可變徑刮管器的評(píng)價(jià)及應(yīng)用

葛俊瑞，李三喜，李舜水，邢洪憲

1.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司 （上海 200335）

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)公司 （天津 300456）

套管內(nèi)壁清潔是井筒內(nèi)環(huán)境良好的重要基礎(chǔ)，是套管內(nèi)作業(yè)的安全保障，尤其在完井作業(yè)中對(duì)工作液清潔、管柱下入摩阻、封隔器密封、鋼絲作業(yè)、儲(chǔ)層保護(hù)等有重要影響。通常完井作業(yè)的第1步是刮管洗井，根據(jù)井下套管型號(hào)采用對(duì)應(yīng)尺寸的刮管器進(jìn)行套管刮削，主要清除套管內(nèi)壁上的殘余水泥、泥塊和軋制中產(chǎn)生的毛刺、鱗片、管內(nèi)防砂射孔時(shí)鑲在管壁上的毛刺以及生產(chǎn)井套管上的鐵銹、水垢、硬石蠟等影響正常施工作業(yè)的雜物[1-5]。海上油氣田常用的生產(chǎn)套管為Φ244.5 mm套管或Φ177.8 mm尾管，分別下入2趟管柱，對(duì)2層套管刮削[6-10]，效果較好但作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。若采用1趟管柱攜帶2種尺寸的刮管器，雖然能夠節(jié)省時(shí)間，但2個(gè)不同尺寸的刮管器同時(shí)入井風(fēng)險(xiǎn)較大。

為了有效地提高刮管洗井效率，綜合2種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新型可變徑刮管器，實(shí)現(xiàn)套管尺寸全覆蓋。在刮削完Φ244.5 mm套管后，施加壓力使刀片收縮，繼續(xù)刮削Φ177.8 mm尾管，達(dá)到1趟管柱刮削2層套管的目標(biāo)。

1 可變徑刮管器設(shè)計(jì)

1.1 工具結(jié)構(gòu)

可變徑刮管器主要由短節(jié)、扶正套、刮刀片、板簧、固定銷釘、芯軸組成（圖1），通過(guò)板簧的壓縮實(shí)現(xiàn)刀片的收回，適應(yīng)套管尺寸。

圖1 可變徑刮管器結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

將可變徑刮管器安裝在刮管管柱上，當(dāng)進(jìn)入Φ244.5 mm套管中，板簧處于微量壓縮狀態(tài)，刮刀片刮削套管內(nèi)壁；當(dāng)刮管器進(jìn)入Φ177.8 mm套管中，套管內(nèi)壁對(duì)板簧造成徑向壓縮，刮刀片隨之向內(nèi)收縮，從而適應(yīng)套管內(nèi)徑，達(dá)到1趟管柱刮削清洗多層套管的目的。

1.3 部件設(shè)計(jì)

1.3.1 刮刀片數(shù)量

為了解決刮管器的尺寸適應(yīng)問(wèn)題，研制了可變徑環(huán)形剃刀刮刀片，通過(guò)板簧的壓縮實(shí)現(xiàn)刀片的收回。以1趟管柱清潔Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm套管為設(shè)計(jì)依據(jù)，刮刀片采用2組刀片、每組10片的環(huán)形分布，在Φ177.8 mm套管內(nèi)1組刀片即可實(shí)現(xiàn)360°全周向覆蓋，在Φ244.5 mm套管內(nèi)上下2組刀片交疊5°，可實(shí)現(xiàn)全周向覆蓋刮管。

1.3.2 刮刀片結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

刮刀片兩端大角度倒角，避免遇阻，材質(zhì)優(yōu)選20CrMnMo，表面滲氮處理、切削能力好、心部韌性好。

1.3.3 部件連接方式

刮刀片與板簧連接采用“燕尾槽+固定銷+彈性擋圈”的固定形式，燕尾槽承受剪切應(yīng)力。每個(gè)刮刀片由2個(gè)固定銷釘及彈性擋圈固定，銷釘外徑17 mm，單個(gè)抗剪力6.8 t，密封圈耐溫180℃。

芯軸與上下短節(jié)采用螺紋連接，扶正套位于芯軸上下，處于自由活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刮管器入井過(guò)程中的通暢。

整體連接結(jié)構(gòu)牢固可靠，實(shí)現(xiàn)良好的抗拉、抗扭、抗高溫性能，滿足高溫高壓深井的使用要求。

可變徑刮管器的具體技術(shù)參數(shù)及主要特點(diǎn)見表1。

表1 可變徑刮管器的具體技術(shù)參數(shù)及主要特點(diǎn)

