一体式交替冲砂切割工具的设计与试验

刘禹铭 ，柴希伟，郝宙正， 徐勇军，王永康

1 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 2中国石油川庆钻探工程有限公司工程技术处 3 中国石油西部钻探公司吐哈井下作业公司

渤海地区大多数油田储层疏松，开采时常伴有出砂现象[1]。因此，海上油井多采用砾石充填工艺防砂。但在开发3～5年后，防砂筛管由于地层出砂、腐蚀导致破损出砂，影响油井生产。经调研，每年渤海油田因筛管破损出砂影响油井生产的井次30余口，为保障油井产量，需要进行修井作业。

渤海油田大修井在打捞切割过程中，存在沉砂或间歇性出砂的问题，所以切割作业前需单独下一趟冲砂管柱，使井底沉砂冲洗出井，方便切割。现有打捞切割工艺需要下两趟钻，作业周期长，成本高。为提高作业效率，降低施工成本，研制了一款一体式交替冲砂切割工具，实现了一趟管柱完成通井冲砂和水力切割两项作业，将平均切割作业时间由15 h/1 000 m下降至9.8 h/1 000 m，时间节省35%。

1.1 结构

一体式交替冲砂切割工具(以下简称“一体式工具”)结构见图1，该工具主要由动力机构、换向机构、割刀机构三部分组成。

1.上接头；
2.本体；
3.下接头；
4.芯轴；
5.刀片；
6.推力轴承；
7.导向销；
8.卡簧；
9.“O”型圈；
10.喷嘴；
11.浮动活塞芯轴；
12.止动环；
13.浮动活塞下部头；
14.卡簧；
15.弹簧；
16.销轴；
17.皮碗；
18.活塞垫片；
19.活塞卡簧；
20.喷嘴保护套卡簧；
21.喷嘴保护套；
22.导向块；
23.导向块固定销钉；
24.底部止动环；
25.底部定位螺栓；
26.固定销钉。

1.1.1 动力机构

动力机构由喷嘴、浮动活塞芯轴、止动环及浮动活塞下部头组成。喷嘴通过卡簧固定在浮动活塞芯轴内部，浮动活塞芯轴与止动环通过螺纹连接，止动环可以前后调整位置，浮动活塞下部头通过螺纹连接在浮动活塞芯轴下端，如图2所示。

图2 动力机构示意图

1.1.2 换向机构

换向机构主要由芯轴、导向销、推力轴承、弹簧、皮碗组成，其中导向销与芯轴上的导向轨道配合，皮碗安装在芯轴上端，推力轴承和弹簧分别套在芯轴的下端。结构示意图如图3所示。

图3 换向机构示意图

1.1.3 割刀机构

割刀模块主要由导向块和刀片组成，导向块安装在芯轴上，刀片安装在外筒上，导向块起到支撑刀片张开的作用。结构示意图如4所示。

图4 割刀机构示意图

1.2 工作原理

一体式工具随钻杆下放至切割位置后，开泵，通过泵压判断工具所处的模式，即切割模式或冲砂模式。开泵时，液体通过喷嘴产生压降，在压力作用下动力机构整体下移，浮动活塞与芯轴上端面接触，形成密封，从而推动芯轴下移。此时，换向机构中的导向销相对于芯轴沿着导向轨道上移，即进入长轨道。当停泵后，压降消失，芯轴在弹簧力的作用下上移复位，导向销则沿着导轨进入短轨道。经过一次开关泵，芯轴可旋转60°，从而实现模式切换。利用换向机构，芯轴下移的同时可旋转，使得冲砂和切割模式可以交替循环。当芯轴下移，割刀机构中导向块正对刀片时，可撑起刀片进行切割作业，即切割模式，如图 5所示。又因两组导向块之间有间隙，当间隙正对刀片时，刀片张不开，即处于冲砂模式，如图 6所示。

