機械式井下沖孔技術(shù)研究

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

海上油氣田開發(fā)進入中后期，由于結(jié)蠟、結(jié)垢、出砂等原因?qū)е戮圻B通性越來越差，低產(chǎn)低效井日益增多，如何提高滲透率成為老井煥發(fā)生機的關(guān)鍵[1]。徑向沖孔解堵技術(shù)利用機械機構(gòu)對套管進行開孔，通過高壓水射流對地層進行沖擊，實現(xiàn)地層與井筒之間的有效連通，與徑向水平井鉆井技術(shù)相類似[2]。套管開孔方面，國外相關(guān)技術(shù)公司都進行了深入研究，如美國貝克公司利用磨銑方式進行開窗；RDS公司利用井下馬達驅(qū)動合金鉆頭開窗[3]。國內(nèi)如中國石油大學(xué)、江漢機械研究所等在套管開窗技術(shù)上也進行了相關(guān)研究，如利用旋轉(zhuǎn)射流噴嘴代替合金鉆頭來進行套管開窗等[4-8]。此外，中國石油大學(xué)(華東)楊永印教授也提出了利用杠桿原理，通過機械方式在不擴孔的情況下一次性完成開窗及鉆進的技術(shù)方案[9-10]。筆者針對套管開孔，對機械式井下沖孔技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，設(shè)計具有套管開孔功能的機械沖孔工具，并利用有限元分析和室內(nèi)試驗等方式對其進行了驗證。

1 技術(shù)原理及優(yōu)勢

1.1 沖孔技術(shù)原理

常規(guī)井下徑向鉆井技術(shù)至少需要作業(yè)工具2次起下鉆才能完成1次開孔作業(yè)。與常規(guī)井下徑向鉆井技術(shù)不同，機械式井下沖孔技術(shù)利用液壓通過機械沖頂進行開孔，并實現(xiàn)了一次下井多次開孔的目的。機械沖孔工具主要包括縱向活塞推進機構(gòu)、橫向沖孔錐沖頂機構(gòu)、復(fù)位彈簧回收機構(gòu)等部分。整個工作過程以液壓作為動力，當(dāng)工具下放到開孔位置時，錨定器將工具固定，高壓流體進入到工具內(nèi)部，推動縱向推進活塞上行，產(chǎn)生的推力傳遞到橫向沖頂機構(gòu)的沖孔錐并最終作用在套管上，沖孔錐頂穿套管完成開孔作業(yè)。當(dāng)停泵時，縱向推進機構(gòu)受復(fù)位彈簧反作用而開始沿原路徑向下恢復(fù)到原位，通過連桿杠桿作用，沖孔錐受中心拉力而回收復(fù)位，單次沖孔作業(yè)結(jié)束。上移管柱至下一個預(yù)定開孔位置，重復(fù)上述步驟，便可再次進行套管開孔作業(yè)。工具原理圖和三維示意圖如1～3所示。

1—上接頭；2—復(fù)位彈簧；3—定位針；4—推壓座；5—推力活塞；6—工具本體；7—沖孔錐臂；8—轉(zhuǎn)動銷；9—沖孔錐;10—液壓缸套。 圖1 機械沖孔工具結(jié)構(gòu)原理

圖2 初始工作狀態(tài)三維原理示意

圖3 頂穿套管工作狀態(tài)三維原理示意

1.2 工藝優(yōu)勢

本文所設(shè)計的機械式井下沖孔技術(shù)在套管開孔方式及施工程序方面較之前的常規(guī)徑向鉆井工藝相比有明顯差異。一方面，該技術(shù)無需下入鉆管和轉(zhuǎn)向器，1次下井，即可實現(xiàn)套管在不同深度與方位精確開孔；另一方面，省去了段銑與擴孔作業(yè)，降低了施工成本與復(fù)雜程度。與其他模式的套管開窗方式相比，具有如下優(yōu)勢：

1) 通過液壓沖頂方式開孔，實現(xiàn)起來比較方便，機構(gòu)簡單。

2) 沖孔直徑大于10 mm，可達到套管微開孔目的。

3) 1次下井可對多個目標(biāo)位置實現(xiàn)連續(xù)沖孔，作業(yè)效率高。

4) 不需要下入鉆管和轉(zhuǎn)向器，提高了工作效率。

2 套管沖孔過程有限元分析

2.1 仿真模型及材料參數(shù)

以鋼級N80外徑139.7 mm套管為例進行沖孔模擬分析，求解沖孔套管所需的最大力。套管參數(shù)如表1所示[11]。

表1 套管參數(shù)

沖孔過程是一個接觸非線性碰撞，整個過程中套管發(fā)生較大塑性變形直至斷裂破壞，而沖孔錐不發(fā)生塑性變化，故將沖孔錐定義為接觸問題中的剛體部分，套管定義為柔體，分析沖孔過程中發(fā)生的塑性變形和材料失效斷裂。已知沖孔錐材料為Cr12MoV，刃角80°， 彈性模量設(shè)置為E=210 GPa。套管鋼級為N80，屈服強度為552～758 MPa，最小抗拉強度689.48 MPa。采取六面體結(jié)構(gòu)劃分形式對套管模型進行網(wǎng)格劃分。建立套管沖孔模型如圖4所示[12]。

圖4 套管沖孔三維模型

2.2 有限元仿真結(jié)果[13-16]

