深水導(dǎo)管內(nèi)刮洗裝置研究及發(fā)展綜述

周展鵬，張廷昊，孫巧雷,2*，李樂勤，田杰，熊子健

開發(fā)與應(yīng)用

深水導(dǎo)管內(nèi)刮洗裝置研究及發(fā)展綜述

周展鵬1，張廷昊1，孫巧雷1,2*，李樂勤1，田杰1，熊子健1

（1. 長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023； 2. 湖北省油氣鉆完井工具工程技術(shù)研究中心，湖北 荊州 434023）

導(dǎo)管內(nèi)刮洗裝置在石油鉆探技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，主要用于油氣井管柱的管壁刮削、附著物去除、化學(xué)物質(zhì)清洗等?；诋斍昂Ｑ笥蜌鈱?dǎo)管清洗裝置的發(fā)展狀況，在調(diào)研當前國內(nèi)外內(nèi)刮洗裝置（刮管器和清管器）基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)刮洗裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)特點。同時，通過國內(nèi)外刮洗裝置領(lǐng)域的研究對比，分析了國內(nèi)外市場上應(yīng)用較多的刮洗裝置的種類和研究成果，提出了深水導(dǎo)管內(nèi)刮洗裝置存在的不足及發(fā)展方向，為深水導(dǎo)管內(nèi)刮洗裝置的后續(xù)發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)。

深水導(dǎo)管；刮洗裝置；附著物；結(jié)構(gòu)分析；數(shù)值模擬

近年來，隨著陸上可供開采油氣資源的逐漸減少以及社會對能源日益突出的需求，加大海上油氣資源的開采力度已成為一種必然的趨勢[1]。在海洋油氣勘探開發(fā)的進程中，深水導(dǎo)管被廣泛應(yīng)用于平臺間及平臺與陸地間石油天然氣的集輸。海上導(dǎo)管在鉆井、固井等作業(yè)過程中需要注入和循環(huán)各類入井液，由于深水導(dǎo)管所處環(huán)境變化范圍大，泥線段溫度較低，管道管壁與海水下部低溫環(huán)境不斷進行熱交換，導(dǎo)致管內(nèi)流體的溫度大幅度降低，使得各類有機物和無機物更易析出，導(dǎo)管的管壁會附著各類殘留物；同時，海上油氣井的生產(chǎn)過程（特別是氣井）一般為高壓高產(chǎn)，受井底硫化物、蠟質(zhì)、青狀膠質(zhì)、析出液、管柱腐蝕等影響，各類導(dǎo)管的管壁附著物會增加，在極端情況下，會導(dǎo)致導(dǎo)管的局部堵塞，嚴重影響海底立管的正常運行[2-4]。

為了減小管壁附著物對鉆完井后續(xù)測試、生產(chǎn)的影響，減小水合物生產(chǎn)、管道堵塞的影響，工程上一般會在生產(chǎn)前對管壁進行刮削和清洗，對于較易處理的常規(guī)有機堵塞，一般可借助化學(xué)或物理清管進行初步處理，但是對于難清洗物則需借助刮管器進行進一步處理[5-6]。對比化學(xué)劑清洗、物理加熱等方式，刮洗裝置的使用一般需要配套裝置，流程較復(fù)雜，所以早期刮管器的使用主要在修井中。隨著刮洗裝置結(jié)構(gòu)的改進、工作性能的優(yōu)化，目前刮洗裝置在鉆完井后期、生產(chǎn)前、修井等過程均有應(yīng)用。

刮洗技術(shù)作為完井階段的基礎(chǔ)性作業(yè)步驟，是確保后續(xù)作業(yè)步驟正常進行的關(guān)鍵，我國對刮洗裝置（即刮管器和清管器）的研究起步較晚，當前相關(guān)技術(shù)落后于發(fā)達國家，在創(chuàng)新發(fā)展這方面仍存在一定的不足。基于此，本文針對刮洗裝置已有的國內(nèi)外研究，調(diào)研了其發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了其存在的問題和不足，指出了其發(fā)展趨勢，通過對這些問題的分析和對比，為深水導(dǎo)管刮洗裝置的后續(xù)發(fā)展提供了一定基礎(chǔ)。

