談建平，姚本春，劉建新，張海鵬，韓忠林

（1.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆克拉瑪依834000；2.新疆華隆油田科技股份有限公司，新疆克拉瑪依834000）

非金屬連續(xù)管是一種由玻璃鋼和多種非金屬材料組合制成的玻璃鋼復合連續(xù)管，該管具有耐腐蝕、耐沖擊、韌性好、不結(jié)垢、沿程摩阻小和熱損失少等特點，同時該管管壁內(nèi)可以集成動力纜和信號纜，可以將電力輸送到井底驅(qū)動電潛泵采油，將井下數(shù)據(jù)采集信號輸送到井口。目前，該管已經(jīng)在油田地面輸油管線及井下大量使用，但與該管配套使用的井下作業(yè)工具較為匱乏。以沖砂工具為例，應用在金屬連續(xù)管上常見的沖砂工具有旋流連續(xù)沖砂工具、同心連續(xù)管真空清砂工具、連續(xù)管旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井工具[1‐3]，這些傳統(tǒng)工具是按照金屬連續(xù)管的特性設計的。在下放到井下的過程中，需要金屬管提供軸向推力，才能夠下放到目標位置，而非金屬連續(xù)管的軸向承壓能力不足以提供傳統(tǒng)工具所需要的軸向推力，因此傳統(tǒng)工具與非金屬連續(xù)管的配伍性差。所以研究適用于非金屬連續(xù)管的井下沖砂工具對進一步拓展非金屬連續(xù)管的應用范圍有重要意義。

1 技術分析

連續(xù)管沖砂具有以下特性：①無需起出作業(yè)井內(nèi)原有管柱。②連續(xù)管沖砂洗井無需連接管柱，可以帶壓連續(xù)作業(yè)，對地層傷害小且洗井效率高。③作業(yè)成本比常規(guī)洗井作業(yè)低25%～40%[4]。④連續(xù)管抗拉強度較高，可下入較重的洗井工具。⑤連續(xù)管設備易于安裝，機動性強，占地面積約為常規(guī)作業(yè)的1/3，可進行快速作業(yè)。⑥對水平井有針對性，適用于水平井快速高效沖砂作業(yè)[5]。非金屬連續(xù)管沖砂洗井工藝繼承了上述工藝的特性，在管端安裝洗井工具，洗井液通過非金屬連續(xù)管泵入井內(nèi)，由洗井工具增壓，產(chǎn)生高壓射流沖蝕攪動砂粒，從環(huán)空上返流體將井內(nèi)砂粒帶至地面，隨著連續(xù)管的不斷下入，砂面逐漸降低，最終完成沖砂洗井作業(yè)[1]。對比玻璃鋼復合連續(xù)管，其雖具有眾多優(yōu)勢，但制造方式?jīng)Q定了其存在不可克服的缺點。例如，空管地面設計軸向允許拉力為300 kN，但是軸向壓力卻遠遠小于該值。從現(xiàn)場施工情況來看，該管出故障均與軸向壓力有關。因此要將此管應用于沖砂作業(yè)，必須解決在下放過程中的軸向壓力問題。對于垂直井來說，由于其材質(zhì)為非金屬，密度接近于水，因此在下放過程中軸向壓力問題表現(xiàn)不顯著，而對于水平井，這種問題就越發(fā)明顯。

2 非金屬沖砂的相關理論

目前，沖砂工具種類較多，就其原理而言，可以分為正壓沖砂和負壓沖砂。負壓式?jīng)_砂是利用沖砂液高速流動過程中形成的負壓，將分散的砂?！拔比牍苤姆绞?，一般要配合雙壁管柱一起使用，采用充氣或者泡沫沖砂液進行負壓沖砂。正壓式?jīng)_砂是指在沖砂液的沖擊作用下破碎砂床，利用沖砂液流動將砂粒攜帶出井筒的方式。由于正壓式?jīng)_砂簡單方便、運用廣泛，因此本文選用正壓沖砂工具。

2.1 砂粒沉降末速度計算

只有最大直徑砂粒的沉降末速度小于沖砂液在井內(nèi)的上升速度，沉砂才能被沖砂液攜帶到地面。為了簡化計算，假設砂礫為球形，球形顆粒在液體中的運動速度與顆粒在液體中所受的重力、浮力以及阻力有關[6‐7]，當顆粒在靜止的流體中沉降速度達到穩(wěn)定，顆粒所受阻力與重力和浮力之差相平衡[8]，于是有：

式中，ds為顆粒直徑，m；ρs、ρ為砂粒及液體的密度，kg/m3；g 為重力加速度，9.8 m/s2；vt為靜止液體中顆粒沉降速度，m/s；ψ為顆粒移動的無因次阻力系數(shù)，無因次。

