組合縫篩管研制及應(yīng)用

陳 磊

（中油遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧盤錦124010）

油田開發(fā)過(guò)程中，人們注重保證油井的可靠性和生產(chǎn)能力，尤其遇到地層砂松散或容易坍塌的油層，常常通過(guò)不同的完井方式來(lái)防止或減輕油井出砂，以達(dá)到提高油井產(chǎn)量、延長(zhǎng)油井生產(chǎn)期和實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益的目的[1]。

割縫篩管完井是一種防砂成功率高、對(duì)地層適應(yīng)能力強(qiáng)、成本相對(duì)較低、方法簡(jiǎn)便易行的機(jī)械防砂方式[2]。其優(yōu)點(diǎn)是管、縫同體，井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適合應(yīng)用于水平井、大位移井、大斜度井，其施工成本低，完井速度快，產(chǎn)能高。

割縫篩管常用有效的加工方法是銑刀割縫和激光割縫。銑刀加工成本低，但縫寬受銑刀片厚度限制，只能切割寬度≥0.30 mm的矩形縫，不能切割梯形縫；激光可以切割錐度為 6°～12°的梯形縫[3]，但外縫寬 ≥0.25 mm，不能很好的防粒徑0.10～0.20 mm的細(xì)粉砂。外縫還容易被流砂磨蝕變寬，降低擋砂精度和篩管使用壽命。

而組合縫截面形狀由外矩形縫和內(nèi)梯形縫組成，篩管端剖面（即垂直于篩管軸線的剖面）如圖1所示，靠近管壁外緣是一段縫寬相同的矩形縫，靠近管壁內(nèi)孔是一段外窄內(nèi)寬的梯形縫，具備矩形縫耐流砂磨損和梯形縫“自潔性”[4]好的優(yōu)點(diǎn)，不易被流砂磨蝕變寬和產(chǎn)生砂礫堵塞縫隙。外矩形縫的縫寬可達(dá)0.15 mm，縫深可達(dá) 1～2.5 mm；內(nèi)梯形縫錐度為 6°～12°.

圖1 組合縫篩管端剖面圖

組合縫篩管縫隙尺寸范圍廣，可有效地阻擋中、細(xì)地層砂進(jìn)入井筒，用于水平井、大位移井、大斜度井。單純用某一種加工方法，很難加工出上述幾何尺寸的組合縫篩管，因?yàn)槊糠N加工方法都有自身的局限性。

本文首先研究組合縫篩管的綜合加工方法，再分析組合縫篩管在油井生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。

1 組合縫篩管的綜合加工方法

由于激光束聚焦能力所限，焦點(diǎn)光斑直徑≥0.15 mm，梯形縫的外縫寬度 ≥ 0.20 mm.所以單純用激光割縫，無(wú)法達(dá)到外矩形縫的縫寬為0.10 mm，縫深為 1～2.5 mm；內(nèi)梯形縫錐度為 6°～ 12°的尺寸要求。必須對(duì)已經(jīng)切割出寬組合縫的篩管，再應(yīng)用塑性成形方法，使縫型變?yōu)檎M合縫。

1.1 用激光切割出寬組合縫

可以用兩種方法切割出梯形縫。

第一種方法如圖2所示，激光切割頭移動(dòng)和鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)合。激光切割前，激光光軸與鋼管軸線垂直對(duì)中，焦點(diǎn)調(diào)整到合適位置，然后向左平移一段距離δ，激光束輸出切割出半個(gè)梯形縫；激光切割頭再反向移動(dòng)2δ距離，同時(shí)鋼管順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)錐度為2α=6°～12°，激光束輸出切割出另半個(gè)梯形縫[5]。

圖2 激光切割頭移動(dòng)和鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)合

第二種方法如圖3所示，鋼管固定不動(dòng)，激光切割頭先逆時(shí)針或順時(shí)針偏轉(zhuǎn)2α=3°～6°，切割出半個(gè)梯形縫，再反時(shí)針偏轉(zhuǎn)2α=6°～12°，切割出整個(gè)梯形縫[6]。

圖3 工件不動(dòng)，激光切割頭正反向轉(zhuǎn)動(dòng)

第一種方法，激光切割頭移動(dòng)和鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)合，因鋼管很重（約400多公斤），工作效率較低，且兩種運(yùn)動(dòng)誤差疊加也使得梯形縫型加工精度降低。第二種方法工件不動(dòng)，激光切割頭正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，工作效率較高，只要提高激光切割頭的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，就可使得梯形縫型加工精度提高。因此，本文選擇第二種方法。

選擇第二種加工方法將梯形縫切割出來(lái)后，激光切割頭回到與鋼管軸線垂直對(duì)中位置，按照切割矩形縫的方法最后切割出寬組合縫。如圖4、圖5所示。

圖4 激光切割頭切割矩形縫，成型窄組合縫

圖5 組合縫篩管端剖面照片

1.2 塑性成形窄組合縫

因?yàn)榧す馇懈畛鰜?lái)組合縫篩管外縫寬度為0.3 mm，對(duì)于外縫寬度≤0.3 mm的組合縫篩管，還需要縮縫，即通過(guò)軋輥對(duì)外縫的回轉(zhuǎn)擠壓，使得縫寬變窄?？s縫基于彈塑性力學(xué)原理在縮縫機(jī)床上通過(guò)塑性成形實(shí)現(xiàn)?？s縫機(jī)床由回轉(zhuǎn)控制電機(jī)、減速箱、傳動(dòng)軸、軋輥、立柱、壓頭、三爪卡盤、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、拖車、多位中心支架等組成[7]，機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軋輥式縮縫機(jī)床結(jié)構(gòu)圖

