非金屬連續(xù)管水平井沖砂工具設(shè)計(jì)研究

談建平，姚本春，劉建新，張海鵬，韓忠林

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆克拉瑪依834000；2.新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆克拉瑪依834000）

非金屬連續(xù)管是一種由玻璃鋼和多種非金屬材料組合制成的玻璃鋼復(fù)合連續(xù)管，該管具有耐腐蝕、耐沖擊、韌性好、不結(jié)垢、沿程摩阻小和熱損失少等特點(diǎn)，同時(shí)該管管壁內(nèi)可以集成動(dòng)力纜和信號(hào)纜，可以將電力輸送到井底驅(qū)動(dòng)電潛泵采油，將井下數(shù)據(jù)采集信號(hào)輸送到井口。目前，該管已經(jīng)在油田地面輸油管線及井下大量使用，但與該管配套使用的井下作業(yè)工具較為匱乏。以沖砂工具為例，應(yīng)用在金屬連續(xù)管上常見(jiàn)的沖砂工具有旋流連續(xù)沖砂工具、同心連續(xù)管真空清砂工具、連續(xù)管旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井工具[1‐3]，這些傳統(tǒng)工具是按照金屬連續(xù)管的特性設(shè)計(jì)的。在下放到井下的過(guò)程中，需要金屬管提供軸向推力，才能夠下放到目標(biāo)位置，而非金屬連續(xù)管的軸向承壓能力不足以提供傳統(tǒng)工具所需要的軸向推力，因此傳統(tǒng)工具與非金屬連續(xù)管的配伍性差。所以研究適用于非金屬連續(xù)管的井下沖砂工具對(duì)進(jìn)一步拓展非金屬連續(xù)管的應(yīng)用范圍有重要意義。

1 技術(shù)分析

連續(xù)管沖砂具有以下特性：①無(wú)需起出作業(yè)井內(nèi)原有管柱。②連續(xù)管沖砂洗井無(wú)需連接管柱，可以帶壓連續(xù)作業(yè)，對(duì)地層傷害小且洗井效率高。③作業(yè)成本比常規(guī)洗井作業(yè)低25%～40%[4]。④連續(xù)管抗拉強(qiáng)度較高，可下入較重的洗井工具。⑤連續(xù)管設(shè)備易于安裝，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，占地面積約為常規(guī)作業(yè)的1/3，可進(jìn)行快速作業(yè)。⑥對(duì)水平井有針對(duì)性，適用于水平井快速高效沖砂作業(yè)[5]。非金屬連續(xù)管沖砂洗井工藝?yán)^承了上述工藝的特性，在管端安裝洗井工具，洗井液通過(guò)非金屬連續(xù)管泵入井內(nèi)，由洗井工具增壓，產(chǎn)生高壓射流沖蝕攪動(dòng)砂粒，從環(huán)空上返流體將井內(nèi)砂粒帶至地面，隨著連續(xù)管的不斷下入，砂面逐漸降低，最終完成沖砂洗井作業(yè)[1]。對(duì)比玻璃鋼復(fù)合連續(xù)管，其雖具有眾多優(yōu)勢(shì)，但制造方式?jīng)Q定了其存在不可克服的缺點(diǎn)。例如，空管地面設(shè)計(jì)軸向允許拉力為300 kN，但是軸向壓力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該值。從現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，該管出故障均與軸向壓力有關(guān)。因此要將此管應(yīng)用于沖砂作業(yè)，必須解決在下放過(guò)程中的軸向壓力問(wèn)題。對(duì)于垂直井來(lái)說(shuō)，由于其材質(zhì)為非金屬，密度接近于水，因此在下放過(guò)程中軸向壓力問(wèn)題表現(xiàn)不顯著，而對(duì)于水平井，這種問(wèn)題就越發(fā)明顯。

