一種基于沖蝕磨損機理組合式工具的探索性設計

郭茂野， 劉敏， 鞠少棟， 江安

（中海油能源發展工程技術公司, 天津300452）

0 引言

油田生產過程中，位于井底的篩管常常因為地層流體的沖蝕[1]而損壞。為解決沖蝕磨損技術問題，專業機構從材料的改性、結構的變化等各方面做了很多努力，但只能緩解沖蝕效應的負面影響，還無法在根本上解決。

本文介紹的這種（PCP+EACV）組合式工具是利用了地層流體進入過程中對金屬沖蝕的這種不可避免的能量，作為整套工具的核心工作機理。PCP（壓力平衡控制管）與EACV（沖蝕磨損自動關閉閥）科學的配套使用，利用水平井不同位置流體對井筒沖蝕磨損特性，可實現由跟部到趾部，EACV閥順序關閉的使用特點，形成動態的能量場應用效果，適合于油藏水平井開發生產方式。

1 沖蝕磨損效應

沖蝕磨損廣泛存在于機械、冶金、能源、運輸、航天航空及軍工等許多工業領域，而在水力機械中, 沖蝕磨損更為普遍和嚴重。沖蝕磨損機理[2]是指流體或固體顆粒以一定的速度和角度對物體表面進行沖擊, 發生材料損耗的一種現象或過程。為有效地控制和減少沖蝕磨損造成的損耗, 提高設備和材料的使用壽命, 近年來國內外學者對沖蝕磨損進行了多方面的研究, 成為摩擦學領域中一個極為活躍的分支學科。

裸眼水平井防砂技術是海上油氣田主要完井工藝。油井在開發開采過程中，篩管作為油氣井機械防砂的核心部件,在整個采油過程中常常出現破洞損壞情況，導致防砂失效。經分析，篩管破損失效的主要原因是油層流體長時間沖蝕磨損失效所致。其實，流體沖蝕磨損現象是流體能量的一種表現形式。自然界中的流體沖蝕能量，古人用一句諺語“水滴石穿”說明了它的存在和特性，如圖1所示。目前在工業中正積極開發利用這種能量，其中磨料水射流技術已得到成熟的應用，如圖2所示，并獲得獨具優異性的工業效果。

圖1 水滴石穿圖

圖2 水射流切割圖

2 組合工具的設計

2.1 水平井完井現狀

水平井技術是鉆井到油層后，沿著油層水平方向延伸幾百甚至上千米的鉆完井技術，其特征是井筒的跟部到趾部垂向壓力相同。目前的射孔完井技術和裸眼完井技術，均屬于一次性布局固定式能量場[3]結構的完井工藝。地層流體在流入井筒的過程中，存在軸向流動與徑向滲流耦合效應[4]，加之油藏各個位置滲透率、負表皮系數、篩管等等因素的不確定性，導致井底能量場結構極為復雜難測。井底流場在開采過程中發育位置與形式更是無法主導和判斷。

2.2 工具設計理念

1）在目前裸眼充填完井工藝基礎上，安裝PCP+EACV組合工具；2）在水平井軸向上，通過組合工具PCP的安裝，將跟部的負壓區域[5-6]向趾部強化；3）在PCP管柱的具體長度位置，安裝一定數量的EACV閥門，固定地層流體的徑向滲流位置；4）隨著近端EACV閥的關閉，低壓勢能向遠端延伸，在PCP管軸上形成動態的低壓區域場；5）水平井跟部到已關閉的EACV閥門距離間，所耗能為流體沿程阻力，可以計算得出。

該設計的流體消耗在PCP管上遠端徑向流入井筒到跟部的沿程摩擦阻力（或者說是壓降）是可以計算較為準確的數據基礎，流體沿程壓力損失公式[7]為

利用上述流體摩擦阻力公式，計算理想狀態下水平井軸流阻力壓降。其中，原油密度取0.8 g/cm3，PCP設計為2-7/8"油管，油井產液油能力為200 m3/d的工況下，不同黏度（1～500 mPa·s）的原油流體，在100～800 m軸向流動所受摩阻壓降為Δp（MPa）。計算得出結果，并進行數據統計，如表1所示。

表1 流體通過管徑過程中摩阻壓降計算表

2.3 PCP：壓力平衡控制管柱

如圖3所示，PCP主要是由封隔器（可解封式）、油管、變扣等組合式的工具，是一種獨立的可安裝于篩管內的下部完井管柱。在目前裸眼礫石充填完井工藝后期，將PCP（配置EACV閥后）管柱利用鉆桿送到套管尾端合適位置，利用封隔器進行組合管柱定位、座封安裝，再下入電泵及上部完井步驟。

