機械式井下沖孔技術研究

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

海上油氣田開發(fā)進入中后期，由于結蠟、結垢、出砂等原因導致井眼連通性越來越差，低產(chǎn)低效井日益增多，如何提高滲透率成為老井煥發(fā)生機的關鍵[1]。徑向沖孔解堵技術利用機械機構對套管進行開孔，通過高壓水射流對地層進行沖擊，實現(xiàn)地層與井筒之間的有效連通，與徑向水平井鉆井技術相類似[2]。套管開孔方面，國外相關技術公司都進行了深入研究，如美國貝克公司利用磨銑方式進行開窗；RDS公司利用井下馬達驅動合金鉆頭開窗[3]。國內如中國石油大學、江漢機械研究所等在套管開窗技術上也進行了相關研究，如利用旋轉射流噴嘴代替合金鉆頭來進行套管開窗等[4-8]。此外，中國石油大學(華東)楊永印教授也提出了利用杠桿原理，通過機械方式在不擴孔的情況下一次性完成開窗及鉆進的技術方案[9-10]。筆者針對套管開孔，對機械式井下沖孔技術進行了系統(tǒng)研究，設計具有套管開孔功能的機械沖孔工具，并利用有限元分析和室內試驗等方式對其進行了驗證。

1 技術原理及優(yōu)勢

1.1 沖孔技術原理

常規(guī)井下徑向鉆井技術至少需要作業(yè)工具2次起下鉆才能完成1次開孔作業(yè)。與常規(guī)井下徑向鉆井技術不同，機械式井下沖孔技術利用液壓通過機械沖頂進行開孔，并實現(xiàn)了一次下井多次開孔的目的。機械沖孔工具主要包括縱向活塞推進機構、橫向沖孔錐沖頂機構、復位彈簧回收機構等部分。整個工作過程以液壓作為動力，當工具下放到開孔位置時，錨定器將工具固定，高壓流體進入到工具內部，推動縱向推進活塞上行，產(chǎn)生的推力傳遞到橫向沖頂機構的沖孔錐并最終作用在套管上，沖孔錐頂穿套管完成開孔作業(yè)。當停泵時，縱向推進機構受復位彈簧反作用而開始沿原路徑向下恢復到原位，通過連桿杠桿作用，沖孔錐受中心拉力而回收復位，單次沖孔作業(yè)結束。上移管柱至下一個預定開孔位置，重復上述步驟，便可再次進行套管開孔作業(yè)。工具原理圖和三維示意圖如1～3所示。

1—上接頭；2—復位彈簧；3—定位針；4—推壓座；5—推力活塞；6—工具本體；7—沖孔錐臂；8—轉動銷；9—沖孔錐;10—液壓缸套。 圖1 機械沖孔工具結構原理

圖2 初始工作狀態(tài)三維原理示意

圖3 頂穿套管工作狀態(tài)三維原理示意

1.2 工藝優(yōu)勢

本文所設計的機械式井下沖孔技術在套管開孔方式及施工程序方面較之前的常規(guī)徑向鉆井工藝相比有明顯差異。一方面，該技術無需下入鉆管和轉向器，1次下井，即可實現(xiàn)套管在不同深度與方位精確開孔；另一方面，省去了段銑與擴孔作業(yè)，降低了施工成本與復雜程度。與其他模式的套管開窗方式相比，具有如下優(yōu)勢：

1) 通過液壓沖頂方式開孔，實現(xiàn)起來比較方便，機構簡單。

2) 沖孔直徑大于10 mm，可達到套管微開孔目的。

3) 1次下井可對多個目標位置實現(xiàn)連續(xù)沖孔，作業(yè)效率高。

4) 不需要下入鉆管和轉向器，提高了工作效率。

2 套管沖孔過程有限元分析

2.1 仿真模型及材料參數(shù)

以鋼級N80外徑139.7 mm套管為例進行沖孔模擬分析，求解沖孔套管所需的最大力。套管參數(shù)如表1所示[11]。

表1 套管參數(shù)

沖孔過程是一個接觸非線性碰撞，整個過程中套管發(fā)生較大塑性變形直至斷裂破壞，而沖孔錐不發(fā)生塑性變化，故將沖孔錐定義為接觸問題中的剛體部分，套管定義為柔體，分析沖孔過程中發(fā)生的塑性變形和材料失效斷裂。已知沖孔錐材料為Cr12MoV，刃角80°， 彈性模量設置為E=210 GPa。套管鋼級為N80，屈服強度為552～758 MPa，最小抗拉強度689.48 MPa。采取六面體結構劃分形式對套管模型進行網(wǎng)格劃分。建立套管沖孔模型如圖4所示[12]。

圖4 套管沖孔三維模型

2.2 有限元仿真結果[13-16]