研究表明，要保證沖砂成功，沖砂液流態(tài)須為紊 流 ，則 1×103≤Re≤2×105，ψ= πC 8，由式（1）得式中，C為無因次阻力系數(shù)，沖砂液可視為牛頓流體，在紊流情況下，C=0.44～0.50[5]。地層砂礫直徑一般為0.2～0.8 mm，砂礫當量直徑可取中值0.5 mm[7]，密度為1.7 g/cm3，由此計算出靜止液體中顆粒沉降速度為0.1 m/s。

2.2 環(huán)套空間返砂液返流速度計算

常用的9.58 cm連續(xù)油管外徑約為73 mm，18.33 cm套管內(nèi)徑約為112 mm，返砂液通過套管與油管的環(huán)套空間將砂帶回地面，環(huán)套空間截面面積S計算如式（3）所示：

式中，D為套管內(nèi)徑，d為連續(xù)油管外徑。帶入相應的數(shù)值可計算9.58 cm連續(xù)油管和18.33 cm套管的環(huán)套空間面積為0.005 7 m2。

更進一步地，可計算環(huán)套的流速vf：

式中，Q為連續(xù)油管排量，通常取為0.003 4～0.006 7m3/s，取最小值帶入式（4）可得vf=

3 沖砂工具設計

3.1 沖砂工具結(jié)構(gòu)

目前金屬管所用沖砂工具比較成熟，適用于非金屬管的沖砂工具，只需對金屬管沖砂工具的沖砂頭進行重新設計，其余部分均可采用原有結(jié)構(gòu)。

沖砂工具結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，沖砂工具由沖砂頭、分水輪、旋轉(zhuǎn)座、分水器防轉(zhuǎn)塊和連續(xù)管接頭5部分組成。

圖1 沖砂工具結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the sand washing tool

沖砂頭和分水輪的結(jié)構(gòu)分別如圖2、3所示，共有10個噴水嘴，分別是：1個頂部噴水嘴，安裝分水輪時，用絲堵進行密封，當不需要產(chǎn)生脈沖射流時，拆除分水輪，安裝沖砂噴水嘴沖砂；3個均布的上噴水嘴，主要作用是在管柱下放過程中，沖洗、破碎工具前方的砂床，減少下入的阻力。為了實現(xiàn)該功能，需要向前噴嘴對井壁有較強的沖擊作用力。

圖2 沖砂頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 The nozzle profile

圖3 分水輪結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the water wheel

向前噴嘴示意如圖4所示。由圖4可知，當設噴嘴的軸線在周向上偏轉(zhuǎn)角度β為0時，向前噴嘴噴出的射流對井底及井筒的水力沖擊力由噴嘴軸線與井筒軸線夾角α決定，射流向井底的分流量隨著α的減小而減小，這不利于沖砂工具將破碎的砂床推向井底，更不利于減小工具下入的阻力。隨著夾角的減小而減小，當夾角小于50°時，射流對井壁幾乎沒有明顯的沖擊作用。根據(jù)以上分析，綜合考慮射流在井底方向上的分流量和射流對井壁的沖擊作用，本文選擇α夾角為70°作為水力沖砂工具噴嘴與井筒軸線的角度。在確定α夾角為70°的基礎上，對向前噴嘴周向偏轉(zhuǎn)角度β進行分析。偏角不能過大，過大會導致在鉆孔時，工具殼體內(nèi)壁面不能形成一個規(guī)則的橢圓，對本文結(jié)構(gòu)的沖砂工具，偏轉(zhuǎn)角度β不能大于20°。若偏轉(zhuǎn)角度大于20°，不僅會影響沖砂液流動，還會導致工具結(jié)構(gòu)容易失效，因此選擇 β夾角為 20°[9]。

圖4 向前噴嘴示意Fig.4 Schematic diagram of forward nozzle

3個均布的側(cè)面噴水嘴用以沖砂并帶動沖砂頭旋轉(zhuǎn)；3個均布的下噴水嘴用以將沉砂充分攪動從而有效破壞沙床，使砂子和雜質(zhì)始終處于懸浮狀態(tài)，有利于沖砂液攜帶地層砂[4]，并對沖砂工具產(chǎn)生向前的推力。上部噴水嘴與軸向夾角為45°，與徑向夾角為90°；側(cè)面噴水嘴與軸向夾角為90°，與徑向夾角為90°；下部噴水嘴與徑向夾角為90°，與軸向夾角為5°，目的在于當沖砂液全部切換到下噴水嘴時提供開始旋轉(zhuǎn)的動力。這9個噴嘴分別與內(nèi)部平行于徑向均布的水孔聯(lián)通。

3.2 沖砂頭結(jié)構(gòu)