圖3 PCP與水平井完井結構圖

PCP管柱的主要作用：1）在井筒篩管內，形成同軸獨立的低壓容積空間；2）趾部到跟部流體徑向流入、軸向流動的通道；3）流體在管道流動過程中，軸向流體與徑向流體耦合特性計算基礎（軸-徑流體耦合效應：即流體在相同的外環境壓力作用下，流入非等壓的管內，軸向流動到低壓段的一種過程狀態）。

2.4 EACV-沖蝕磨損自動關閉閥

EACV結構原理示意圖如圖4所示。工作原理：當地層流體通過閥件通道過程中，持續地沖蝕閥件的控制連桿2，當閥體控制件[8-11]被流體沖蝕磨損斷裂后，閥芯1在彈簧的作用下推入閥座位置，從而關閉閥門，截斷該閥門的流體通道。

主要作用：1）在PCP管柱上人為建立液體徑向 過 流 通 道；2）在壓力、流體成分等固定因素條件下，可計算單體閥過流總量；3）閥關閉后，在PCP管柱內部壓力大于地層壓力條件下可開啟。有利于后期的酸化、注水、注聚等注入工藝開展。

圖4 EACV閥體結構圖

3 水平井的開發模式

3.1 “平行式”遞進開采模式

所謂的“平行式”是指在PCP管與油層形成一種平行的低壓勢能區分布形式。即油井在開采過程中，井底流體在垂直于PCP軸向上依次可形成等半徑低壓勢能區分布模式，如圖5所示。所謂“遞進”即隨時間的變化，前端閥件關閉作用下，低壓勢能區域從井筒近端向遠端逐漸移動的方式。

圖5 平行式能量場示意圖

“平行式”遞進開采模式，即在油藏中流體在軸向流動與徑向滲流耦合作用下，通過PCP跟部EACV閥流體速度也大于趾部的速度。跟部的閥門沖蝕磨損速率[12]大于趾端閥門磨損速率，所以跟部或近跟部閥門先于遠跟部閥門執行關閉動作。例如，設在100 m的PCP 管上間隔一定距離依次安裝了9個同型號閥門，通過每個閥門的流體速度為v1、v2、v3……v8、v9，則v1＞v2＞v3……v8＞v9。閥門V1、V2、V3……V8、V9,關閉規律為V1、V2、V3……V8、V9。以此類推，在幾百米甚至上千米的水平井筒中，安裝在PCP管上的EACV依次執行關閉動作。管內的軸向低壓區域逐漸向遠處移動，管外的低壓勢能區隨之遠端移動。

3.2 “分段式”遞進開采模式

所謂的“分段式”是指在PCP工具的軸向上分段集中安裝一定數量EACV閥組在PCP管柱上，在開采過程中形成若干段比較大低壓勢能區模式。同理從井筒跟部開始，跟端的EACV閥組先作用于遠端閥組，如圖6所示。大半徑低壓勢能區整體關閉的開發模式，達到水平井采油分段式開發模式。

圖6 分段式能量場示意圖

例如，設在100 m的PCP 管上分成2段。分別在10 m處和90 m處各集中安裝了一定數量閥門。設通過10 m處的閥門的流體平均速度為V10, 通過90 m處閥門流體速度為V90。則V10＞＞V90。安裝在PCP管上的EACV閥組在一定時間段內，整體集中執行動作，管內的軸向上形成明顯的低壓勢能區向遠處運移，管外的低壓勢能區隨之變化。

總之，以上的兩種開采模式，是可以在水平井筒內部由近及遠形成變化的、移動的流場開發類型；均能夠改變目前水平井的固定式低壓勢能區開發模式，從而達到控水采油[13-14]的目的，提高水平井油田綜合采收率[15]。

4 結語

在開采的那一刻，油井的井下環境開始變化,隨著時間的推移，地層的各種性質都發生了本質的變化。目前水平井固定式低壓勢能區開發模式已經顯示出明顯的不足，開發過程中產生了諸多問題。

PCP+EACV組合工具能夠依靠地層本身的流體沖蝕能量，將自身調節成一個動態的、可移動的井下低壓勢能區結構型式。對于幾百甚至上千米的水平井，井筒軸向上可產生變化的、移動水平井低壓勢能區開發模式，可能成為未來技術發展方向。