套管沖孔過程中沖孔等效應力如圖5所示。

圖5 套管沖孔等效應力分布

圖5a為套管未經(jīng)沖孔時的狀態(tài)剖視圖，從此狀態(tài)以后，沖孔錐與套管接觸并開始沖孔。圖5b中套管內部呈現(xiàn)出不同的應力值，其中沖孔錐刃部與套管接觸處位置出現(xiàn)應力集中，應力值迅速上升，沖壓區(qū)外部應力值較大，但不是最大應力值所在位置，最大應力值發(fā)生在管內與沖孔錐接觸部位；圖5c中隨著沖壓部分等效應力值繼續(xù)升高，應力集中處套管產(chǎn)生變形，等效應力大于屈服強度的區(qū)域產(chǎn)生嚴重的塑性流動。圖5d中等效應力值超出材料的破壞強度，沖孔錐頂穿套管，此時等效應力值最大為749.2 MPa，主要發(fā)生在裂口邊緣處，隨著沖孔錐行程加大，裂口有繼續(xù)擴散的可能。

套管沖孔過程中沖孔主應變如圖6所示。

圖6 套管沖孔主應變分布

從主應變云圖來分析，經(jīng)過沖孔錐沖頂，如圖6a所示的套管原始狀態(tài)遭到破壞，當發(fā)展到圖6b狀態(tài)時，套管產(chǎn)生局部變形，主要是沖孔錐刃線對套管的沖頂造成。圖6c時，沖孔錐刃面更多區(qū)域與套管接觸，使應變發(fā)生區(qū)域擴大，隨著沖孔錐行程的加大，直至圖6d的狀態(tài)，沖孔錐沖破套管并達到行程。當沖孔錐完全伸出套管時，最大變形值為18.34 mm，應變值最大發(fā)生在套管開孔邊緣處的未破碎區(qū)，而套管向兩側翻開的碎片區(qū)已經(jīng)過最大應變值時刻。由模擬結果顯示，沖孔錐沖頂套管的開口方式為對稱開口形式，在沖孔錐行程足夠時，可以滿足對目標位置套管處的沖孔效果。

提取沖孔錐參與沖孔過程刃部的任意一個節(jié)點，導出整個沖頂過程中的受力情況，繪制其受力曲線如圖7所示。

圖7中曲線可以分析出沖孔過程阻力呈現(xiàn)嚴重的非線性，沖孔錐阻力的趨勢是先增加后減小，其中0～0.28 s期間，阻力值呈現(xiàn)迅速上升趨勢，在0.28 s時沖孔錐阻力達到峰值522 kN，說明套管此時開始產(chǎn)生裂縫，隨后阻力值略有下降，到0.39 s時，阻力又一次出現(xiàn)一個小的峰值，此時套管的裂縫開始擴展，沖孔錐的阻力值也開始下降，直到0.39 s至終終止，阻力開始平穩(wěn)下降。通過計算，結合機械沖孔工具內腔活塞尺寸，當給所設計機械沖孔工具提供40 MPa的壓力時，可以給沖孔錐提供532 kN的力，因此作業(yè)過程中，40 MPa以上的泵壓即可達到?jīng)_孔作業(yè)要求。

圖7 沖孔錐受力曲線

3 樣機綜合評價試驗

根據(jù)以上理論分析和數(shù)值模擬結果，針對適合?139.7 mm套管中應用的機械沖孔工具進行了相關室內功能試驗，試驗器材及規(guī)格如下:

1) 機械沖孔工具，最大外徑114 mm。

2) 高壓柱塞泵，最高工作壓力80 MPa。

3) ?139.7 mm(5英寸)套管，鋼級N80,內徑118.6 mm，外徑139.7 mm。

工具組裝完成后，測試空行程沖孔錐外伸到位后最大外徑為144 mm。套管沖孔試驗過程中，壓力大于30 MPa時套管產(chǎn)生明顯變形。隨試驗壓力升高，套管產(chǎn)生破裂，最高試驗壓力40 MPa時套管破裂明顯，測量破裂處最大外徑為150 mm，裂口長度約30 mm，寬度約2.5 mm。試驗情況如圖8～9所示。

圖8 套管沖孔試驗

圖9 套管開孔情況

4 結論

1) 由于結蠟、結垢、出砂等原因導致的低產(chǎn)低效井，提高滲透率、增大地層與井眼之間的連通性是低產(chǎn)低效井換發(fā)生機的關鍵所在。

2) 對機械式井下沖孔技術進行了研究，設計機械沖孔工具。利用有限元方法對套管沖孔過程進行模擬分析，經(jīng)過地面試驗，驗證了機械沖孔技術的可行性。

3) 機械沖孔技術與相關類似技術相比較，套管開孔作業(yè)不需要轉向器及大規(guī)模設備，效率更高。

4) 利用有限元方法對套管沖孔過程進行了分析，當沖孔錐頂穿套管應力值大于套管的材料破壞強度時，套管沖孔成功。所設計的適用于外徑139.7 mm套管中應用的機械沖孔工具，經(jīng)試驗驗證，當作業(yè)壓力大于40 MPa時，套管沖孔成功。