1 國外研究現(xiàn)狀

通過了解，清管器的發(fā)展可以追溯到19世紀初，隨著美國的潮汐公司開始對輸流管道進行清洗工作，第一個清管器也隨之出現(xiàn)。第一個電子定位功能清管器的出現(xiàn)是在20世紀60年代末，這意味著清管技術(shù)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，而且它能夠快速精確找到當清管器卡堵時的卡堵位置。后續(xù)相關(guān)公司和研究人員在初代清管器的基礎(chǔ)上，逐步對刮管裝置進行了研究和改進。

韓國NGUYEN[7]等提出了一種清管器速度控制方法，他們首先假設(shè)清管器旁通孔內(nèi)的天然氣體不可壓縮，利用數(shù)值模擬推導(dǎo)出清管器旁通孔局部流體阻力的計算公式以及帶旁通孔的清管器前后壓差與動力學(xué)方程?；诖耍麄冋J為速度控制的方法與3個參數(shù)相關(guān)——清管器位置、速度和旁通孔流速，通過模擬計算和實驗驗證了猜想。

巴西的AZEVEDO[8]、NIECKELE[9]等在論文中提到了旁通孔徑對泄流量和清管器動力學(xué)的影響，猜想得到一個瞬態(tài)停滯/滑移模型，認為它能夠分析旁通清管器在管道中的運動特征。他們對小型旁通清管器利用流體力學(xué)和有限元分析等方法建立了實際的理論模型，最后通過數(shù)值計算和分析，結(jié)果符合實際情況，說明了這個模型的確能夠反映清管器在管道中的運動特征。

伊朗的HOSSEINALIPOUR[10]等在總結(jié)了前人的經(jīng)驗后，研究了天然管道內(nèi)的清管器的動力學(xué)方程，并且用數(shù)值模擬結(jié)果對比了運行壓力為 9 MPa 的管道實測數(shù)據(jù)，通過對比同時研究了真實的流體流動特征和理想流體的偏差。

MINAMI[11]等對前人的清管研究工作進行總結(jié)，進行了理論研究和非穩(wěn)態(tài)清管實驗，提出了MINAMI清管模型。認為MINAMI清管模型與KOHDA 清管模型相似，管道可以為 3 個流動段，分別為上游瞬態(tài)兩相流區(qū)、液塞區(qū)和下游瞬態(tài)兩相流區(qū)，而并非Mc Dondald-Baker 模型中劃分的 4 個流動區(qū)域，最后他們通過計算結(jié)果和實驗結(jié)果進行比較，得出要計算清管器內(nèi)部清洗的時間和速度要根據(jù)管內(nèi)氣體的速度以及清管器運行的速度這 2個參數(shù)綜合考慮。

圖1 Minami模型[11]

LIMA[12-13]等建立了以雙流體模型為基礎(chǔ)的清管模型。從他們的模型中可以知道，模型將管線分為兩大區(qū)域：第一部分是從清管器所處的位置到管線出口和從管線的入口到清管器所處的位置，第二部分是從清管器到管道出口。

加拿大的BOTROS[14]與GOLSHAN[15]研究了天然氣管線中清管器運動的動態(tài)模型。相對一般的運動模型，其全面考慮了影響清管器在運動過程中的各種參數(shù)，從管壁到清管器本身、管道的材料和類型、管道的物流性、管道的規(guī)模和尺寸、管道所處的環(huán)境、管道和清管器之間的摩擦力、可控制清管器速度的旁通孔以及清管器的類型和種類，并且通過數(shù)值模擬和多次起伏管路的實驗驗證了模型，發(fā)現(xiàn)計算的模型和實際實驗數(shù)據(jù)相符合。

總的來說，國外的清管和刮管技術(shù)起步較早，且應(yīng)用于陸地輸流管的清洗理論研究較多，但由于海上導(dǎo)管的刮洗較復(fù)雜，當前的刮洗裝置主要集中在大型公司，相關(guān)公司以技術(shù)服務(wù)為主，鮮有理論和應(yīng)用進行公開。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