2 室內(nèi)工具性能測(cè)試

2.1 板簧力學(xué)性能測(cè)試

可變徑刮管器主要利用板簧的壓縮適應(yīng)不同套管尺寸，板簧材質(zhì)為65Mn彈簧鋼。室內(nèi)對(duì)批量加工的板簧抽檢8支，利用壓力測(cè)試儀測(cè)試板簧壓縮位移與壓縮力的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)板簧如圖2所示。

圖2 板簧壓縮位移與壓縮力測(cè)試

本次設(shè)計(jì)的刮管器主要用于Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm尾管，外徑相差66.7 mm。考慮不同壁厚的套管類型內(nèi)徑相差不同，單個(gè)板簧最大壓縮位移不大于35 mm，實(shí)驗(yàn)考慮1.5倍的安全系數(shù)，以壓縮量50 mm進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果見表2。當(dāng)壓縮位移達(dá)到50 mm時(shí)，平均壓縮力為1.36 kN。室內(nèi)壓縮板簧并保持24 h后，檢測(cè)抗疲勞性能，反復(fù)實(shí)驗(yàn)150次，未發(fā)生變形現(xiàn)象。

表2 板簧壓縮位移與壓縮力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 套管刮削效果測(cè)試

室內(nèi)共進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)：?jiǎn)谓M刮刀片Φ244.5 mm套管通過(guò)性及刮削效果實(shí)驗(yàn)；單組刮刀片Φ177.8 mm套管通過(guò)性及刮削效果實(shí)驗(yàn)；單組刮刀片Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm套管變扣通過(guò)性實(shí)驗(yàn)；完整刮管器Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm套管整體通過(guò)性及刮削效果實(shí)驗(yàn)。使用的Φ244.5 mm套管實(shí)測(cè)內(nèi)徑為220.5 mm，Φ177.8 mm套管實(shí)測(cè)內(nèi)徑為158 mm，變扣實(shí)測(cè)最小內(nèi)徑為153 mm。4組實(shí)驗(yàn)通過(guò)套管順利，無(wú)明顯遇阻現(xiàn)象，套管刮削效果良好，實(shí)驗(yàn)效果如圖3所示。

2.3 套管內(nèi)操作測(cè)試

通過(guò)室內(nèi)測(cè)試架在平面上對(duì)可變徑刮管器與套管作用力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，測(cè)試通過(guò)Φ244.5 mm套管、Φ177.8 mm套管時(shí)的壓入力、摩擦力。實(shí)驗(yàn)步驟為：①將Φ244.5 mm套管固定在測(cè)試架上；②將刮管器一段與測(cè)試臺(tái)連接，并將另一段放入套管；③啟動(dòng)測(cè)試臺(tái)，推動(dòng)刮管器完全進(jìn)入套管，并從傳感器上記錄最大推入力；④將刮管器完全拉出套管，并從傳感器上記錄最大拉出力；⑤重復(fù)以上步驟3次，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；⑥對(duì)7套管重復(fù)以上步驟。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。在Φ244.5 mm套管中，推入力為0.5～0.6 t，推入后摩擦力為0.2～0.3 t，拉出摩擦力為0.2 t；在Φ177.8 mm套管中，推入力為2.2～2.3 t，推入后摩擦力為0.4～0.5 t，拉出摩擦力為0.4～0.5 t。

圖3 套管刮削效果對(duì)比

表3 可變徑刮管器與套管作用力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) /t

3 試驗(yàn)井綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)試驗(yàn)井模擬現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程，測(cè)試可變徑刮管器1趟管柱完成Φ244.5 mm及Φ177.8 mm套管的刮管作業(yè)。通過(guò)測(cè)量記錄關(guān)鍵位置的各項(xiàng)參數(shù)、觀察對(duì)比工具內(nèi)外狀態(tài)，記錄操作鉆壓、上提下放懸重等試驗(yàn)參數(shù)，綜合評(píng)價(jià)工具性能。

試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)為Φ477.5 mm表層套管×152.50 m+339.7 mm（1338″）套管×1 502.00 m+Φ244.5 mm套管×（1 348.32～2 120.00 m）。首先在試驗(yàn)井中依次下入177.8 mm（7"）與244.5 mm（958"）套管柱，由下至上為：177.8 mm（7"）套管盲堵 +177.8 mm（7"）BTC套管×11根+變扣+244.5 mm（958"）BTC套管×10根。根據(jù)海上目標(biāo)井井況，變扣內(nèi)部加工有左旋方扣，模擬尾管懸掛器脫手部件，驗(yàn)證刮管器通過(guò)尾管懸掛器能力。共進(jìn)行了3組管柱組合試驗(yàn)，進(jìn)行多類施工參數(shù)對(duì)比，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

