海上油田脈沖水力沖擊解堵工具設計

張 磊,孫 林,李旭光,張鳳輝

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300450)

海上油田在注水、注聚和采油過程中，由于溫度、壓力及油氣水組分的復雜變化，水合物、無機垢以及聚合物等形成的混合物在注采井近井地帶造成嚴重堵塞，導致注入壓力上升或注不進等現象，嚴重影響注采效果。在常規化學解堵施工過程中，化學劑注入剖面的非均勻性使增產增注效果不穩定，還對環境造成污染[1-5]。現有物理解堵工藝存在一定的缺點，如表1所示，海上油田急需研究新的物理解堵工藝。

表1 常見物理解堵工藝特點對比

從表中1可以看出，壓裂解堵工藝效果好、無污染，缺點是工藝成本較高。如果能研究一種壓裂解堵效果好，成本降低的工藝，將滿足海上油田物理解堵需求。20世紀90年代以來，吉林油田、河南油田等開始廣泛使用脈沖水力沖擊解堵工藝。脈沖水力沖擊壓裂解堵工具是利用流體的水擊原理，借助井筒中液體的慣性和重力勢能，產生1.1～3.0倍地層破裂壓力的瞬時高壓來沖擊地層[6]。高壓產生后會在井筒內形成震蕩的壓力波，逐漸衰減，從而對地層產生解堵效果。該工藝施工成本僅是常規壓裂解堵工藝的30%，在海上油田具有廣泛的應用前景[7-10]。

1 脈沖水力沖擊解堵工具結構

由于海上油田儲層厚、小層多、多層開采，且井型以大斜度井或水平井為主，作業環境和井況與陸地油田存在很大不同，陸地油田常用的水力沖擊解堵工具無法直接應用于海上。針對海上油田作業環境，設計了脈沖水力沖擊解堵工具。該工具由沖擊片短節、沖擊片、沖擊室、柱塞短節、柱塞、尾管、接收器等組成，結構如圖1所示。

1—沖擊片短節；2—沖擊片；3—上沖擊室；4—下沖擊室；5—柱塞短節；6—柱塞；7—尾管；8—接收器。

水力沖擊解堵工具是利用水擊原理對地層進行壓裂解堵。水擊又稱水錘，是有壓管道中液體流速發生急劇變化引起的壓力大幅度波動現象。水擊產生的內在原因是液體的慣性。施工時，通過油管將工具下入至設計深度，通過地面泵向油管內加壓力pb。沖擊室在正常狀態下，在沖擊片和柱塞的作用下處于密閉狀態，其內充滿0.1 MPa的空氣。

當泵壓pb與液柱壓力pyz之和大于沖擊片的爆破壓力pbp時，即，pb+pyz>pbp，沖擊片突然破裂。油管內液體在巨大壓差作用下大量進入0.1 MPa的沖擊室，形成高速液流。沖擊室的長度需要足夠長，保證油管內液體壓力可以充分釋放，到達很高的流速。當高速液流沖至柱塞處時遇阻，產生水擊效應，液體的動能轉換為壓力，會產生很高的瞬時壓力，將柱塞壓入尾管，同時液體高速進入地層。柱塞最終落于底部的接收器內，而水擊壓力在井筒內不斷震蕩衰減，形成解堵效果。

2 水擊壓力計算

海上油田脈沖水力沖擊解堵工具的解堵作用主要包括2個方面，一是機械造縫作用，二是水力脈沖作用。機械造縫作用主要是通過瞬時水力沖擊壓力在近井地帶形成微細裂縫，擴大自然裂縫。水力沖擊工具形成的沖擊波是不斷震蕩衰減的，形成多個壓力波，使新裂縫不斷延申，提高地層的導流能力，起到解堵作用。

忽略油管的彎曲變形，假設油管為等截面直管，沖擊片破裂后，油管內液體向下流動，任取管路內一微元段作為研究對象，設斷面1和2的位置坐標分別為z和z+Δz，在任意時段Δt內進行分析。如圖2所示。

圖2 油管內液柱微元

根據等截面管道液體流動的質量守恒和動量守恒定律，分別得到油管內液體運動的連續性方程和運動方程[11]。

(1)

(2)

式中：v為油管內液體釋放速度，m/s；h為液體能量水頭，m；c為水擊波傳播速度，m/s；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；λ為摩阻系數，無因次。

水擊現象產生的壓力會以壓力波的形式沿油管內液體和油管傳播，水擊波速定義了水擊壓力波在油管內液體和油管中的傳播速度，水擊波速大小主要與壓力水管直徑、管壁厚度、管壁材料彈性模量和液體體積模量有關。根據目前廣泛應用的水擊波速計算公式得到水力沖擊工具內產生的水擊波的傳播速度為[12]。

(3)

式中：K為油管內液體的體積彈性模量，Pa；ρ為油管內液體密度，kg/m3；D為油管內徑，m；E為油管材料彈性模量，Pa；δ為油管管壁厚度，m。

取油管內液體體積彈性模量為1.38 GPa，油管內液體密度1 000 kg/m3，油管直徑0.062 m，油管壁厚0.005 5 m，油管彈性模量201 GPa，代入式(3)，得到水擊波在水力沖擊工具中的傳播速度為1 130 m/s。

本文假設沖擊片破裂后，沖擊片完全打開，油管內液體在沖擊室內充分釋放，當油管內液體撞擊沖擊室底部的柱塞時，產生直接水擊，水擊壓力的計算式為：

Δph=ρmc(v0-v)

(4)

式中：Δph為水擊壓力，Pa；ρm為油管內液體密度，kg/m3，本文取ρm=1 000 kg/m3；v0和v1分別為油管內液體撞擊柱塞前的流速和撞擊柱塞后的流速，m/s。