早期國內(nèi)刮管存在效果不明顯的問題，特別是對于高低落差大的管道，刮管器跟蹤預(yù)測精度低且清管器卡阻時有發(fā)生[16]。另外，國內(nèi)未制訂統(tǒng)一的清管標準規(guī)范，行業(yè)標準《天然氣管道運行規(guī)范》（SY/T 5922—2012）和《原油管道運行規(guī)程》（SY/T 5536—2004）側(cè)重于制訂清管方案、刮管器發(fā)送、接收操作程序和清管安全措施，對管道清管技術(shù)要求闡述得較少，不能完全指導(dǎo)管道清管作業(yè)。近幾年，在傳統(tǒng)刮管器的基礎(chǔ)上，國內(nèi)圍繞刮洗裝置中刮削率低下、卡堵現(xiàn)象嚴重、壽命短、旁通率低、能量利用有限等問題進行了研究。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

現(xiàn)有的刮洗裝置主要由液壓或管柱組合驅(qū)動刮刀或沖洗頭進行刮洗，其典型套管刮管器如圖2所示。結(jié)合數(shù)學(xué)模擬、數(shù)學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)相關(guān)研究者在已有輸流管的基礎(chǔ)上，逐步對復(fù)雜管道和深水導(dǎo)管內(nèi)刮洗裝置的結(jié)構(gòu)進行了進一步設(shè)計與優(yōu)化。

1—上接頭；2—活塞桿；3—上部彈簧；4—活塞缸；5—花鍵體；6—下部彈簧；7—花鍵軸；8—鎖緊螺釘；9—鎖緊半環(huán)；10—刮刀體； 11—推刀軸；12—下接頭；13—刮齒；14—封閉式伸縮槽； 15—第一斜齒；16—第二斜齒；17—應(yīng)力消除孔

葛俊瑞[18]等研究了一種可變徑刮管器結(jié)構(gòu)并做出了相應(yīng)的實驗仿真。研制了通過板簧的壓縮實現(xiàn)刀片收回的可變徑環(huán)形剃刀刮刀片。刮刀片采用2組刀片，每組10片的環(huán)形分布，刮刀能夠在管道內(nèi)實現(xiàn)360°全方位的刮洗，四周全覆蓋，而根據(jù)不同直徑的管道刮刀則會使用不同的功能，直徑略大的管道，則能夠?qū)崿F(xiàn)兩組刮刀的交疊，實現(xiàn)全面刮洗，這種新型的設(shè)計能夠明顯提高多層套管刮削效率，減少工程費用。

馬青印[19]提出了一種旋轉(zhuǎn)式油管刮削器，使用了特殊的刮刀結(jié)構(gòu)，分析了旋轉(zhuǎn)型刮刀的運動原理。當刮管器軸向遇到阻力時，會產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)力，高壓液體從孔中噴射出時刮刀會受到油管壁的反作用力，驅(qū)動刀體轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)式油管刮削器結(jié)構(gòu)新穎，實用性強，能滿足油管初步除垢的需要，增加油管封堵的成功率，為下步帶壓作業(yè)順利進行提供了技術(shù)支撐。

李笑林[20]研究了一種液壓式刮管器，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和升級，刮刀使用了旋轉(zhuǎn)特性，其內(nèi)部由 5級葉片式液力馬達構(gòu)成，該刮管器依靠高壓洗凈液能量驅(qū)動液壓馬達產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)扭力，帶動刮削刀片高速旋轉(zhuǎn)，將井筒內(nèi)壁上的結(jié)蠟結(jié)垢粉碎，由洗井液帶出井筒。

