連續管旋轉噴砂切割復雜管柱的試驗研究

＊端木曉亮 蓋志亮 劉洪翠

（1.中石油川慶鉆探長慶井下技術作業公司 陜西 712000 2.中石油江漢機械研究所有限公司 湖北 434000）

引言

隨著國內各油田勘探開發的深入及大部分井的開采已進入中后期，生產、鉆井、壓裂等管柱卡鉆事故呈上升趨勢。由于造成該類型的作業管柱卡鉆的原因復雜多變，每一種卡鉆管柱處理措施不盡相同。特別是處理小通徑的注水井，厚管壁的鉆井，攜帶復雜工具的壓裂等復雜管柱，給修井作業帶來了比較大的困難，且處理時間長，勞動強度大，費用高。

1.復雜管柱切割難點分析

在常規修井解卡作業中遇到的下列管柱：油氣水井作業管柱、水平井作業管柱、壓裂管柱、鉆井管柱、組合管柱，上述系列管柱在解卡過程中會造成以下難題。

(1)攜帶復雜工具的卡鉆管柱

注水井生產管柱的卡鉆需要將油管和多只封隔器整體起出作業井筒，井下工具串復雜，處理難度大。早期多級壓裂工具包含多套封隔器與噴槍，壓裂管柱卡鉆與砂堵的解卡處理，工具復雜解卡困難。

(2)鉆桿與厚壁鉆鋌的解卡

鉆桿解卡作業在大修作業中一直是個難題。鉆桿管壁較厚，內通徑較小，常規措施無法處理；鉆桿往往攜帶復雜的作業工具，若解卡后剩余落魚太長，給后續的作業帶來困難。

(3)組合管柱解卡

地層產出物如砂、垢沉積及井筒內雜質集結，極易造成防砂管柱、生產管柱同時遇卡，傳統的雙管解卡作業采用先切割內管打撈，再切割外管。需要進行兩次切割，切割工序復雜、作業時間長、成本高。

2.連續管旋轉噴砂切割技術研究

本文將連續管作業技術與磨料射流切割優勢結合，開展旋轉噴砂切割影響因素、井下專用工具研制、地面試驗等三個方面的試驗研究。其中井下專用工具適應小尺寸管柱、自旋轉原理等方面進行研制。開展了射流深度、噴距、時間、噴嘴角度對磨料射流切割金屬管柱的影響等方面試驗與研究，給出了相關參數。

(1)旋轉噴砂切割基本原理

磨料射流切割技術基本原理為將磨料和工作液在地面均勻混合后，通過高壓泵注設備注入到連續管裝備，輸送到旋轉噴砂切割工具。利用高壓磨料流體反作用力驅動噴頭，高速磨料射流切割井下管柱，實現管柱的連通或解卡[4-5,7]。

圖1 旋轉噴砂切割工具結構圖

(2)旋轉噴砂切割工具

工作原理：高壓磨料流體通過連續管輸送給旋轉噴射工具，噴頭上安裝2～3支噴嘴，流體通過噴嘴時利用射流反作用力驅動噴頭旋轉，噴頭帶動芯軸，其中限速環4與本體3產生摩擦，轉速越高摩擦力越大，有效限制噴頭將轉速控制在合理范圍內，防止內部旋轉機構失速，提高射流切割效率[8]。

(3)噴砂切割管柱影響因素研究

地面磨料設備測試磨料切割管柱試驗，通過調整不同的射流參數及砂比獲得切割管柱的影響因素，在射穿內層管柱的同時研究對外層套管的損傷程度，探索最佳的參數組合。

測試靶件：2-7/8"油管（壁厚5.5mm）+4-1/2"篩管（壁厚14.3mm）+7"套管（壁厚9mm）同心布置；噴嘴直徑d為3mm。

①射流速度對切割的影響

由圖2可見，在2min內，150m/s的射流速度下，套管幾乎沒有受到損傷；速度升至165m/s，套管沖蝕凹坑最大深度2.5mm；當速度升至195m/s時套管沖蝕凹坑最大深度升至6.5mm，說明隨著射流速度的增加，切割能力增強。