套管沖孔過程中沖孔等效應(yīng)力如圖5所示。

圖5 套管沖孔等效應(yīng)力分布

圖5a為套管未經(jīng)沖孔時的狀態(tài)剖視圖，從此狀態(tài)以后，沖孔錐與套管接觸并開始沖孔。圖5b中套管內(nèi)部呈現(xiàn)出不同的應(yīng)力值，其中沖孔錐刃部與套管接觸處位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值迅速上升，沖壓區(qū)外部應(yīng)力值較大，但不是最大應(yīng)力值所在位置，最大應(yīng)力值發(fā)生在管內(nèi)與沖孔錐接觸部位；圖5c中隨著沖壓部分等效應(yīng)力值繼續(xù)升高，應(yīng)力集中處套管產(chǎn)生變形，等效應(yīng)力大于屈服強度的區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性流動。圖5d中等效應(yīng)力值超出材料的破壞強度，沖孔錐頂穿套管，此時等效應(yīng)力值最大為749.2 MPa，主要發(fā)生在裂口邊緣處，隨著沖孔錐行程加大，裂口有繼續(xù)擴散的可能。

套管沖孔過程中沖孔主應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 套管沖孔主應(yīng)變分布

從主應(yīng)變云圖來分析，經(jīng)過沖孔錐沖頂，如圖6a所示的套管原始狀態(tài)遭到破壞，當(dāng)發(fā)展到圖6b狀態(tài)時，套管產(chǎn)生局部變形，主要是沖孔錐刃線對套管的沖頂造成。圖6c時，沖孔錐刃面更多區(qū)域與套管接觸，使應(yīng)變發(fā)生區(qū)域擴大，隨著沖孔錐行程的加大，直至圖6d的狀態(tài)，沖孔錐沖破套管并達到行程。當(dāng)沖孔錐完全伸出套管時，最大變形值為18.34 mm，應(yīng)變值最大發(fā)生在套管開孔邊緣處的未破碎區(qū)，而套管向兩側(cè)翻開的碎片區(qū)已經(jīng)過最大應(yīng)變值時刻。由模擬結(jié)果顯示，沖孔錐沖頂套管的開口方式為對稱開口形式，在沖孔錐行程足夠時，可以滿足對目標(biāo)位置套管處的沖孔效果。

提取沖孔錐參與沖孔過程刃部的任意一個節(jié)點，導(dǎo)出整個沖頂過程中的受力情況，繪制其受力曲線如圖7所示。

圖7中曲線可以分析出沖孔過程阻力呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，沖孔錐阻力的趨勢是先增加后減小，其中0～0.28 s期間，阻力值呈現(xiàn)迅速上升趨勢，在0.28 s時沖孔錐阻力達到峰值522 kN，說明套管此時開始產(chǎn)生裂縫，隨后阻力值略有下降，到0.39 s時，阻力又一次出現(xiàn)一個小的峰值，此時套管的裂縫開始擴展，沖孔錐的阻力值也開始下降，直到0.39 s至終終止，阻力開始平穩(wěn)下降。通過計算，結(jié)合機械沖孔工具內(nèi)腔活塞尺寸，當(dāng)給所設(shè)計機械沖孔工具提供40 MPa的壓力時，可以給沖孔錐提供532 kN的力，因此作業(yè)過程中，40 MPa以上的泵壓即可達到?jīng)_孔作業(yè)要求。

圖7 沖孔錐受力曲線

3 樣機綜合評價試驗

根據(jù)以上理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，針對適合?139.7 mm套管中應(yīng)用的機械沖孔工具進行了相關(guān)室內(nèi)功能試驗，試驗器材及規(guī)格如下:

1) 機械沖孔工具，最大外徑114 mm。

2) 高壓柱塞泵，最高工作壓力80 MPa。

3) ?139.7 mm(5英寸)套管，鋼級N80,內(nèi)徑118.6 mm，外徑139.7 mm。

工具組裝完成后，測試空行程沖孔錐外伸到位后最大外徑為144 mm。套管沖孔試驗過程中，壓力大于30 MPa時套管產(chǎn)生明顯變形。隨試驗壓力升高，套管產(chǎn)生破裂，最高試驗壓力40 MPa時套管破裂明顯，測量破裂處最大外徑為150 mm，裂口長度約30 mm，寬度約2.5 mm。試驗情況如圖8～9所示。

圖8 套管沖孔試驗

圖9 套管開孔情況

4 結(jié)論

1) 由于結(jié)蠟、結(jié)垢、出砂等原因?qū)е碌牡彤a(chǎn)低效井，提高滲透率、增大地層與井眼之間的連通性是低產(chǎn)低效井換發(fā)生機的關(guān)鍵所在。

2) 對機械式井下沖孔技術(shù)進行了研究，設(shè)計機械沖孔工具。利用有限元方法對套管沖孔過程進行模擬分析，經(jīng)過地面試驗，驗證了機械沖孔技術(shù)的可行性。

3) 機械沖孔技術(shù)與相關(guān)類似技術(shù)相比較，套管開孔作業(yè)不需要轉(zhuǎn)向器及大規(guī)模設(shè)備，效率更高。

4) 利用有限元方法對套管沖孔過程進行了分析，當(dāng)沖孔錐頂穿套管應(yīng)力值大于套管的材料破壞強度時，套管沖孔成功。所設(shè)計的適用于外徑139.7 mm套管中應(yīng)用的機械沖孔工具，經(jīng)試驗驗證，當(dāng)作業(yè)壓力大于40 MPa時，套管沖孔成功。