一種基于沖蝕磨損機(jī)理組合式工具的探索性設(shè)計(jì)

郭茂野， 劉敏， 鞠少棟， 江安

（中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司, 天津300452）

0 引言

油田生產(chǎn)過(guò)程中，位于井底的篩管常常因?yàn)榈貙恿黧w的沖蝕[1]而損壞。為解決沖蝕磨損技術(shù)問(wèn)題，專業(yè)機(jī)構(gòu)從材料的改性、結(jié)構(gòu)的變化等各方面做了很多努力，但只能緩解沖蝕效應(yīng)的負(fù)面影響，還無(wú)法在根本上解決。

本文介紹的這種（PCP+EACV）組合式工具是利用了地層流體進(jìn)入過(guò)程中對(duì)金屬?zèng)_蝕的這種不可避免的能量，作為整套工具的核心工作機(jī)理。PCP（壓力平衡控制管）與EACV（沖蝕磨損自動(dòng)關(guān)閉閥）科學(xué)的配套使用，利用水平井不同位置流體對(duì)井筒沖蝕磨損特性，可實(shí)現(xiàn)由跟部到趾部，EACV閥順序關(guān)閉的使用特點(diǎn)，形成動(dòng)態(tài)的能量場(chǎng)應(yīng)用效果，適合于油藏水平井開(kāi)發(fā)生產(chǎn)方式。

1 沖蝕磨損效應(yīng)

沖蝕磨損廣泛存在于機(jī)械、冶金、能源、運(yùn)輸、航天航空及軍工等許多工業(yè)領(lǐng)域，而在水力機(jī)械中, 沖蝕磨損更為普遍和嚴(yán)重。沖蝕磨損機(jī)理[2]是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對(duì)物體表面進(jìn)行沖擊, 發(fā)生材料損耗的一種現(xiàn)象或過(guò)程。為有效地控制和減少?zèng)_蝕磨損造成的損耗, 提高設(shè)備和材料的使用壽命, 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖蝕磨損進(jìn)行了多方面的研究, 成為摩擦學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)極為活躍的分支學(xué)科。

裸眼水平井防砂技術(shù)是海上油氣田主要完井工藝。油井在開(kāi)發(fā)開(kāi)采過(guò)程中，篩管作為油氣井機(jī)械防砂的核心部件,在整個(gè)采油過(guò)程中常常出現(xiàn)破洞損壞情況，導(dǎo)致防砂失效。經(jīng)分析，篩管破損失效的主要原因是油層流體長(zhǎng)時(shí)間沖蝕磨損失效所致。其實(shí)，流體沖蝕磨損現(xiàn)象是流體能量的一種表現(xiàn)形式。自然界中的流體沖蝕能量，古人用一句諺語(yǔ)“水滴石穿”說(shuō)明了它的存在和特性，如圖1所示。目前在工業(yè)中正積極開(kāi)發(fā)利用這種能量，其中磨料水射流技術(shù)已得到成熟的應(yīng)用，如圖2所示，并獲得獨(dú)具優(yōu)異性的工業(yè)效果。

圖1 水滴石穿圖

圖2 水射流切割圖

2 組合工具的設(shè)計(jì)

2.1 水平井完井現(xiàn)狀

水平井技術(shù)是鉆井到油層后，沿著油層水平方向延伸幾百甚至上千米的鉆完井技術(shù)，其特征是井筒的跟部到趾部垂向壓力相同。目前的射孔完井技術(shù)和裸眼完井技術(shù)，均屬于一次性布局固定式能量場(chǎng)[3]結(jié)構(gòu)的完井工藝。地層流體在流入井筒的過(guò)程中，存在軸向流動(dòng)與徑向滲流耦合效應(yīng)[4]，加之油藏各個(gè)位置滲透率、負(fù)表皮系數(shù)、篩管等等因素的不確定性，導(dǎo)致井底能量場(chǎng)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜難測(cè)。井底流場(chǎng)在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)育位置與形式更是無(wú)法主導(dǎo)和判斷。