除上述研究外，還有一些研究者也設(shè)計了具有一定特色的刮管器。邵衛(wèi)林[21]設(shè)計了一種測徑刮管器，提出了內(nèi)檢測前實施刮管作業(yè)所用刮管器的技術(shù)要求，討論了刮管實施階段刮管速度的選擇。于小龍[22]等設(shè)計了一種能夠進行變形的分瓣刮刀與環(huán)形刮刀構(gòu)成的刮管器，能夠增加套管內(nèi)某一點的切削次數(shù)；同時環(huán)形刮刀片相對軸心不能夠提供一定的扭矩，從而遇到卡堵的物質(zhì)時能夠自動的繞開雜物，由于分瓣刮刀可通過不同厚度的調(diào)節(jié)環(huán)，刮刀能夠相對軸心產(chǎn)生扭矩，從而起到功能互補的效果，通過更換不同厚度的調(diào)節(jié)環(huán)改變扭矩的大小，從而能夠刮削掉不易清洗的管壁雜物。崔嶸等[23]設(shè)計了一種在刮管器本身貫設(shè)有流體通道，可在刮管器尾端形成噴射口進行射流清洗；通過壓力閥控制，保證了刮削的效率，同時也降低了工作中的卡堵問題。徐峰[24]等設(shè)計了一種水力投送式刮管器，主要包括密封皮碗機構(gòu)和螺旋式刮刀機構(gòu)，采用刮刀機構(gòu)嵌入刮刀器本體內(nèi)的新型設(shè)計，刮刀體內(nèi)設(shè)置有彈性件弓簧，堵塞時能夠提高泵壓，從而達到清管的效果，且可使堵塞器一次性投放至井底，提高刮管器的重復(fù)使用率，節(jié)省井下刮管工作時間。

2.2 結(jié)構(gòu)分析與數(shù)值模擬

除了進行基本結(jié)構(gòu)改進外，國內(nèi)還有部分學(xué)者通過結(jié)構(gòu)分析、數(shù)值仿真和模擬對刮管裝置進行了研究。鄧國雄[25]通過 PIG 清管技術(shù)在長距離高壓管道的應(yīng)用，介紹了PIG清管裝置主要由PIG發(fā)射器、接收器、壓力測量儀表、PIG跟蹤儀及閥門等組成，分析了電子定位清管器的工作原理，對該系統(tǒng)在長距離高壓管道清洗中可能出現(xiàn)的問題提出解決方案。

賈康等[26]通過建立刮削加工運動學(xué)模型和受力分析，結(jié)合切削刃的接觸分析，基于曲面共軛原理提出了一種刮削切削齒刃形曲線的計算方法。董潔楠[27]綜合考慮輸油管道的實際情況，通過SolidWorks和ANSYS等軟件建模仿真，利用Fluent中的UDF模塊編程和仿真分析，得出了紊流流態(tài)增大對刮管器皮碗的影響以及刮管器的皮碗裙過盈量和剪切力的變化關(guān)系，從而分析清管效果。分析認為，過盈量過小，刮管器刮管效果較差，而過盈量過大時，易發(fā)生卡堵，不利于刮管工作，建議刮管過程中過盈量保持在 2%～4%之間為最佳。魏兆成[28]等針對球頭銑刀三維曲面加工，提出一種考慮根據(jù)刀具界面任意變化的銑削力和進給方向的預(yù)報方法。根據(jù)各微小穩(wěn)態(tài)加工的始末刀具坐標，建立進給轉(zhuǎn)向角和進給傾斜角理論模型，修改了未變形時切屑模型的厚度參數(shù)，使其適應(yīng)在三維曲面加工中進給方向和刀具切觸界面的任意變化。

隨著數(shù)值仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，把理論與限元分析結(jié)合進行清管器性能分析的研究逐漸增多。王宇楠[29]等設(shè)計了一種新型管道泡沫測徑清管器，通過 ABAQUS 軟件仿真模擬其遇到管道污垢時的變形情況以及變形時泡沫體密度與厚度的變化規(guī)律。張行[30]等采用有限元法，建立了單皮碗的二維軸對稱模型，計算并分析了密封皮碗過盈量、夾持皮碗半徑及密封皮碗厚度對密封皮碗接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的影響。曹宇光[31]等基于有限元軟件 ANSYS 建立清管器與管道的 3 維有限元模型，進行數(shù)值模擬，分析了清管器接觸應(yīng)力分布對泡沫密度、管道橢圓度、清管器過盈量、管壁摩擦等因素的影響，得到清管器接觸應(yīng)力的規(guī)律。

整體上說，當前我國的管道刮洗裝置及其理論研究處于發(fā)展階段，受刮洗對象及其設(shè)備影響，刮洗的特點不盡相同；刮洗受管壁不同附著物影響，其相關(guān)的流動理論、刮削理論等仍存在不足，而深水的復(fù)雜環(huán)境因素使得海上導(dǎo)管內(nèi)刮洗與常規(guī)的管道刮洗差異性更大[32]。