塑性成形通過(guò)軋輥對(duì)已經(jīng)割縫的篩管施加徑向作用力，使之產(chǎn)生彈塑性變形。為此需要根據(jù)不同篩管外徑及縫隙尺寸要求制作出不同曲率的軋輥，加載在管體外緣，將已經(jīng)切縫的篩管進(jìn)行徑向局部旋轉(zhuǎn)壓縮，寬組合篩縫塑性成形主要依靠金屬在塑性狀態(tài)下的體積轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)縫口變窄，示意圖如圖7所示。

圖7 軋輥縮縫原理圖

其工藝過(guò)程為：

1）對(duì)中：軋輥中心與篩管外圓最高點(diǎn)對(duì)中，即軋輥軸線與所壓篩縫中心線對(duì)中；

2）壓緊：軋輥對(duì)篩管施加徑向壓力。根據(jù)縮縫尺寸的需求，調(diào)整液壓缸的輸出壓力，即可改變壓頭作用在管徑上的壓力，進(jìn)而改變縫隙的寬度；

3）移動(dòng)：隨著軋輥對(duì)工件表面的壓深，拖車帶著工件作軸向移動(dòng)，完成對(duì)同一軸線上篩縫的塑性成形；

4）分度：軋輥完成一排縫的旋壓工作后，安裝在床身上兩端的主動(dòng)卡盤和隨動(dòng)卡盤夾持工件定軸回轉(zhuǎn)，軋輥繼續(xù)對(duì)下一排縫的旋壓，直至完成整根篩管全部縫隙的擠壓。

由圖7可知，縮縫加工質(zhì)量與軋輥的制造精度有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)，軋輥形狀和尺寸要考慮預(yù)留篩管彈塑性變形量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)摸索，得出對(duì)外徑Φ177.8 mm篩管縮縫的軋輥曲面應(yīng)由3段圓弧組成。如圖8所示。

圖8 軋輥曲面設(shè)計(jì)

擠壓后的組合縫篩管端剖面照片見圖9.

圖9 擠壓后的組合縫篩管端剖面照片

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

2015年至今，組合縫割縫篩管（縫長(zhǎng)為45 mm，縫間距為30 mm，外矩形縫寬0.360.03 mm，外矩形縫深≤2.0 mm，內(nèi)梯形縫錐度/6°）防砂技術(shù)在曙光油田和特種油公司共計(jì)應(yīng)用5井次，管柱全部成功下入。目前生產(chǎn)狀況良好，無(wú)砂卡泵和砂埋油層情況，且產(chǎn)量高于同層位油井。

井例：杜84-興H32井，于2016年7月采用組合縫激光割縫篩管防砂完井，同年9月注汽后下泵生產(chǎn)，統(tǒng)計(jì)至2017年4月底，生產(chǎn)161天，注汽2輪次，共計(jì)產(chǎn)液6 656 t，產(chǎn)油2 500 t，平均日產(chǎn)液41.3 t，日產(chǎn)油15.53 t，生產(chǎn)狀況良好，產(chǎn)出液無(wú)砂。見圖10.

圖10 油井產(chǎn)量對(duì)比曲線

3 結(jié)論

（1）組合縫篩管在性能上綜合了矩形縫和梯形縫的優(yōu)點(diǎn)，既可以防止砂礫堵塞，又可以減少地層砂對(duì)外縫寬度的磨蝕，保持濾砂精度，可以提高篩管使用性能和使用壽命。

（2）運(yùn)用激光多次切割和塑性成形的方法可以加工出滿足油田需求的組合縫篩管。

（3）現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)應(yīng)用進(jìn)一步證明組合縫篩管可以替代傳統(tǒng)的梯形縫篩管和矩形縫篩管。

[1]蘇 曼，埃利斯，斯奈德.錢武鼎，朱燧遠(yuǎn)，譯.防砂手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1988：1-24.

[2]萬(wàn)仁溥，羅英俊.采油技術(shù)手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1991：10.

[3]萬(wàn)仁溥.現(xiàn)代完井工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000：57.

[4]楊賀來(lái).一種組合縫篩管加工裝備[P].201010136217.7，2014-11-26.

[5]楊賀來(lái)，鞏萬(wàn)安，孫善平.厚壁長(zhǎng)筒管子開縫機(jī)[P].92225922.4，1992-06-30.

[6]楊賀來(lái).組合式多工位厚壁長(zhǎng)筒管切縫機(jī)[P].93242674.3，1993-10-27.

[7]陳靜.組合縫篩管加工技術(shù)及裝備研究[D].天津：天津大學(xué)，2015-27-28.