圖2 射流速度與切割深度關系

圖3 沖蝕時間與深度關系

②時間與切割深度關系

切割時間是關鍵因素，精確的控制切割時間能夠避免套管損傷[1]。在射流速度一定條件下射流沖蝕深度與時間成正相關關系，時間越長沖蝕深度越深。但在淹沒狀態下磨料在水中的速度衰減較快，切割的深度曲線逐漸趨于平緩，說明隨著時間的延長，射流速度衰減，切割深度增加逐漸降低趨勢，衰減到一定程度磨料射流切割深度開始下降[6]。

③噴距與切割深度關系

隨著噴距的增加，切割深度逐漸減小，磨料射流的切割效率也逐漸降低。這是因為磨料射流形成以后，它會受到周圍環境的影響，射流的速度產生衰減，衰減速度的快慢與噴距有較大的關系，噴距越大，磨料射流沖擊點所具有的能量就越小，切割效率也就越低[3]，見圖4。

圖4 噴距與切割深度關系

④噴射角度對切割的影響

45°、60°、90°傾角噴嘴，在噴嘴壓降17MPa不變的條件下，射穿油管與篩管時間分別為130s、100s、90s左右，說明角度越小，射穿篩管所需的時間越長（效率越低）。

通過上述測試得出：在砂比7%，石英砂70～100目，射流速度為180～190m/s條件下，切割效率較高。射流速度對于切割影響較大，當速度低于160m/s切割效率很低，幾乎沒有進尺。

3.幾種典型管柱切割測試

在切割影響因素的研究基礎上，優化旋轉噴砂的射流參數，進行了相關地面試驗。實驗條件：石英砂70～100目，砂比7%，射流速度控制在185m/s。

(1)油管切割測試

靶件：2-7/8"油管N80鋼級（壁厚5.5mm）。

表1 油管切割實驗數據

安裝兩個d=3mm噴嘴切割角度為90°噴距為9.5mm。切割過程處于淹沒狀體，4min出現一側出水，5min油管基本完全切斷，石英砂為70～140目使用量為50kg，砂比7%。

(2)組合管柱切割測試

靶件：2-7/8"油管N80鋼級（壁厚5.5mm）+4-1/2"篩管（壁厚14.3mm）。

表2 組合管柱切割試驗數據

4-1/2"篩管本體外圍添加了2～3層不銹鋼篩網。2個d=3mm噴嘴切割角度為90°噴距為9.5～29mm。切割油管過程處于淹沒狀態，石英砂為70～140目使用量為750kg，砂比7%，切割時間為52min，組合管柱完全切斷。

(3)鉆桿切割測試

靶件：5"鉆桿（壁厚28.75mm）。

表3 篩管切割試驗數據

兩個d=3mm噴嘴切割角度為90°噴距為29.5mm。切割過程處于淹沒狀態，石英砂為70～140目使用量為1050kg，砂比7%，整體切割時間為67min，鉆桿較厚沒有完全切割，割縫邊緣不連續連接，剩余部分厚度1～2mm。

4.結束語

連續管作業技術目前已經大量應用在油田的各種作業工況，年作業量達到了5000井次以上。目前大量老井、注水井、海上的復雜管柱卡鉆后處理難度較大，處理周期較長。連續管旋轉噴砂切割復雜管柱的試驗研究為提高連續管修井提供一種技術手段。

（1）通過本文試驗研究，驗證了旋轉噴砂切割復雜管柱的可行性，測試過程中對射流參數進行了研究，針對復雜管柱的切割要合理控制切割時間與射流速度。

（2）研制了連續管井下旋轉噴砂切割工具，通過地面試驗驗證了工具的可靠性，長時間穩定性、高的壽命，為下一步入井試驗奠定基礎。

（3）連續管井下試驗需要考慮井下圍壓對射流參數影響，需要進一步研究井下切割參數以及地面現場配套。