(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

海上油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，由于結(jié)蠟、結(jié)垢、出砂等原因?qū)е戮圻B通性越來越差，低產(chǎn)低效井日益增多，如何提高滲透率成為老井煥發(fā)生機(jī)的關(guān)鍵[1]。徑向沖孔解堵技術(shù)利用機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)套管進(jìn)行開孔，通過高壓水射流對(duì)地層進(jìn)行沖擊，實(shí)現(xiàn)地層與井筒之間的有效連通，與徑向水平井鉆井技術(shù)相類似[2]。套管開孔方面，國(guó)外相關(guān)技術(shù)公司都進(jìn)行了深入研究，如美國(guó)貝克公司利用磨銑方式進(jìn)行開窗；RDS公司利用井下馬達(dá)驅(qū)動(dòng)合金鉆頭開窗[3]。國(guó)內(nèi)如中國(guó)石油大學(xué)、江漢機(jī)械研究所等在套管開窗技術(shù)上也進(jìn)行了相關(guān)研究，如利用旋轉(zhuǎn)射流噴嘴代替合金鉆頭來進(jìn)行套管開窗等[4-8]。此外，中國(guó)石油大學(xué)(華東)楊永印教授也提出了利用杠桿原理，通過機(jī)械方式在不擴(kuò)孔的情況下一次性完成開窗及鉆進(jìn)的技術(shù)方案[9-10]。筆者針對(duì)套管開孔，對(duì)機(jī)械式井下沖孔技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)具有套管開孔功能的機(jī)械沖孔工具，并利用有限元分析和室內(nèi)試驗(yàn)等方式對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

1.1 沖孔技術(shù)原理

常規(guī)井下徑向鉆井技術(shù)至少需要作業(yè)工具2次起下鉆才能完成1次開孔作業(yè)。與常規(guī)井下徑向鉆井技術(shù)不同，機(jī)械式井下沖孔技術(shù)利用液壓通過機(jī)械沖頂進(jìn)行開孔，并實(shí)現(xiàn)了一次下井多次開孔的目的。機(jī)械沖孔工具主要包括縱向活塞推進(jìn)機(jī)構(gòu)、橫向沖孔錐沖頂機(jī)構(gòu)、復(fù)位彈簧回收機(jī)構(gòu)等部分。整個(gè)工作過程以液壓作為動(dòng)力，當(dāng)工具下放到開孔位置時(shí)，錨定器將工具固定，高壓流體進(jìn)入到工具內(nèi)部，推動(dòng)縱向推進(jìn)活塞上行，產(chǎn)生的推力傳遞到橫向沖頂機(jī)構(gòu)的沖孔錐并最終作用在套管上，沖孔錐頂穿套管完成開孔作業(yè)。當(dāng)停泵時(shí)，縱向推進(jìn)機(jī)構(gòu)受復(fù)位彈簧反作用而開始沿原路徑向下恢復(fù)到原位，通過連桿杠桿作用，沖孔錐受中心拉力而回收復(fù)位，單次沖孔作業(yè)結(jié)束。上移管柱至下一個(gè)預(yù)定開孔位置，重復(fù)上述步驟，便可再次進(jìn)行套管開孔作業(yè)。工具原理圖和三維示意圖如1～3所示。

1—上接頭；2—復(fù)位彈簧；3—定位針；4—推壓座；5—推力活塞；6—工具本體；7—沖孔錐臂；8—轉(zhuǎn)動(dòng)銷；9—沖孔錐;10—液壓缸套。 圖1 機(jī)械沖孔工具結(jié)構(gòu)原理

圖2 初始工作狀態(tài)三維原理示意

圖3 頂穿套管工作狀態(tài)三維原理示意

1.2 工藝優(yōu)勢(shì)