2.2 工具設(shè)計(jì)理念

1）在目前裸眼充填完井工藝基礎(chǔ)上，安裝PCP+EACV組合工具；2）在水平井軸向上，通過(guò)組合工具PCP的安裝，將跟部的負(fù)壓區(qū)域[5-6]向趾部強(qiáng)化；3）在PCP管柱的具體長(zhǎng)度位置，安裝一定數(shù)量的EACV閥門，固定地層流體的徑向滲流位置；4）隨著近端EACV閥的關(guān)閉，低壓勢(shì)能向遠(yuǎn)端延伸，在PCP管軸上形成動(dòng)態(tài)的低壓區(qū)域場(chǎng)；5）水平井跟部到已關(guān)閉的EACV閥門距離間，所耗能為流體沿程阻力，可以計(jì)算得出。

該設(shè)計(jì)的流體消耗在PCP管上遠(yuǎn)端徑向流入井筒到跟部的沿程摩擦阻力（或者說(shuō)是壓降）是可以計(jì)算較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，流體沿程壓力損失公式[7]為

利用上述流體摩擦阻力公式，計(jì)算理想狀態(tài)下水平井軸流阻力壓降。其中，原油密度取0.8 g/cm3，PCP設(shè)計(jì)為2-7/8"油管，油井產(chǎn)液油能力為200 m3/d的工況下，不同黏度（1～500 mPa·s）的原油流體，在100～800 m軸向流動(dòng)所受摩阻壓降為Δp（MPa）。計(jì)算得出結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 流體通過(guò)管徑過(guò)程中摩阻壓降計(jì)算表

2.3 PCP：壓力平衡控制管柱

如圖3所示，PCP主要是由封隔器（可解封式）、油管、變扣等組合式的工具，是一種獨(dú)立的可安裝于篩管內(nèi)的下部完井管柱。在目前裸眼礫石充填完井工藝后期，將PCP（配置EACV閥后）管柱利用鉆桿送到套管尾端合適位置，利用封隔器進(jìn)行組合管柱定位、座封安裝，再下入電泵及上部完井步驟。

圖3 PCP與水平井完井結(jié)構(gòu)圖

PCP管柱的主要作用：1）在井筒篩管內(nèi)，形成同軸獨(dú)立的低壓容積空間；2）趾部到跟部流體徑向流入、軸向流動(dòng)的通道；3）流體在管道流動(dòng)過(guò)程中，軸向流體與徑向流體耦合特性計(jì)算基礎(chǔ)（軸-徑流體耦合效應(yīng)：即流體在相同的外環(huán)境壓力作用下，流入非等壓的管內(nèi)，軸向流動(dòng)到低壓段的一種過(guò)程狀態(tài)）。

2.4 EACV-沖蝕磨損自動(dòng)關(guān)閉閥

EACV結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖4所示。工作原理：當(dāng)?shù)貙恿黧w通過(guò)閥件通道過(guò)程中，持續(xù)地沖蝕閥件的控制連桿2，當(dāng)閥體控制件[8-11]被流體沖蝕磨損斷裂后，閥芯1在彈簧的作用下推入閥座位置，從而關(guān)閉閥門，截?cái)嘣撻y門的流體通道。

主要作用：1）在PCP管柱上人為建立液體徑向 過(guò) 流 通 道；2）在壓力、流體成分等固定因素條件下，可計(jì)算單體閥過(guò)流總量；3）閥關(guān)閉后，在PCP管柱內(nèi)部壓力大于地層壓力條件下可開(kāi)啟。有利于后期的酸化、注水、注聚等注入工藝開(kāi)展。

圖4 EACV閥體結(jié)構(gòu)圖

3 水平井的開(kāi)發(fā)模式

3.1 “平行式”遞進(jìn)開(kāi)采模式

所謂的“平行式”是指在PCP管與油層形成一種平行的低壓勢(shì)能區(qū)分布形式。即油井在開(kāi)采過(guò)程中，井底流體在垂直于PCP軸向上依次可形成等半徑低壓勢(shì)能區(qū)分布模式，如圖5所示。所謂“遞進(jìn)”即隨時(shí)間的變化，前端閥件關(guān)閉作用下，低壓勢(shì)能區(qū)域從井筒近端向遠(yuǎn)端逐漸移動(dòng)的方式。