2 非金屬?zèng)_砂的相關(guān)理論

目前，沖砂工具種類較多，就其原理而言，可以分為正壓沖砂和負(fù)壓沖砂。負(fù)壓式?jīng)_砂是利用沖砂液高速流動(dòng)過(guò)程中形成的負(fù)壓，將分散的砂?！拔比牍苤姆绞?，一般要配合雙壁管柱一起使用，采用充氣或者泡沫沖砂液進(jìn)行負(fù)壓沖砂。正壓式?jīng)_砂是指在沖砂液的沖擊作用下破碎砂床，利用沖砂液流動(dòng)將砂粒攜帶出井筒的方式。由于正壓式?jīng)_砂簡(jiǎn)單方便、運(yùn)用廣泛，因此本文選用正壓沖砂工具。

2.1 砂粒沉降末速度計(jì)算

只有最大直徑砂粒的沉降末速度小于沖砂液在井內(nèi)的上升速度，沉砂才能被沖砂液攜帶到地面。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)砂礫為球形，球形顆粒在液體中的運(yùn)動(dòng)速度與顆粒在液體中所受的重力、浮力以及阻力有關(guān)[6‐7]，當(dāng)顆粒在靜止的流體中沉降速度達(dá)到穩(wěn)定，顆粒所受阻力與重力和浮力之差相平衡[8]，于是有：

式中，ds為顆粒直徑，m；ρs、ρ為砂粒及液體的密度，kg/m3；g 為重力加速度，9.8 m/s2；vt為靜止液體中顆粒沉降速度，m/s；ψ為顆粒移動(dòng)的無(wú)因次阻力系數(shù)，無(wú)因次。

研究表明，要保證沖砂成功，沖砂液流態(tài)須為紊 流 ，則 1×103≤Re≤2×105，ψ= πC 8，由式（1）得式中，C為無(wú)因次阻力系數(shù)，沖砂液可視為牛頓流體，在紊流情況下，C=0.44～0.50[5]。地層砂礫直徑一般為0.2～0.8 mm，砂礫當(dāng)量直徑可取中值0.5 mm[7]，密度為1.7 g/cm3，由此計(jì)算出靜止液體中顆粒沉降速度為0.1 m/s。

2.2 環(huán)套空間返砂液返流速度計(jì)算

常用的9.58 cm連續(xù)油管外徑約為73 mm，18.33 cm套管內(nèi)徑約為112 mm，返砂液通過(guò)套管與油管的環(huán)套空間將砂帶回地面，環(huán)套空間截面面積S計(jì)算如式（3）所示：

式中，D為套管內(nèi)徑，d為連續(xù)油管外徑。帶入相應(yīng)的數(shù)值可計(jì)算9.58 cm連續(xù)油管和18.33 cm套管的環(huán)套空間面積為0.005 7 m2。

更進(jìn)一步地，可計(jì)算環(huán)套的流速vf：

式中，Q為連續(xù)油管排量，通常取為0.003 4～0.006 7m3/s，取最小值帶入式（4）可得vf=

3 沖砂工具設(shè)計(jì)

3.1 沖砂工具結(jié)構(gòu)

目前金屬管所用沖砂工具比較成熟，適用于非金屬管的沖砂工具，只需對(duì)金屬管沖砂工具的沖砂頭進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其余部分均可采用原有結(jié)構(gòu)。

沖砂工具結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，沖砂工具由沖砂頭、分水輪、旋轉(zhuǎn)座、分水器防轉(zhuǎn)塊和連續(xù)管接頭5部分組成。

圖1 沖砂工具結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the sand washing tool

沖砂頭和分水輪的結(jié)構(gòu)分別如圖2、3所示，共有10個(gè)噴水嘴，分別是：1個(gè)頂部噴水嘴，安裝分水輪時(shí)，用絲堵進(jìn)行密封，當(dāng)不需要產(chǎn)生脈沖射流時(shí)，拆除分水輪，安裝沖砂噴水嘴沖砂；3個(gè)均布的上噴水嘴，主要作用是在管柱下放過(guò)程中，沖洗、破碎工具前方的砂床，減少下入的阻力。為了實(shí)現(xiàn)該功能，需要向前噴嘴對(duì)井壁有較強(qiáng)的沖擊作用力。

