉(zhuǎn)，使得沖砂和切割模式可以交替循環(huán)。當(dāng)芯軸下移，割刀機(jī)構(gòu)中導(dǎo)向塊正對(duì)刀片時(shí)，可撐起刀片進(jìn)行切割作業(yè)，即切割模式，如圖 5所示。又因兩組導(dǎo)向塊之間有間隙，當(dāng)間隙正對(duì)刀片時(shí)，刀片張不開(kāi)，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(guān)鍵工藝參數(shù)計(jì)算

2.1 沖砂水力學(xué)參數(shù)計(jì)算

對(duì)砂粒沉降速度、最低排量、壓降3個(gè)參數(shù)進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算[2]，可為后續(xù)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

2.1.1 砂粒沉降速度計(jì)算

計(jì)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(jì)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(guān)，計(jì)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(shù)，雷諾數(shù)在500～100 000之間時(shí)取0.5。

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

(2)

式中：v2—環(huán)空止動(dòng)返速，m/s；δ—環(huán)空流核寬度，m；r1、r2—環(huán)空外、內(nèi)半徑，m；τ0—沖砂液靜切應(yīng)力，Pa；K—沖砂液稠度系數(shù)，Pa·sn；n—流性指數(shù)。

水平段砂粒一定條件下基本保持動(dòng)平衡的狀態(tài)，若返出，需要應(yīng)用水力學(xué)中的泥沙瞬時(shí)啟動(dòng)流速來(lái)確定砂粒的沉降末速。計(jì)算公式為[5]：

(3)

2.1.2 最低排量計(jì)算

利用砂粒的沉降速度與沖砂液上返流動(dòng)時(shí)的最大截面積，可計(jì)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(shí)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(jì)算

獲得最低排量后，可根據(jù)芯軸的內(nèi)徑大小計(jì)算出沖砂時(shí)的壓降，即泵壓。

(5)

式中：p—壓降，MPa；An—芯軸內(nèi)徑的截面積，mm2。

同時(shí)，通過(guò)上述數(shù)學(xué)公式也可以計(jì)算得出切割模式下，不同噴嘴大小所對(duì)應(yīng)的壓降，以便于通過(guò)泵壓判定割刀處以何種模式，也可判定套管是否割開(kāi)。

2.2 切割扭矩計(jì)算

2.2.1 切割套管扭矩計(jì)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(shù)；Ff—圓周切削力，kN；R—套管切斷時(shí)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(zhì)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(jìn)給量，可取0.12～0.2 mm；Z—硬質(zhì)合金切削刃個(gè)數(shù)。

2.2.2 切割扭矩計(jì)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(qū)動(dòng)扭矩，N·m；M1—修井液阻力扭矩，N·m；M2—刀具切割套管產(chǎn)生的扭矩，N·m；M3—慣性扭矩，N·m。

修井液阻力扭矩計(jì)算公式為[10]：

M1=43 925.4CρgD2L×10-9

(8)

式中：C—井斜系數(shù)，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(jì)算公式為：

M3=

(9)

刀具切割扭矩產(chǎn)生的扭矩M2通過(guò)式(6)計(jì)算獲得，因此可以計(jì)算得出井口驅(qū)動(dòng)扭矩M。通過(guò)上述公式計(jì)算，可為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持，方便現(xiàn)場(chǎng)工程師判定套管是否切割完成。

3 試驗(yàn)井測(cè)試

一體式工具在實(shí)驗(yàn)室功能性測(cè)試取得成功后，于2022年4月，在中國(guó)海油試驗(yàn)基地JJSY- 3H井進(jìn)行了井下測(cè)試，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，成功完成了連續(xù)沖砂切割作業(yè)。

3.1 換向功能驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)井設(shè)備，將一體式工具下放至距離套管接箍頂端10 cm處。開(kāi)泵正循環(huán)，并以12 m3/h排量遞增。通過(guò)理論計(jì)算噴嘴選用10 mm規(guī)格，切割模式狀態(tài)下，排量24 m3/h時(shí)刀片開(kāi)啟，沖砂模式時(shí)，刀片不開(kāi)啟。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)排量遞增至24 m3/h時(shí)，泵壓4.5 MPa，刀片開(kāi)啟。停泵并泄壓，刀片轉(zhuǎn)換為沖砂狀態(tài)，排量再次遞增至24 m3/h時(shí)，泵壓1.5 MPa，刀片未見(jiàn)開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)四輪次切割、沖砂狀態(tài)轉(zhuǎn)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(wěn)定性。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 換向測(cè)試結(jié)果

3.2 切割功能驗(yàn)證

在JJSY- 3H試驗(yàn)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(biāo)切割點(diǎn)550 m。一體式工具通過(guò)鉆桿下入至切割位置，并接頂驅(qū)。

通過(guò)文中建立的力學(xué)參數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算出切割點(diǎn)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(nèi)徑14 mm，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 壓降值理論值計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出兩種模式下泵壓有明顯差異，可根據(jù)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(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)，因此無(wú)扭矩。只計(jì)算切割模式下理論井口扭矩即可。

根據(jù)表2中計(jì)算結(jié)果，開(kāi)始切割測(cè)試。當(dāng)排量增大至24 m3/h時(shí)，泵壓1.2 MPa，按照理論計(jì)算結(jié)果表明工具處以沖砂模式，繼續(xù)增大排量，泵壓持續(xù)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(dāng)排量至24 m3/h時(shí)，泵壓4.6 MPa，按照理論計(jì)算結(jié)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(guān)系曲線與實(shí)測(cè)曲線基本吻合。

圖7 不同排量下兩種模式理論泵壓與實(shí)測(cè)泵壓數(shù)據(jù)對(duì)比

割刀調(diào)整至切割模式，并將排量保持在24 m3/h。轉(zhuǎn)速以10 r/min的增速逐步提高，記錄扭矩、泵壓數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速提高至50 r/min時(shí)并保持，記錄扭矩和泵壓變化。切割開(kāi)始后5 min，扭矩由4.5 kN·m下降至1.1 kN·m，此時(shí)泵壓由4.6 MPa下降至1.2 MPa，說(shuō)明套管已切開(kāi)，從圖8可以觀察套管切割后的斷口比較平整，無(wú)條狀金屬絲及碎塊。

圖8 防砂管柱切割后的斷口

通過(guò)試驗(yàn)井測(cè)試，驗(yàn)證了力學(xué)技術(shù)參數(shù)與實(shí)測(cè)參數(shù)高度吻合，成功完成了?139.7 mm套管連續(xù)沖砂切割作業(yè)，證明一體式工具的可靠性、穩(wěn)定性，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用提供了可靠的參考和數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

(1)本文研制的一體式工具實(shí)現(xiàn)了一趟管柱完成沖砂、切割連續(xù)作業(yè)，且交替循環(huán)，縮短了作業(yè)周期和減少了作業(yè)成本。

(2)通過(guò)文中建立的水力學(xué)參數(shù)和切割扭矩的公式，可以計(jì)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(tài)；井口扭矩與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系；泵壓與噴嘴、鉆井液密度及排量有關(guān)。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了一體式工具性能的穩(wěn)定性。實(shí)測(cè)泵壓、扭矩等水力學(xué)參數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，確認(rèn)了數(shù)學(xué)方程的準(zhǔn)確性。

(4)此款一體化工具適用于?139.7 mm套管的切割作業(yè)，可提高作業(yè)效率35%，節(jié)約成本50%。可為后續(xù)海上高效修井作業(yè)提供技術(shù)保障。