3 結(jié)論與認識

海上導(dǎo)管清管是一項涉及無機和有機物質(zhì)刮除、表面清洗、管道保護以及防堵風(fēng)險防控的系統(tǒng)性工作，相關(guān)研究的主要目標是清除管壁表面的附著物、降低管道附著物對油氣井后續(xù)工作的影響。盡管目前國內(nèi)外市場已經(jīng)有各種形式的清管器，但是隨著海底管道的復(fù)雜程度以及清管工作要求的日益提高，現(xiàn)有的深水導(dǎo)管內(nèi)刮洗裝置仍然存在一些技術(shù)上的問題，從而導(dǎo)致市場難以完全認可接受各種清管器，主要存在的問題如下：

1）深水導(dǎo)管管壁的附著物組成復(fù)雜，附著物厚度和強度變化大，刮洗工具的作業(yè)要求高。由于深水導(dǎo)管內(nèi)壁附著物種類多、析出物組分受內(nèi)外環(huán)境影響大，導(dǎo)致管壁附著物的厚度和強度變化大；現(xiàn)有的工具主要基于單一厚度和強度進行刮洗，因此目前刮管不干凈導(dǎo)致防砂管柱下入遇阻，嚴重影響刮管效率。

2）受流體組分、流動參數(shù)、溫壓場等變化影響，導(dǎo)管內(nèi)壁附著物厚度和強度變化大，在原有內(nèi)徑影響下，深水導(dǎo)管的管壁清洗涉及尺寸變化廣，需進行多次刮管作業(yè)。當前，缺少適用于多管徑、復(fù)雜內(nèi)徑的刮削裝置。

3）油氣井管柱受鉆井液、完井液、生產(chǎn)油氣及地層復(fù)雜產(chǎn)物影響，管壁附著的沉積物幾何和物理特性難以精確描述，導(dǎo)管刮削理論分析還需結(jié)合沉積物的流變特性、物理性質(zhì)、力學(xué)理論等進行，但當前鮮有綜合沉積物流動特性和切割力學(xué)的導(dǎo)管清洗理論。

除上述問題外，當前刮管器還存在刮削作業(yè)標準不統(tǒng)一、缺少刮削清洗壁面要求準則、復(fù)雜流體流變理論不足等問題。后續(xù)研究，可圍繞上述問題，進一步在刮管器理論建模、數(shù)值模擬、數(shù)值仿真、仿真計算等基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗以及所有的理論基礎(chǔ)對刮管器進行深入研究。

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Research and Development of Internal Scraping Device in Deepwater Casing

1,1,1,2*,1,1,1

（1. College of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou Hubei 434023, China;2. Hubei Engineering Research Center for Oil & Gas Drilling and Completion Tools, Jingzhou Hubei 434023, China）

Pipe scraping device is widely used in oil drilling technology, which is mainly used for pipe wall scraping, attachment removal, chemical cleaning of oil and gas well string. Based on the current development of offshore oil and gas pipeline cleaning device and the investigation of current pipe scraping device (scrapers & pigs) at home and abroad, the working principle and structural characteristics of traditional pipe scraping device were analyzed. At the same time, through the research comparison in the field of scraper at home and abroad, the types and research results of scraper and pig widely used in the market at home and abroad were analyzed. The shortcomings and development direction of pipe scraping device in deepwater casing were put forward. The paper can lay a certain foundation for the follow-up development of internal scraping device in deepwater casing.

Deepwater casing；Scraping device；Attachment；Structural analysis; Numerical simulation

TE832.3

A

1004-0935（2022）04-0486-05

湖北省自然科學(xué)基金(青年項目)（項目編號：ZRMS 2021001482）；長江大學(xué)2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（項目編號：Yz2020122）。

2021-09-16

周展鵬（2001-），男，湖北省隨州市人，研究方向：機械設(shè)計與石油裝備。

孫巧雷（1990-），男，講師，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向：海洋油氣裝備設(shè)計與仿真、管柱力學(xué)、油氣鉆完井工具設(shè)計開發(fā)與診斷等方面的教學(xué)與研究工作。