图5 切割模式

图6 冲砂模式

2.1 冲砂水力学参数计算

对砂粒沉降速度、最低排量、压降3个参数进行了理论分析和数值计算[2]，可为后续作业提供数据支持。

2.1.1 砂粒沉降速度计算

计算砂粒沉降速度需要将水平井分成直井段、造斜段及水平段，分别计算不同井段的沉降速度。

直井段砂粒的沉降末速与砂粒直径、砂粒密度及冲砂液密度有关，计算公式为[3]：

(1)

式中：ν1—砂粒的沉降末速，m/s；
ds—砂粒直径，m；
ρs—砂粒的密度，g/cm3；
ρ1—冲砂液的密度，g/cm3；
g—重力加速度，取9.8 m/s2；
Cd—阻力系数，雷诺数在500～100 000之间时取0.5。

造斜段砂粒的沉降末速即环空止动返速，是阻止砂粒沿井壁向下滑动的返速。若确定环空止动返速应掌握造斜段地层、岩性等参数，以及冲砂液的流变性，计算公式为[4]：

(2)

式中：v2—环空止动返速，m/s；
δ—环空流核宽度，m；
r1、r2—环空外、内半径，m；
τ0—冲砂液静切应力，Pa；
K—冲砂液稠度系数，Pa·sn；
n—流性指数。

水平段砂粒一定条件下基本保持动平衡的状态，若返出，需要应用水力学中的泥沙瞬时启动流速来确定砂粒的沉降末速。计算公式为[5]：

(3)

2.1.2 最低排量计算

利用砂粒的沉降速度与冲砂液上返流动时的最大截面积，可计算出冲砂洗井所需的最低排量[3]。

Qmin=3 600Avmin

(4)

式中：Qmin—冲砂洗井所需最低排量，m3/h；
A—返流时最大截面积，m2；
vmin—砂粒上升的最低液流速度(砂粒沉降速度的2倍可获得砂粒上升的最低液流速度)，m/s。

2.1.3 压降计算

获得最低排量后，可根据芯轴的内径大小计算出冲砂时的压降，即泵压。

(5)

式中：p—压降，MPa；
An—芯轴内径的截面积，mm2。

同时，通过上述数学公式也可以计算得出切割模式下，不同喷嘴大小所对应的压降，以便于通过泵压判定割刀处以何种模式，也可判定套管是否割开。

2.2 切割扭矩计算

2.2.1 切割套管扭矩计算

假定割刀在不偏心工况下切割，所需最大切割总扭矩为[6- 7]：

(6)

式中：M2—工具切割套管所需最大扭矩，N·m；
f—切割摩阻系数；
Ff—圆周切削力，kN；
R—套管切断时割刀刀尖半径，mm；
F2—套管作用于割刀上的等效力，kN；
A—单片割刀上总的硬质合金块承压面积，mm2；
B—切削宽度，mm；
t—切削深度，Δlsin(γ+θ)，mm；
SZ—每齿进给量，可取0.12～0.2 mm；
Z—硬质合金切削刃个数。

2.2.2 切割扭矩计算

井口扭矩主要由三部分组成，刀具切割扭矩、修井液阻力扭矩和钻杆的惯性扭矩[8- 9]，公式为：

M=M1+M2+M3

(7)

式中：M—井口驱动扭矩，N·m；
M1—修井液阻力扭矩，N·m；
M2—刀具切割套管产生的扭矩，N·m；
M3—惯性扭矩，N·m。

修井液阻力扭矩计算公式为[10]：

M1=43 925.4CρgD2L×10-9

(8)

式中：C—井斜系数，选1.88×10-4；
ρ—修井液密度，kg/m3；
g—重力加速度，9.8 N/kg；
D—钻杆外径，mm；
L—切割深度，m。

惯性扭矩计算公式为：

M3=

(9)

