沖砂驗漏一體化工具研制

張云馳，李瑞豐，劉傳剛，劉景超，李清濤

（中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

隨著油田開發(fā)逐步進入到中、后期，井下出砂、電泵失效、套（篩）管內(nèi)表面結(jié)垢、結(jié)蠟，封隔器失效或生產(chǎn)管柱腐蝕等問題層出不窮[1-2]，針對這些問題，需要起出生產(chǎn)管柱進行修井作業(yè)，而海上油田的完井方式多為分層防砂完井，在修井過程中，往往需要進行井下沖砂和封隔器密封筒驗漏兩項作業(yè)，沖砂時下入油管連接引斜的沖洗管柱，井底流速低，沖洗效率較差，驗漏時利用完井防砂服務(wù)工具中的定位密封和插入密封進行組合，沒有專用工具，使用條件有局限[3]。

1 設(shè)計原理

針對傳統(tǒng)沖砂驗漏作業(yè)的技術(shù)缺陷，設(shè)計了一種沖砂驗漏一體化工具，見圖1，該工具由三部分構(gòu)成，分別是循環(huán)驗漏短節(jié)、配長的油管短節(jié)以及旋轉(zhuǎn)沖洗頭。其中，循環(huán)驗漏短節(jié)可根據(jù)密封筒尺寸配套安裝，一般可選裝3.25″、3.88″和4.75″三種型號密封模塊，驗漏通道上下各安裝兩組密封模塊，單組為兩個密封模塊，保證了針對多層密封筒作業(yè)時的可靠性。作業(yè)時，工具下放探砂面沖砂，整體管柱內(nèi)部有液體流道，旋轉(zhuǎn)沖洗頭裝配有不同方向的噴嘴，在高壓沖洗液的作用下，噴頭旋轉(zhuǎn)沖洗井下管柱內(nèi)壁及井底沉砂[4]，沖砂結(jié)束后，可投球打壓剪切循環(huán)驗漏短節(jié)中球座，球座下行打開驗漏通道，上提管柱至密封筒處，啟泵正循環(huán)檢驗各層封隔器密封筒的密封性，若壓力不降即密封性合格。

2 力學(xué)校核

沖砂驗漏一體化工具中循環(huán)驗漏短節(jié)外徑最大，存在一定的卡鉆風(fēng)險，特對其抗拉強度進行有限元校核計算，其三維幾何模型如圖2所示。

對循環(huán)驗漏短節(jié)下端施加固定約束，上端的突出端面施加拉力，其中拉力逐步遞增施加，分別為70t、80t、90t、100t、110t，整體采用穩(wěn)態(tài)計算分析，采用第四強度理論，即莫爾強度理論作為校核強度準(zhǔn)則，分別計算不同拉力載荷下本體承受的最大等效應(yīng)力強度，其中本體材料為40CrMnMo，屈服強度785MPa，當(dāng)循環(huán)沖洗驗漏短節(jié)在拉力達到90t時，本體材料最大等效應(yīng)力達到屈服強度，應(yīng)力云圖如圖3所示。最大等效應(yīng)力主要出現(xiàn)在連接母扣薄壁端，驗漏循環(huán)孔孔周邊也存在一定程度的應(yīng)力集中?？紤]加工時材質(zhì)的非均質(zhì)性及加工精度，取安全系數(shù)為1.2，循環(huán)驗漏短節(jié)整體抗拉噸位為75t，大于2-7/8″作業(yè)油管的抗拉噸位（47～64.5t），滿足作業(yè)要求。

3 技術(shù)參數(shù)測試

沖砂驗漏一體化工具最大工作排量1m3/min，旋轉(zhuǎn)沖洗頭啟動排量為0.5m3/min，噴頭設(shè)計有9個噴嘴，其中，側(cè)向噴嘴數(shù)量為4個，為噴頭旋轉(zhuǎn)提供動力來源，垂直向下及斜向下噴嘴數(shù)量為5個，清掃井筒內(nèi)部沉砂及沖刷管柱內(nèi)壁。經(jīng)過地面測試，見圖4，當(dāng)排量達到0.7m3/min 時，單個噴嘴沖擊力超過150N，可以有效沖散膠結(jié)砂礫。因此，建議工作排量為0.7～1m3/min。此外，測試沖砂排量與壓力的關(guān)系如表1所示，可為現(xiàn)場沖砂提供數(shù)據(jù)支撐。

沖砂驗漏一體化工具中的旋轉(zhuǎn)沖洗頭內(nèi)軸承件為易損部件，為保證工具整體可靠性，特針對旋轉(zhuǎn)沖洗頭軸承壽命進行測試，旋轉(zhuǎn)沖洗頭一端與電機相連，由電機帶動噴頭高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速300r/min，見圖5，累計旋轉(zhuǎn)48h 后，噴頭旋轉(zhuǎn)阻力依然保持均勻，且經(jīng)水力測試旋轉(zhuǎn)無恙，驗證旋轉(zhuǎn)沖洗噴頭至少可連續(xù)工作48h，滿足設(shè)計要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

該工具累計在渤海某油田已累計應(yīng)用17 井次，沖砂和驗漏兩種工藝作業(yè)一趟鉆完成，平均單井節(jié)省作業(yè)時間20h，提高了作業(yè)時效。

5 結(jié)論

表1 排量與壓力關(guān)系

（1）研發(fā)的沖砂驗漏一體化工具可以一趟管柱實現(xiàn)沖砂和驗漏兩種作業(yè)，操作便捷，結(jié)構(gòu)可靠。

（2）經(jīng)測試，沖砂驗漏一體化工具工作排量為0.7～1m3/min，此時單個噴嘴沖擊力大于150N，至少可連續(xù)工作48h，滿足海上作業(yè)要求。

（3）研究成果經(jīng)推廣，已在海上油田應(yīng)用，提高了作業(yè)時效，降低了作業(yè)費用，有一定的應(yīng)用前景和推廣價值。