圖5 平行式能量場(chǎng)示意圖

“平行式”遞進(jìn)開(kāi)采模式，即在油藏中流體在軸向流動(dòng)與徑向滲流耦合作用下，通過(guò)PCP跟部EACV閥流體速度也大于趾部的速度。跟部的閥門沖蝕磨損速率[12]大于趾端閥門磨損速率，所以跟部或近跟部閥門先于遠(yuǎn)跟部閥門執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作。例如，設(shè)在100 m的PCP 管上間隔一定距離依次安裝了9個(gè)同型號(hào)閥門，通過(guò)每個(gè)閥門的流體速度為v1、v2、v3……v8、v9，則v1＞v2＞v3……v8＞v9。閥門V1、V2、V3……V8、V9,關(guān)閉規(guī)律為V1、V2、V3……V8、V9。以此類推，在幾百米甚至上千米的水平井筒中，安裝在PCP管上的EACV依次執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作。管內(nèi)的軸向低壓區(qū)域逐漸向遠(yuǎn)處移動(dòng)，管外的低壓勢(shì)能區(qū)隨之遠(yuǎn)端移動(dòng)。

3.2 “分段式”遞進(jìn)開(kāi)采模式

所謂的“分段式”是指在PCP工具的軸向上分段集中安裝一定數(shù)量EACV閥組在PCP管柱上，在開(kāi)采過(guò)程中形成若干段比較大低壓勢(shì)能區(qū)模式。同理從井筒跟部開(kāi)始，跟端的EACV閥組先作用于遠(yuǎn)端閥組，如圖6所示。大半徑低壓勢(shì)能區(qū)整體關(guān)閉的開(kāi)發(fā)模式，達(dá)到水平井采油分段式開(kāi)發(fā)模式。

圖6 分段式能量場(chǎng)示意圖

例如，設(shè)在100 m的PCP 管上分成2段。分別在10 m處和90 m處各集中安裝了一定數(shù)量閥門。設(shè)通過(guò)10 m處的閥門的流體平均速度為V10, 通過(guò)90 m處閥門流體速度為V90。則V10＞＞V90。安裝在PCP管上的EACV閥組在一定時(shí)間段內(nèi)，整體集中執(zhí)行動(dòng)作，管內(nèi)的軸向上形成明顯的低壓勢(shì)能區(qū)向遠(yuǎn)處運(yùn)移，管外的低壓勢(shì)能區(qū)隨之變化。

總之，以上的兩種開(kāi)采模式，是可以在水平井筒內(nèi)部由近及遠(yuǎn)形成變化的、移動(dòng)的流場(chǎng)開(kāi)發(fā)類型；均能夠改變目前水平井的固定式低壓勢(shì)能區(qū)開(kāi)發(fā)模式，從而達(dá)到控水采油[13-14]的目的，提高水平井油田綜合采收率[15]。

4 結(jié)語(yǔ)

在開(kāi)采的那一刻，油井的井下環(huán)境開(kāi)始變化,隨著時(shí)間的推移，地層的各種性質(zhì)都發(fā)生了本質(zhì)的變化。目前水平井固定式低壓勢(shì)能區(qū)開(kāi)發(fā)模式已經(jīng)顯示出明顯的不足，開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生了諸多問(wèn)題。

PCP+EACV組合工具能夠依靠地層本身的流體沖蝕能量，將自身調(diào)節(jié)成一個(gè)動(dòng)態(tài)的、可移動(dòng)的井下低壓勢(shì)能區(qū)結(jié)構(gòu)型式。對(duì)于幾百甚至上千米的水平井，井筒軸向上可產(chǎn)生變化的、移動(dòng)水平井低壓勢(shì)能區(qū)開(kāi)發(fā)模式，可能成為未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。