連續(xù)管旋轉(zhuǎn)噴砂切割復(fù)雜管柱的試驗(yàn)研究

＊端木曉亮 蓋志亮 劉洪翠

（1.中石油川慶鉆探長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司 陜西 712000 2.中石油江漢機(jī)械研究所有限公司 湖北 434000）

引言

隨著國(guó)內(nèi)各油田勘探開發(fā)的深入及大部分井的開采已進(jìn)入中后期，生產(chǎn)、鉆井、壓裂等管柱卡鉆事故呈上升趨勢(shì)。由于造成該類型的作業(yè)管柱卡鉆的原因復(fù)雜多變，每一種卡鉆管柱處理措施不盡相同。特別是處理小通徑的注水井，厚管壁的鉆井，攜帶復(fù)雜工具的壓裂等復(fù)雜管柱，給修井作業(yè)帶來了比較大的困難，且處理時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)用高。

1.復(fù)雜管柱切割難點(diǎn)分析

在常規(guī)修井解卡作業(yè)中遇到的下列管柱：油氣水井作業(yè)管柱、水平井作業(yè)管柱、壓裂管柱、鉆井管柱、組合管柱，上述系列管柱在解卡過程中會(huì)造成以下難題。

(1)攜帶復(fù)雜工具的卡鉆管柱

注水井生產(chǎn)管柱的卡鉆需要將油管和多只封隔器整體起出作業(yè)井筒，井下工具串復(fù)雜，處理難度大。早期多級(jí)壓裂工具包含多套封隔器與噴槍，壓裂管柱卡鉆與砂堵的解卡處理，工具復(fù)雜解卡困難。

(2)鉆桿與厚壁鉆鋌的解卡

鉆桿解卡作業(yè)在大修作業(yè)中一直是個(gè)難題。鉆桿管壁較厚，內(nèi)通徑較小，常規(guī)措施無法處理；鉆桿往往攜帶復(fù)雜的作業(yè)工具，若解卡后剩余落魚太長(zhǎng)，給后續(xù)的作業(yè)帶來困難。

(3)組合管柱解卡

地層產(chǎn)出物如砂、垢沉積及井筒內(nèi)雜質(zhì)集結(jié)，極易造成防砂管柱、生產(chǎn)管柱同時(shí)遇卡，傳統(tǒng)的雙管解卡作業(yè)采用先切割內(nèi)管打撈，再切割外管。需要進(jìn)行兩次切割，切割工序復(fù)雜、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、成本高。

2.連續(xù)管旋轉(zhuǎn)噴砂切割技術(shù)研究

本文將連續(xù)管作業(yè)技術(shù)與磨料射流切割優(yōu)勢(shì)結(jié)合，開展旋轉(zhuǎn)噴砂切割影響因素、井下專用工具研制、地面試驗(yàn)等三個(gè)方面的試驗(yàn)研究。其中井下專用工具適應(yīng)小尺寸管柱、自旋轉(zhuǎn)原理等方面進(jìn)行研制。開展了射流深度、噴距、時(shí)間、噴嘴角度對(duì)磨料射流切割金屬管柱的影響等方面試驗(yàn)與研究，給出了相關(guān)參數(shù)。

(1)旋轉(zhuǎn)噴砂切割基本原理

磨料射流切割技術(shù)基本原理為將磨料和工作液在地面均勻混合后，通過高壓泵注設(shè)備注入到連續(xù)管裝備，輸送到旋轉(zhuǎn)噴砂切割工具。利用高壓磨料流體反作用力驅(qū)動(dòng)噴頭，高速磨料射流切割井下管柱，實(shí)現(xiàn)管柱的連通或解卡[4-5,7]。

圖1 旋轉(zhuǎn)噴砂切割工具結(jié)構(gòu)圖

(2)旋轉(zhuǎn)噴砂切割工具

工作原理：高壓磨料流體通過連續(xù)管輸送給旋轉(zhuǎn)噴射工具，噴頭上安裝2～3支噴嘴，流體通過噴嘴時(shí)利用射流反作用力驅(qū)動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)，噴頭帶動(dòng)芯軸，其中限速環(huán)4與本體3產(chǎn)生摩擦，轉(zhuǎn)速越高摩擦力越大，有效限制噴頭將轉(zhuǎn)速控制在合理范圍內(nèi)，防止內(nèi)部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)失速，提高射流切割效率[8]。

(3)噴砂切割管柱影響因素研究

地面磨料設(shè)備測(cè)試磨料切割管柱試驗(yàn)，通過調(diào)整不同的射流參數(shù)及砂比獲得切割管柱的影響因素，在射穿內(nèi)層管柱的同時(shí)研究對(duì)外層套管的損傷程度，探索最佳的參數(shù)組合。