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械式井下沖孔技術(shù)在套管開孔方式及施工程序方面較之前的常規(guī)徑向鉆井工藝相比有明顯差異。一方面，該技術(shù)無需下入鉆管和轉(zhuǎn)向器，1次下井，即可實(shí)現(xiàn)套管在不同深度與方位精確開孔；另一方面，省去了段銑與擴(kuò)孔作業(yè)，降低了施工成本與復(fù)雜程度。與其他模式的套管開窗方式相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：

1) 通過液壓沖頂方式開孔，實(shí)現(xiàn)起來比較方便，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2) 沖孔直徑大于10 mm，可達(dá)到套管微開孔目的。

3) 1次下井可對(duì)多個(gè)目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)連續(xù)沖孔，作業(yè)效率高。

4) 不需要下入鉆管和轉(zhuǎn)向器，提高了工作效率。

2 套管沖孔過程有限元分析

2.1 仿真模型及材料參數(shù)

以鋼級(jí)N80外徑139.7 mm套管為例進(jìn)行沖孔模擬分析，求解沖孔套管所需的最大力。套管參數(shù)如表1所示[11]。

表1 套管參數(shù)

沖孔過程是一個(gè)接觸非線性碰撞，整個(gè)過程中套管發(fā)生較大塑性變形直至斷裂破壞，而沖孔錐不發(fā)生塑性變化，故將沖孔錐定義為接觸問題中的剛體部分，套管定義為柔體，分析沖孔過程中發(fā)生的塑性變形和材料失效斷裂。已知沖孔錐材料為Cr12MoV，刃角80°， 彈性模量設(shè)置為E=210 GPa。套管鋼級(jí)為N80，屈服強(qiáng)度為552～758 MPa，最小抗拉強(qiáng)度689.48 MPa。采取六面體結(jié)構(gòu)劃分形式對(duì)套管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。建立套管沖孔模型如圖4所示[12]。

圖4 套管沖孔三維模型

2.2 有限元仿真結(jié)果[13-16]

套管沖孔過程中沖孔等效應(yīng)力如圖5所示。

圖5 套管沖孔等效應(yīng)力分布

圖5a為套管未經(jīng)沖孔時(shí)的狀態(tài)剖視圖，從此狀態(tài)以后，沖孔錐與套管接觸并開始沖孔。圖5b中套管內(nèi)部呈現(xiàn)出不同的應(yīng)力值，其中沖孔錐刃部與套管接觸處位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值迅速上升，沖壓區(qū)外部應(yīng)力值較大，但不是最大應(yīng)力值所在位置，最大應(yīng)力值發(fā)生在管內(nèi)與沖孔錐接觸部位；圖5c中隨著沖壓部分等效應(yīng)力值繼續(xù)升高，應(yīng)力集中處套管產(chǎn)生變形，等效應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度的區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性流動(dòng)。圖5d中等效應(yīng)力值超出材料的破壞強(qiáng)度，沖孔錐頂穿套管，此時(shí)等效應(yīng)力值最大為749.2 MPa，主要發(fā)生在裂口邊緣處，隨著沖孔錐行程加大，裂口有繼續(xù)擴(kuò)散的可能。

套管沖孔過程中沖孔主應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。

圖6 套管沖孔主應(yīng)變分布

從主應(yīng)變?cè)茍D來分析，經(jīng)過沖孔錐沖頂，如圖6a所示的套管原始狀態(tài)遭到破壞，當(dāng)發(fā)展到圖6b狀態(tài)時(shí)，套管產(chǎn)生局部變形，主要是沖孔錐刃線對(duì)套管的沖頂造成。圖6c時(shí)，沖孔錐刃面更多區(qū)域與套管接觸，使應(yīng)變發(fā)生區(qū)域擴(kuò)大，隨著沖孔錐行程的加大，直至圖6d的狀態(tài)，沖孔錐沖破套管并達(dá)到行程。當(dāng)沖孔錐完全伸出套管時(shí)，最大變形值為18.34 mm，應(yīng)變值最大發(fā)生在套管開孔邊緣處的未破碎區(qū)，而套管向兩側(cè)翻開的碎片區(qū)已經(jīng)過最大應(yīng)變值時(shí)刻。由模擬結(jié)果顯示，沖孔錐沖頂套管的開口方式為對(duì)稱開口形式，在沖孔錐行程足夠時(shí)，可以滿足對(duì)目標(biāo)位置套管處的沖孔效果。