圖2 沖砂頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 The nozzle profile

圖3 分水輪結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the water wheel

向前噴嘴示意如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)設(shè)噴嘴的軸線在周向上偏轉(zhuǎn)角度β為0時(shí)，向前噴嘴噴出的射流對(duì)井底及井筒的水力沖擊力由噴嘴軸線與井筒軸線夾角α決定，射流向井底的分流量隨著α的減小而減小，這不利于沖砂工具將破碎的砂床推向井底，更不利于減小工具下入的阻力。隨著夾角的減小而減小，當(dāng)夾角小于50°時(shí)，射流對(duì)井壁幾乎沒(méi)有明顯的沖擊作用。根據(jù)以上分析，綜合考慮射流在井底方向上的分流量和射流對(duì)井壁的沖擊作用，本文選擇α夾角為70°作為水力沖砂工具噴嘴與井筒軸線的角度。在確定α夾角為70°的基礎(chǔ)上，對(duì)向前噴嘴周向偏轉(zhuǎn)角度β進(jìn)行分析。偏角不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致在鉆孔時(shí)，工具殼體內(nèi)壁面不能形成一個(gè)規(guī)則的橢圓，對(duì)本文結(jié)構(gòu)的沖砂工具，偏轉(zhuǎn)角度β不能大于20°。若偏轉(zhuǎn)角度大于20°，不僅會(huì)影響沖砂液流動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致工具結(jié)構(gòu)容易失效，因此選擇 β夾角為 20°[9]。

圖4 向前噴嘴示意Fig.4 Schematic diagram of forward nozzle

3個(gè)均布的側(cè)面噴水嘴用以沖砂并帶動(dòng)沖砂頭旋轉(zhuǎn)；3個(gè)均布的下噴水嘴用以將沉砂充分?jǐn)噭?dòng)從而有效破壞沙床，使砂子和雜質(zhì)始終處于懸浮狀態(tài)，有利于沖砂液攜帶地層砂[4]，并對(duì)沖砂工具產(chǎn)生向前的推力。上部噴水嘴與軸向夾角為45°，與徑向夾角為90°；側(cè)面噴水嘴與軸向夾角為90°，與徑向夾角為90°；下部噴水嘴與徑向夾角為90°，與軸向夾角為5°，目的在于當(dāng)沖砂液全部切換到下噴水嘴時(shí)提供開(kāi)始旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。這9個(gè)噴嘴分別與內(nèi)部平行于徑向均布的水孔聯(lián)通。

3.2 沖砂頭結(jié)構(gòu)

如圖2、3所示，分水輪通過(guò)連桿頂部的外四方插入分水器防轉(zhuǎn)塊的內(nèi)四方內(nèi)，通過(guò)型面結(jié)構(gòu)與分水器連接；分水器防轉(zhuǎn)塊通過(guò)鍵與連續(xù)管接頭連接，以達(dá)到二者固連的目的；旋轉(zhuǎn)座分為上下兩部分，下部與連續(xù)管接頭通過(guò)螺紋連接，上部相對(duì)于下部可以軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)座與沖砂頭通過(guò)螺紋連接。于是，分水輪固定，沖砂頭可相對(duì)于分水輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

沖砂頭與分水輪接觸的內(nèi)頂面與內(nèi)側(cè)面分別有3個(gè)均布過(guò)水孔，內(nèi)頂面過(guò)水孔與內(nèi)側(cè)面過(guò)水孔在徑向平面夾角為60°，分水輪3個(gè)葉片徑向夾角為60°，裁掉部分與未裁掉部分面積相等。當(dāng)沖砂頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)頂面過(guò)水孔與內(nèi)側(cè)面過(guò)水孔以此過(guò)水，以達(dá)到脈沖射流的目的。在每個(gè)時(shí)刻沖砂液通過(guò)的過(guò)水孔面積相等，不會(huì)引起水擊效應(yīng)對(duì)管道造成損傷。