刀具切割扭矩产生的扭矩M2通过式(6)计算获得，因此可以计算得出井口驱动扭矩M。通过上述公式计算，可为现场作业提供数据支持，方便现场工程师判定套管是否切割完成。

一体式工具在实验室功能性测试取得成功后，于2022年4月，在中国海油试验基地JJSY- 3H井进行了井下测试，验证了其结构设计的合理性，成功完成了连续冲砂切割作业。

3.1 换向功能验证

通过实验井设备，将一体式工具下放至距离套管接箍顶端10 cm处。开泵正循环，并以12 m3/h排量递增。通过理论计算喷嘴选用10 mm规格，切割模式状态下，排量24 m3/h时刀片开启，冲砂模式时，刀片不开启。测试结果显示，当排量递增至24 m3/h时，泵压4.5 MPa，刀片开启。停泵并泄压，刀片转换为冲砂状态，排量再次递增至24 m3/h时，泵压1.5 MPa，刀片未见开启，经过四轮次切割、冲砂状态转换，切换成功率100%，充分证明了一体式工具模式切换的可靠性及稳定性。测试数据见表1。

表1 换向测试结果

3.2 切割功能验证

在JJSY- 3H试验井下入Ø139.7 mm防砂管柱并坐挂，坐挂顶深500 m，底深610 m，目标切割点550 m。一体式工具通过钻杆下入至切割位置，并接顶驱。

通过文中建立的力学参数计算公式，计算出切割点550 m处，割刀不同模式下的理论压降值及井口扭矩。钻井液密度1.2 g/cm3，喷嘴直径10 mm，芯轴内径14 mm，计算结果见表2。

表2 压降值理论值计算结果

从表2可以看出两种模式下泵压有明显差异，可根据泵压显示判定一体式工具处以何种模式。

由于冲砂模式下，钻杆无需转动，因此无扭矩。只计算切割模式下理论井口扭矩即可。

根据表2中计算结果，开始切割测试。当排量增大至24 m3/h时，泵压1.2 MPa，按照理论计算结果表明工具处以冲砂模式，继续增大排量，泵压持续升高。停泵泄压，切换至切割模式，排量以12 m3/h为增量逐步增大，当排量至24 m3/h时，泵压4.6 MPa，按照理论计算结果表明割刀处于切割模式。

从图7中可以看出，两种模式下理论排量—泵压关系曲线与实测曲线基本吻合。

图7 不同排量下两种模式理论泵压与实测泵压数据对比

割刀调整至切割模式，并将排量保持在24 m3/h。转速以10 r/min的增速逐步提高，记录扭矩、泵压数据，转速提高至50 r/min时并保持，记录扭矩和泵压变化。切割开始后5 min，扭矩由4.5 kN·m下降至1.1 kN·m，此时泵压由4.6 MPa下降至1.2 MPa，说明套管已切开，从图8可以观察套管切割后的断口比较平整，无条状金属丝及碎块。

图8 防砂管柱切割后的断口

通过试验井测试，验证了力学技术参数与实测参数高度吻合，成功完成了Ø139.7 mm套管连续冲砂切割作业，证明一体式工具的可靠性、稳定性，为现场实际应用提供了可靠的参考和数据支持。

(1)本文研制的一体式工具实现了一趟管柱完成冲砂、切割连续作业，且交替循环，缩短了作业周期和减少了作业成本。

(2)通过文中建立的水力学参数和切割扭矩的公式，可以计算得出：冲砂和切割两种模式下，泵压随排量的变化有明显差异，可用于判定井下工具状态；
井口扭矩与转速成线性关系；
泵压与喷嘴、钻井液密度及排量有关。

(3)通过现场试验验证了一体式工具性能的稳定性。实测泵压、扭矩等水力学参数与理论计算结果基本吻合，确认了数学方程的准确性。

(4)此款一体化工具适用于Ø139.7 mm套管的切割作业，可提高作业效率35%，节约成本50%。可为后续海上高效修井作业提供技术保障。

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