通過(guò)驗(yàn)證，可變徑刮管器可滿足Φ244.5 mm和Φ177.8 mm 2種套管同時(shí)刮削。通過(guò)性良好，整個(gè)管柱可旋轉(zhuǎn)作業(yè)，刮管器刮刀片組相對(duì)于套管不轉(zhuǎn)動(dòng)，上下滑動(dòng)刮削套管內(nèi)壁，刮刀片兩端大角度倒角，降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)，刀片與板簧連接可靠。

4 應(yīng)用效果

可變徑刮管器已在海上油氣田成功應(yīng)用2口井，能夠明顯提高多層套管刮削效率，減少工程費(fèi)用。下面以某區(qū)塊開發(fā)井A2井為例介紹應(yīng)用過(guò)程及效果。

4.1 基本數(shù)據(jù)

A2井是一口定向井，井眼軌跡見表5。Φ244.5 mm套管為組合形式：1Cr-L80×47ppf×3 218.1 m+13Cr-L80×53.5ppf×913.8 m，Φ177.8 mm 尾管為 13Cr-P110×29ppf×（3 893.56～4 723.94 m）。該井采用套管內(nèi)射孔完井、分層開發(fā)，射孔前、射孔后分別對(duì)Φ244.5 mm套管、Φ177.8 mm尾管進(jìn)行刮管作業(yè)，若每層套管采用對(duì)應(yīng)尺寸的刮管器刮削，共計(jì)需要4趟刮削作業(yè)。本井采用可變徑刮管器1趟完成2層套管同時(shí)刮削作業(yè)，共計(jì)2趟完成。

表4 可變徑刮管器在試驗(yàn)井的綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

4.2 施工過(guò)程

施工前對(duì)工具進(jìn)行檢查保養(yǎng)，測(cè)量工具關(guān)鍵部件外徑，包括上下扶正套、花鍵套、環(huán)形刮刀片，實(shí)際測(cè)量尺寸與理論尺寸差距大于3 mm則需更換部件，確認(rèn)刮刀片狀態(tài)及旋轉(zhuǎn)正常。2趟刮管洗井作業(yè)均采用可變徑刮管器管柱組合：牙輪鉆頭+變扣+可變徑刮管器+Φ88.9 mm鉆桿+變扣+Φ139.7 mm鉆桿。為了確保現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的安全性，控制管柱下入速度在50 m/min以內(nèi)，刮管期間旋轉(zhuǎn)速度在40 r/min以內(nèi)，實(shí)際操作步驟如下。

1）第1趟刮管洗井：管柱進(jìn)入177.8 mm（7"）尾管前測(cè)量上提、下放懸重為166 t、124 t，可變徑刮管器進(jìn)入177.8 mm（7"）尾管順利，無(wú)明顯懸重變化；探底后上提管柱10 m，進(jìn)行大排量正循環(huán)海水洗井，排量1.50～2.40 m3/min，泵壓19.03～22.07 MPa；隨后替入1.10 g/cm3完井液，起鉆，射孔作業(yè)。

2）第2趟刮管洗井：管柱結(jié)構(gòu)與第1趟保持一致，177.8 mm（7"）尾管前測(cè)量上提、下放懸重為186 t、112 t，順利進(jìn)入Φ177.8 mm尾管，懸重基本無(wú)變化，循環(huán)洗井期間排量2.10～2.27 m3/min，泵壓17.52～20.06 MPa。

表5 某區(qū)塊A2井井眼軌跡

4.3 應(yīng)用效果

可變徑刮管器在入井2次后，刮刀片與板簧正常，外徑基本無(wú)變化，無(wú)形變。Φ244.5 mm套管與Φ177.8 mm尾管刮管作業(yè)安全順利，改善了套管內(nèi)壁及井筒清潔條件，保障了射孔管柱、生產(chǎn)管柱的順利下入，封隔器坐封后，密封狀況良好。與同類井相比刮管洗井作業(yè)效率大幅提升（表6），常規(guī)刮管器需要下2趟管柱分別刮削2層套管，該工具采用1趟管柱即可完成，單井效率提高40%以上。

表6 可變徑刮管器與常規(guī)刮管器效率對(duì)比

5 結(jié)論

1）可變徑刮管器能夠?qū)崿F(xiàn)多種套管的同時(shí)刮削，大幅提高套管刮削清潔效率。

2）板簧的力學(xué)性能對(duì)可變徑刮管器的刮削效果、操作性能具有關(guān)鍵作用，影響工具的通過(guò)性、可靠性、耐用性。

3）通過(guò)試驗(yàn)井評(píng)價(jià)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用證明，可變徑刮管器有效簡(jiǎn)化了刮管程序，刮管效果良好，滿足施工要求。