提取沖孔錐參與沖孔過程刃部的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)出整個(gè)沖頂過程中的受力情況，繪制其受力曲線如圖7所示。

圖7中曲線可以分析出沖孔過程阻力呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，沖孔錐阻力的趨勢(shì)是先增加后減小，其中0～0.28 s期間，阻力值呈現(xiàn)迅速上升趨勢(shì)，在0.28 s時(shí)沖孔錐阻力達(dá)到峰值522 kN，說明套管此時(shí)開始產(chǎn)生裂縫，隨后阻力值略有下降，到0.39 s時(shí)，阻力又一次出現(xiàn)一個(gè)小的峰值，此時(shí)套管的裂縫開始擴(kuò)展，沖孔錐的阻力值也開始下降，直到0.39 s至終終止，阻力開始平穩(wěn)下降。通過計(jì)算，結(jié)合機(jī)械沖孔工具內(nèi)腔活塞尺寸，當(dāng)給所設(shè)計(jì)機(jī)械沖孔工具提供40 MPa的壓力時(shí)，可以給沖孔錐提供532 kN的力，因此作業(yè)過程中，40 MPa以上的泵壓即可達(dá)到?jīng)_孔作業(yè)要求。

圖7 沖孔錐受力曲線

3 樣機(jī)綜合評(píng)價(jià)試驗(yàn)

根據(jù)以上理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，針對(duì)適合?139.7 mm套管中應(yīng)用的機(jī)械沖孔工具進(jìn)行了相關(guān)室內(nèi)功能試驗(yàn)，試驗(yàn)器材及規(guī)格如下:

1) 機(jī)械沖孔工具，最大外徑114 mm。

2) 高壓柱塞泵，最高工作壓力80 MPa。

3) ?139.7 mm(5英寸)套管，鋼級(jí)N80,內(nèi)徑118.6 mm，外徑139.7 mm。

工具組裝完成后，測(cè)試空行程沖孔錐外伸到位后最大外徑為144 mm。套管沖孔試驗(yàn)過程中，壓力大于30 MPa時(shí)套管產(chǎn)生明顯變形。隨試驗(yàn)壓力升高，套管產(chǎn)生破裂，最高試驗(yàn)壓力40 MPa時(shí)套管破裂明顯，測(cè)量破裂處最大外徑為150 mm，裂口長(zhǎng)度約30 mm，寬度約2.5 mm。試驗(yàn)情況如圖8～9所示。

圖8 套管沖孔試驗(yàn)

圖9 套管開孔情況

4 結(jié)論

1) 由于結(jié)蠟、結(jié)垢、出砂等原因?qū)е碌牡彤a(chǎn)低效井，提高滲透率、增大地層與井眼之間的連通性是低產(chǎn)低效井換發(fā)生機(jī)的關(guān)鍵所在。

2) 對(duì)機(jī)械式井下沖孔技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)機(jī)械沖孔工具。利用有限元方法對(duì)套管沖孔過程進(jìn)行模擬分析，經(jīng)過地面試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)械沖孔技術(shù)的可行性。

3) 機(jī)械沖孔技術(shù)與相關(guān)類似技術(shù)相比較，套管開孔作業(yè)不需要轉(zhuǎn)向器及大規(guī)模設(shè)備，效率更高。

4) 利用有限元方法對(duì)套管沖孔過程進(jìn)行了分析，當(dāng)沖孔錐頂穿套管應(yīng)力值大于套管的材料破壞強(qiáng)度時(shí)，套管沖孔成功。所設(shè)計(jì)的適用于外徑139.7 mm套管中應(yīng)用的機(jī)械沖孔工具，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)作業(yè)壓力大于40 MPa時(shí)，套管沖孔成功。