從式中可以看出，水力沖擊壓力大小與油管內液體的速度變化成正比。液體撞擊柱塞前的流速可根據不同沖擊室長度計算求得，液體撞擊柱塞后的流速假設為0，代入式(4)即可計算得到水力沖擊工具對地層產生的瞬時高壓。

3 關鍵部件計算分析

3.1 沖擊室抗擠毀壓力計算

擠毀也稱壓潰，指沖擊室在外壓力作用下失穩、發生變形或壓扁的失效過程[13]。當沖擊室外部靜水壓力大于內部液體壓力，且二者壓差達到沖擊室的臨界擠毀壓力時，沖擊室就可能發生擠毀。沖擊片破裂前沖擊室內為密閉狀態，壓力僅為大氣壓0.1 MPa。水力沖擊工具施工過程中，沖擊室會承受油套環空的靜液柱壓力及水力沖擊工具產生的瞬時高壓，可能會產生擠毀失效，因此需要對沖擊室進行抗擠毀分析。

由于沖擊室壁厚/半徑值較小、長度/直徑值較大，沖擊室擠毀主要受彈性屈曲控制[14-15]。查閱相關資料，得到沖擊室臨界擠毀壓力的計算公式為

(5)

式中：pr為沖擊室臨界擠毀壓力，Pa，cm為載荷與材料不確定系數，本文取cm=0.85；cg為幾何缺陷系數，本文取cg=0.88；γ為材料泊松比；t為沖擊室壁厚，m；D1為沖擊室外徑，m。

取沖擊室彈性模量201 GPa，材料泊松比0.3，沖擊室直徑0.130 m，沖擊室壁厚0.015 m，代入式(5)，得到沖擊室臨界擠毀壓力為507 MPa，滿足使用要求。

3.2 沖擊片爆破壓力計算

本工具使用的沖擊片結構如圖3所示。

1—夾持器；2—O圈；3—沖擊片；4—底座；5—墊片。

其中，夾持器端部加工公制螺紋，與水力沖擊工具的沖擊片短節連接。沖擊片是水力沖擊解堵工具的核心工具，沖擊片的材料和厚度選擇直接影響沖擊片的爆破壓力，本文選擇沖擊片材料為316L不銹鋼材料，表面腐蝕十字形凹槽，通過氬弧焊將底座、沖擊片、夾持器焊接在一起。沖擊片的厚度計算公式如下：

(6)

式中：p0是設計的沖擊片爆破壓力，MPa；S1是沖擊片承受爆破壓力的面積，m2；L為腐蝕的十字形凹槽的長度，m；σb為316L材料抗拉強度，MPa。

本文取p0為30 MPa,沖擊片直徑50 mm，σb為480 MPa，計算得沖擊片厚度δ=1.0 mm。

由于沖擊片厚度很薄，焊接完成后，需要采用無損探傷工藝進行檢測，保證沖擊片質量。加工完成后的沖擊片如圖4所示。

圖4 沖擊片實物

沖擊片爆破壓力對水力沖擊工具最后的壓力放大效果有很大影響，對設計的沖擊片進行壓力爆破試驗，試驗結果如表2所示。

表2 沖擊片爆破壓力試驗數據

從表2中可以看出，設計的沖擊片爆破壓力滿足要求。

4 現場試驗

2020-09，脈沖水力沖擊解堵工具在長慶油田某油井進行了現場試驗。該井射開油層有效厚度24.3 m，最大井斜22°，共3層，井深1 490 m，采用套管完井方式。通過88.9 mm(3英寸)油管將水力沖擊工具下至目的層位，約1 400 m處。現場施工管柱如圖5所示。

圖5 現場施工管柱

組裝好的水力工具如圖6～7所示，工具串從上到下依次包括沖擊片短節、沖擊室、柱塞短節、尾管和接收器。在尾管內放置有可記錄最高壓力值的壓力計，可以采集井底液體的壓力變化。水力沖擊作業前，壓力計讀數為地層壓力，沖擊片破裂后，壓力計可以準確記錄到水力沖擊產生的瞬時最高壓力值。

現場采用30 MPa破裂壓力的沖擊片，通過泥漿泵車加壓至15.5 MPa時，泵車壓力表突然降低，顯示沖擊片已破裂。考慮到水力沖擊工具所在位置承受靜液柱壓力為14.0 MPa，沖擊片破裂壓力為29.5 MPa，與設計爆破壓力一致。起出水力沖擊管柱，讀取壓力計記錄數據，最高壓力值為23 MPa，約為水力沖擊工具所在位置地層破裂壓力的1.2倍，滿足瞬時壓力放大效果。

5 結論

1)水力沖擊解堵工具利用水擊原理實現壓力放大，通過造縫作用和水力脈沖作用可以實現地層解堵。計算了該工具產生的最大壓力，最大壓力大小與油管內液體的速度變化成正比。

2)沖擊室壁厚/半徑值較小、長度/直徑值較大，沖擊室擠毀主要受彈性屈曲控制。計算了沖擊室的抗擠毀壓力，滿足水力沖擊工藝要求。沖擊片是水力沖擊解堵工具的核心零件，材料和厚度選擇直接影響沖擊片的爆破壓力。本文選擇的沖擊片材料為316L不銹鋼，表面腐蝕十字形凹槽，沖擊片厚度為1 mm。

3)選擇30 MPa破裂壓力的沖擊片，在1 500 m深的試驗井中進行試驗。結果顯示沖擊片爆破壓力為29.5 MPa，進入地層的瞬時最大壓力為23 MPa，可以達到地層破裂壓力的1.2倍，具有良好的沖擊解堵效果。