采用此種設(shè)計(jì)，沖砂頭既可旋轉(zhuǎn)，又可產(chǎn)生高壓脈沖射流，脈沖能有效低壓降低井底壓差，有利于堵塞物排出，而周期性的水力振蕩在井筒內(nèi)形成了較大的局部壓力梯度和速度梯度，促進(jìn)堵塞物分解與外排[10‐12]。同時(shí)，沖砂頭下噴嘴產(chǎn)生的推力牽引沖砂工具和管柱在井筒中前進(jìn)，有效降低了水平井沖砂時(shí)非金屬連續(xù)管受到的軸向壓力，保障作業(yè)過(guò)程安全進(jìn)行。

噴水嘴通過(guò)螺紋與沖砂頭連接，可以根據(jù)設(shè)計(jì)更換不同過(guò)水孔徑的噴水嘴，常用的噴水嘴尺寸有2.0、2.5、3.0、3.5、5.0 mm 等。

3.3 最小流量計(jì)算

根據(jù)管鋒等[13]的研究，連續(xù)管在60°井斜時(shí)攜砂最為困難，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，只需要保證在該角度能順利攜砂即可。因此以60°井斜為臨界值計(jì)算沖砂液最低流量，計(jì)算式（5）為：

式中，Qmin為連續(xù)管水平井沖砂所需最低流量，m3/h；A為沖砂液上返流動(dòng)時(shí)的最大截面積，m2（正沖洗時(shí)為環(huán)套截面積，反沖洗時(shí)為連續(xù)管柱內(nèi)截面積）。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（5），經(jīng)過(guò)計(jì)算，最小流量為12.312 m3/h。

3.4 推力計(jì)算

沖砂液流量按照上述最低沖砂流量12.312 m3/h計(jì)算，噴嘴孔直徑取3 mm，沖砂液密度取1 000 kg/m3?？紤]到連續(xù)管內(nèi)沖砂液流速相對(duì)于噴嘴流速很小，可以忽略不計(jì)，因此將沖砂頭所受推力簡(jiǎn)化 為[14‐16]：

式中，F(xiàn)為沖砂頭所受推力，N；Qm為流過(guò)噴嘴孔的流體質(zhì)量，kg/s；v為流過(guò)噴水嘴孔的軸向流速，在量值范圍內(nèi)，通過(guò)式（6）計(jì)算，沖砂頭所受推力最小值為1 236.30 N。

4 地面實(shí)驗(yàn)

地面實(shí)驗(yàn)示意如圖5、6所示，400型水泵壓力最高 40 MPa，排量 223～1 379 L/min，套管兩側(cè)焊接多孔盲板，通過(guò)給盲板孔安裝螺栓以調(diào)節(jié)套管內(nèi)壓力，模擬現(xiàn)場(chǎng)管內(nèi)壓力環(huán)境。

當(dāng)泵排量調(diào)節(jié)到12.5 m3/h時(shí)，拉力計(jì)顯示最大拉力值為860 N，與計(jì)算值比較略微偏小，這是由于沖砂液流經(jīng)非金屬連續(xù)管和沖砂工具造成的能量損失，以及連續(xù)管及工具與套管的摩擦造成的。從實(shí)驗(yàn)中得出，噴頭推力實(shí)驗(yàn)與計(jì)算值基本吻合，可以達(dá)到水力自進(jìn)的目的，保護(hù)非金屬管在下放過(guò)程中不至于受到過(guò)大的軸向壓力。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)井深度200 m，水平段250 m，排量20 m3/h的情況下，順利完成沖砂作業(yè)。

圖5 地面實(shí)驗(yàn)工藝Fig.5 Schematic diagram of the ground test

圖6 地面實(shí)驗(yàn)Fig.6 The map of ground test

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)沖砂機(jī)理的理論研究、噴嘴角度研究，設(shè)計(jì)出了一種利用高壓水力提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)水力自進(jìn)、限速旋轉(zhuǎn)、脈沖射流、紊流攜砂功能的沖砂工具。經(jīng)過(guò)地面實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)井實(shí)驗(yàn)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能很好的與非金屬連續(xù)管結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水力沖砂。目前該工具已經(jīng)在新疆油田使用，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)促進(jìn)了本地非金屬連續(xù)管的產(chǎn)業(yè)化步伐。