沖砂驗漏一體化工具研制

張云馳，李瑞豐，劉傳剛，劉景超，李清濤

（中海油能源發展有限公司工程技術分公司，天津 300452）

隨著油田開發逐步進入到中、后期，井下出砂、電泵失效、套（篩）管內表面結垢、結蠟，封隔器失效或生產管柱腐蝕等問題層出不窮[1-2]，針對這些問題，需要起出生產管柱進行修井作業，而海上油田的完井方式多為分層防砂完井，在修井過程中，往往需要進行井下沖砂和封隔器密封筒驗漏兩項作業，沖砂時下入油管連接引斜的沖洗管柱，井底流速低，沖洗效率較差，驗漏時利用完井防砂服務工具中的定位密封和插入密封進行組合，沒有專用工具，使用條件有局限[3]。

1 設計原理

針對傳統沖砂驗漏作業的技術缺陷，設計了一種沖砂驗漏一體化工具，見圖1，該工具由三部分構成，分別是循環驗漏短節、配長的油管短節以及旋轉沖洗頭。其中，循環驗漏短節可根據密封筒尺寸配套安裝，一般可選裝3.25″、3.88″和4.75″三種型號密封模塊，驗漏通道上下各安裝兩組密封模塊，單組為兩個密封模塊，保證了針對多層密封筒作業時的可靠性。作業時，工具下放探砂面沖砂，整體管柱內部有液體流道，旋轉沖洗頭裝配有不同方向的噴嘴，在高壓沖洗液的作用下，噴頭旋轉沖洗井下管柱內壁及井底沉砂[4]，沖砂結束后，可投球打壓剪切循環驗漏短節中球座，球座下行打開驗漏通道，上提管柱至密封筒處，啟泵正循環檢驗各層封隔器密封筒的密封性，若壓力不降即密封性合格。

2 力學校核

沖砂驗漏一體化工具中循環驗漏短節外徑最大，存在一定的卡鉆風險，特對其抗拉強度進行有限元校核計算，其三維幾何模型如圖2所示。

對循環驗漏短節下端施加固定約束，上端的突出端面施加拉力，其中拉力逐步遞增施加，分別為70t、80t、90t、100t、110t，整體采用穩態計算分析，采用第四強度理論，即莫爾強度理論作為校核強度準則，分別計算不同拉力載荷下本體承受的最大等效應力強度，其中本體材料為40CrMnMo，屈服強度785MPa，當循環沖洗驗漏短節在拉力達到90t時，本體材料最大等效應力達到屈服強度，應力云圖如圖3所示。最大等效應力主要出現在連接母扣薄壁端，驗漏循環孔孔周邊也存在一定程度的應力集中。考慮加工時材質的非均質性及加工精度，取安全系數為1.2，循環驗漏短節整體抗拉噸位為75t，大于2-7/8″作業油管的抗拉噸位（47～64.5t），滿足作業要求。

3 技術參數測試

沖砂驗漏一體化工具最大工作排量1m3/min，旋轉沖洗頭啟動排量為0.5m3/min，噴頭設計有9個噴嘴，其中，側向噴嘴數量為4個，為噴頭旋轉提供動力來源，垂直向下及斜向下噴嘴數量為5個，清掃井筒內部沉砂及沖刷管柱內壁。經過地面測試，見圖4，當排量達到0.7m3/min 時，單個噴嘴沖擊力超過150N，可以有效沖散膠結砂礫。因此，建議工作排量為0.7～1m3/min。此外，測試沖砂排量與壓力的關系如表1所示，可為現場沖砂提供數據支撐。

沖砂驗漏一體化工具中的旋轉沖洗頭內軸承件為易損部件，為保證工具整體可靠性，特針對旋轉沖洗頭軸承壽命進行測試，旋轉沖洗頭一端與電機相連，由電機帶動噴頭高速旋轉，轉速300r/min，見圖5，累計旋轉48h 后，噴頭旋轉阻力依然保持均勻，且經水力測試旋轉無恙，驗證旋轉沖洗噴頭至少可連續工作48h，滿足設計要求。

4 現場應用

該工具累計在渤海某油田已累計應用17 井次，沖砂和驗漏兩種工藝作業一趟鉆完成，平均單井節省作業時間20h，提高了作業時效。

5 結論

表1 排量與壓力關系

（1）研發的沖砂驗漏一體化工具可以一趟管柱實現沖砂和驗漏兩種作業，操作便捷，結構可靠。

（2）經測試，沖砂驗漏一體化工具工作排量為0.7～1m3/min，此時單個噴嘴沖擊力大于150N，至少可連續工作48h，滿足海上作業要求。

（3）研究成果經推廣，已在海上油田應用，提高了作業時效，降低了作業費用，有一定的應用前景和推廣價值。