新型防卡套管刮削器的研制与应用.pdf

油机械
2011年第39卷第12期
CHNA PETROLEUM MACHINERY
应用技术
新型防卡套管刮削器的研制与应用
曲占庆路辉!程宇辉2刘广忠田相雷3
(1.中国石油大学(华东)石油工程学院2.江苏油田分公司米油二厂3.胜利油田分公司现河采油厂
摘要在油田井下作业中,若遇到套管变形或结垢严重的共,常规套管刮削器很容易卡堵管
柱。为此,研制了新型防卡套管刮削器。该刮削器将高压射流清污技术与常规刮削技术相结合,
对其关键部位出液孔的结构和相关参数进行优化设计,可以有效解决现场作业中的卡堵现象。在
江苏油田34口井的现场应用表明,新型防卡套管刮削器施工成功率100%,既给作业施工带来便
利,又可减少卡管柱事故井的数量,具有较好的经济效益
关键词防卡套管刮削器出液孔参数优化高压射流解卡解堵
套管刮削器是完井、测试和井下作业不可缺少合,并进行了参数优化,可以有效解决现场作业中
的辅助工具,主要用来清除井下套管壁上残留的水的卡堵现象。
泥、泥块和轧制中产生的毛刺、鳞片等有碍正常施
工作业的杂物。若遇到套管变形或结垢严重的井,1技术分析
则很容易造成常规套管刮削器卡堵,影响正常作
业。为此,中国石油大学(华东)与江苏油田分1.1结构
公司于2009年合作研制了新型防卡套管刮削器
新型防卡套管刮削器结构如图1所示。中心衬
该刮削器将高压射流清污技术与常规刮削技术相结管外圈设有环形槽,顶端内孔设有锥形孔;中心树
锥形孔1
23出液孔4
789101112
图1新型防卡套管削器结构示意因
ー密封圏;2一剪钉;3一剪钉槽;4一环形槽;5一中心衬管;6一螺钉;7ー
弹簧;8一连接板;9一刀板;10一连接螺钉;I1ー压块;12一挡块;13一主体。
管通过主体上的剪钉和中心衬管上的剪钉槽连接;削。当遇有套管变形或结垢脏物卡住刀板时,从井
主体中上部设有出液孔;弹簧位于刀板与连接板之门投入钢球,待钢球落入中心衬管锥形孔后,注液
间,通过连接螺钉固定,刀板组件安装在主体上的加压。中心衬管受液压作用剪断剪钉后下移,刀板
长方形孔内,压板插装在主体上T形槽内,对刀板组件内收至中心树管环形槽内。继续加压,液体经
组件限位;中心衬管与主体之间设有0形密封圈。主体上的出液孔产生高压射流,对防卡刮削器与套
1.2工作原理
管环形空间进行冲洗,从而达到解堵解卡的目的。
入井前将中心衬管装入主体中心孔内。作业时1.3主要技术参数
将防卡刮削器连接在油管下端,刀板在弹簧弹力作
防卡刮削器的上、下接73mm(2in)的
用下,其外表面与套管内壁紧贴,提供径向进给油管,中心衬管内径35.4mm,外径62mm;筒体
カ,并随着油管柱上、下运动,对套管内壁进行刮外径115mm,刀板完全伸开最大外径为130m。
*基金项目:国家科技重大专项“胜利油田薄互层低滲透油藏开发示范工程”(2011ZX052)
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在实验室条件下,对出口段长度进行破岩效果试
2关键设计
验,结果如图4所示。
一孔径
出液孔是射流的执行部位,直接影响防卡刮削
孔深
86
器的解堵解卡效果。通过内孔横截面的收缩,出液
…体积
孔将高压液体的压力能量聚集并转化为动能,对套
管内壁上的水泥块、水泥环和硬蜡等污垢进行清
址名
洗。射流参数的优化设计研究大都建立在定性的理
论分析和定量的试验基础上。为了使防卡刮削器获
出液孔直径d/mm
得最大的射流冲击力,在实验室进行了大量的试
图3出液孔直径与破岩效果关系曲线
验,对出液孔参数进行优化。
2.1出液孔结构优选
孔径
出液孔结构参数是影响水射流性能的重要参
数。需要优选的结构参数包括出液孔孔形、出口直
孔溪
径和出口段长度等。
账,
10
2.1.1孔形
出液孔孔形影响流量系数、扩散角以及射流的
2.5
等速核长度,是影响射流的关键因素。防卡刮削器
出口段长径比Lld
选择圆锥形孔形,可满足解堵解卡的工艺需要,其
图4出口椴长度与破岩效果关系曲线
水力特性参数为:流量系数0.94~0.96,扩散角
从图可以看出,出口段长度与出口直径的比值
8°,等速核长度为4.8d。圆锥形出液孔的结构如对破岩孔深影响较小,比值为1.5时孔深较大。
图2所示
2.1.4收缩角
选择怡当的收缩角Q对延长出液孔的寿命和
提高出液孔的效率有很大帮助。根据文献[21
分别对具有代表性的15、30和45°这3种不同收缩
角的出液孔进行应力有限元分析。分析结果表明,
应力最大值出现在收缩段和出口段交接处,且出口
图2國锥形出液孔结构
段平均应力大于圆锥收缩段;这3种收缩角出液孔
d-人口直径;dー出ロ直径;a-收縮角;Lー人口段
所受的最大应力分别为458.3、489.6和509.8
长度;一圆锥收缩段长度;L一圆柱出口段长度
MPa。随着收缩角的增大,出液孔所受的最大应力
1.2出ロ直径
逐渐增大,更容易磨损。考虑圆锥段对流体的加速
出液孔的出口直径决定了射流的流量。在实验作用,防卡刮削器的收缩角设计为13°。
室条件下,通常采用破碎坑的孔径和孔深来描述破2.1.5内孔表面粗糙度
岩的效果和效率!,进而描述解卡的效果。在10
出液孔内孔表面微小的凹凸不平会导致射流产
MPa压力、喷距25mm条件下,不同的出液孔出生较大的初始扰动,这种扰动将引起流体的压力波
口直径与破岩(红砂岩)效果的关系曲线如图3动。在高速流中,这种压力波动会引起严重的局部
所示。从图可以看出,在一定压力下,随着出液孔空穴现象,如果出液孔的材料硬度不足,就会遭到
直径的增大,射流效率大幅度增大,破岩体积也增破坏。因此,出液孔内孔表面越光滑越好,对于钢
大。在考虑防卡刮削器尺寸的情况下,设计时应尽制出液孔和碳化钨出液孔,圆锥内表面粗糙度最大
可能增大出口直径。
允许值为0.2pm,出口段内表面粗糙度最大允许
2.1.3出口段长度
值为0.1gm。
流体经圆锥收缩段加速后在圆柱出口段继续加
通过计算,将出液孔结构设计为:d=8
速,以获得更好的解堵效果。试验分析表明,存在
5mm(是出口直径的1.875倍),L。=16mm,
最佳出口段长度。另外,出液孔圆锥段收缩角的大L1=10mm,d1=1.6mm,a=13°。出液孔选择高
小及流体流动条件对出口段的最佳长度也有要求。强度、高耐磨性的材料,根据经验采用硬质合金,