測(cè)試靶件：2-7/8"油管（壁厚5.5mm）+4-1/2"篩管（壁厚14.3mm）+7"套管（壁厚9mm）同心布置；噴嘴直徑d為3mm。

①射流速度對(duì)切割的影響

由圖2可見，在2min內(nèi)，150m/s的射流速度下，套管幾乎沒有受到損傷；速度升至165m/s，套管沖蝕凹坑最大深度2.5mm；當(dāng)速度升至195m/s時(shí)套管沖蝕凹坑最大深度升至6.5mm，說明隨著射流速度的增加，切割能力增強(qiáng)。

圖2 射流速度與切割深度關(guān)系

圖3 沖蝕時(shí)間與深度關(guān)系

②時(shí)間與切割深度關(guān)系

切割時(shí)間是關(guān)鍵因素，精確的控制切割時(shí)間能夠避免套管損傷[1]。在射流速度一定條件下射流沖蝕深度與時(shí)間成正相關(guān)關(guān)系，時(shí)間越長(zhǎng)沖蝕深度越深。但在淹沒狀態(tài)下磨料在水中的速度衰減較快，切割的深度曲線逐漸趨于平緩，說明隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，射流速度衰減，切割深度增加逐漸降低趨勢(shì)，衰減到一定程度磨料射流切割深度開始下降[6]。

③噴距與切割深度關(guān)系

隨著噴距的增加，切割深度逐漸減小，磨料射流的切割效率也逐漸降低。這是因?yàn)槟チ仙淞餍纬梢院?，它?huì)受到周圍環(huán)境的影響，射流的速度產(chǎn)生衰減，衰減速度的快慢與噴距有較大的關(guān)系，噴距越大，磨料射流沖擊點(diǎn)所具有的能量就越小，切割效率也就越低[3]，見圖4。

圖4 噴距與切割深度關(guān)系

④噴射角度對(duì)切割的影響

45°、60°、90°傾角噴嘴，在噴嘴壓降17MPa不變的條件下，射穿油管與篩管時(shí)間分別為130s、100s、90s左右，說明角度越小，射穿篩管所需的時(shí)間越長(zhǎng)（效率越低）。

通過上述測(cè)試得出：在砂比7%，石英砂70～100目，射流速度為180～190m/s條件下，切割效率較高。射流速度對(duì)于切割影響較大，當(dāng)速度低于160m/s切割效率很低，幾乎沒有進(jìn)尺。

3.幾種典型管柱切割測(cè)試

在切割影響因素的研究基礎(chǔ)上，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)噴砂的射流參數(shù)，進(jìn)行了相關(guān)地面試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：石英砂70～100目，砂比7%，射流速度控制在185m/s。

(1)油管切割測(cè)試

靶件：2-7/8"油管N80鋼級(jí)（壁厚5.5mm）。

表1 油管切割實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

安裝兩個(gè)d=3mm噴嘴切割角度為90°噴距為9.5mm。切割過程處于淹沒狀體，4min出現(xiàn)一側(cè)出水，5min油管基本完全切斷，石英砂為70～140目使用量為50kg，砂比7%。

(2)組合管柱切割測(cè)試

靶件：2-7/8"油管N80鋼級(jí)（壁厚5.5mm）+4-1/2"篩管（壁厚14.3mm）。

表2 組合管柱切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4-1/2"篩管本體外圍添加了2～3層不銹鋼篩網(wǎng)。2個(gè)d=3mm噴嘴切割角度為90°噴距為9.5～29mm。切割油管過程處于淹沒狀態(tài)，石英砂為70～140目使用量為750kg，砂比7%，切割時(shí)間為52min，組合管柱完全切斷。

(3)鉆桿切割測(cè)試

靶件：5"鉆桿（壁厚28.75mm）。

表3 篩管切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)

兩個(gè)d=3mm噴嘴切割角度為90°噴距為29.5mm。切割過程處于淹沒狀態(tài)，石英砂為70～140目使用量為1050kg，砂比7%，整體切割時(shí)間為67min，鉆桿較厚沒有完全切割，割縫邊緣不連續(xù)連接，剩余部分厚度1～2mm。

4.結(jié)束語

連續(xù)管作業(yè)技術(shù)目前已經(jīng)大量應(yīng)用在油田的各種作業(yè)工況，年作業(yè)量達(dá)到了5000井次以上。目前大量老井、注水井、海上的復(fù)雜管柱卡鉆后處理難度較大，處理周期較長(zhǎng)。連續(xù)管旋轉(zhuǎn)噴砂切割復(fù)雜管柱的試驗(yàn)研究為提高連續(xù)管修井提供一種技術(shù)手段。

（1）通過本文試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)噴砂切割復(fù)雜管柱的可行性，測(cè)試過程中對(duì)射流參數(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)復(fù)雜管柱的切割要合理控制切割時(shí)間與射流速度。

（2）研制了連續(xù)管井下旋轉(zhuǎn)噴砂切割工具，通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證了工具的可靠性，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、高的壽命，為下一步入井試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

（3）連續(xù)管井下試驗(yàn)需要考慮井下圍壓對(duì)射流參數(shù)影響，需要進(jìn)一步研究井下切割參數(shù)以及地面現(xiàn)場(chǎng)配套。