如圖2、3所示，分水輪通過連桿頂部的外四方插入分水器防轉(zhuǎn)塊的內(nèi)四方內(nèi)，通過型面結(jié)構(gòu)與分水器連接；分水器防轉(zhuǎn)塊通過鍵與連續(xù)管接頭連接，以達到二者固連的目的；旋轉(zhuǎn)座分為上下兩部分，下部與連續(xù)管接頭通過螺紋連接，上部相對于下部可以軸向轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)座與沖砂頭通過螺紋連接。于是，分水輪固定，沖砂頭可相對于分水輪轉(zhuǎn)動。

沖砂頭與分水輪接觸的內(nèi)頂面與內(nèi)側(cè)面分別有3個均布過水孔，內(nèi)頂面過水孔與內(nèi)側(cè)面過水孔在徑向平面夾角為60°，分水輪3個葉片徑向夾角為60°，裁掉部分與未裁掉部分面積相等。當沖砂頭旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)頂面過水孔與內(nèi)側(cè)面過水孔以此過水，以達到脈沖射流的目的。在每個時刻沖砂液通過的過水孔面積相等，不會引起水擊效應對管道造成損傷。

采用此種設計，沖砂頭既可旋轉(zhuǎn)，又可產(chǎn)生高壓脈沖射流，脈沖能有效低壓降低井底壓差，有利于堵塞物排出，而周期性的水力振蕩在井筒內(nèi)形成了較大的局部壓力梯度和速度梯度，促進堵塞物分解與外排[10‐12]。同時，沖砂頭下噴嘴產(chǎn)生的推力牽引沖砂工具和管柱在井筒中前進，有效降低了水平井沖砂時非金屬連續(xù)管受到的軸向壓力，保障作業(yè)過程安全進行。

噴水嘴通過螺紋與沖砂頭連接，可以根據(jù)設計更換不同過水孔徑的噴水嘴，常用的噴水嘴尺寸有2.0、2.5、3.0、3.5、5.0 mm 等。

3.3 最小流量計算

根據(jù)管鋒等[13]的研究，連續(xù)管在60°井斜時攜砂最為困難，現(xiàn)場應用時，只需要保證在該角度能順利攜砂即可。因此以60°井斜為臨界值計算沖砂液最低流量，計算式（5）為：

式中，Qmin為連續(xù)管水平井沖砂所需最低流量，m3/h；A為沖砂液上返流動時的最大截面積，m2（正沖洗時為環(huán)套截面積，反沖洗時為連續(xù)管柱內(nèi)截面積）。將相關數(shù)據(jù)代入式（5），經(jīng)過計算，最小流量為12.312 m3/h。

3.4 推力計算

沖砂液流量按照上述最低沖砂流量12.312 m3/h計算，噴嘴孔直徑取3 mm，沖砂液密度取1 000 kg/m3?？紤]到連續(xù)管內(nèi)沖砂液流速相對于噴嘴流速很小，可以忽略不計，因此將沖砂頭所受推力簡化 為[14‐16]：

式中，F(xiàn)為沖砂頭所受推力，N；Qm為流過噴嘴孔的流體質(zhì)量，kg/s；v為流過噴水嘴孔的軸向流速，在量值范圍內(nèi)，通過式（6）計算，沖砂頭所受推力最小值為1 236.30 N。

4 地面實驗

地面實驗示意如圖5、6所示，400型水泵壓力最高 40 MPa，排量 223～1 379 L/min，套管兩側(cè)焊接多孔盲板，通過給盲板孔安裝螺栓以調(diào)節(jié)套管內(nèi)壓力，模擬現(xiàn)場管內(nèi)壓力環(huán)境。

當泵排量調(diào)節(jié)到12.5 m3/h時，拉力計顯示最大拉力值為860 N，與計算值比較略微偏小，這是由于沖砂液流經(jīng)非金屬連續(xù)管和沖砂工具造成的能量損失，以及連續(xù)管及工具與套管的摩擦造成的。從實驗中得出，噴頭推力實驗與計算值基本吻合，可以達到水力自進的目的，保護非金屬管在下放過程中不至于受到過大的軸向壓力。

現(xiàn)場試驗：實驗井深度200 m，水平段250 m，排量20 m3/h的情況下，順利完成沖砂作業(yè)。

圖5 地面實驗工藝Fig.5 Schematic diagram of the ground test

圖6 地面實驗Fig.6 The map of ground test

5 結(jié) 論

通過對沖砂機理的理論研究、噴嘴角度研究，設計出了一種利用高壓水力提供動力，實現(xiàn)水力自進、限速旋轉(zhuǎn)、脈沖射流、紊流攜砂功能的沖砂工具。經(jīng)過地面實驗、實驗井實驗均達到了設計要求，能很好的與非金屬連續(xù)管結(jié)合，實現(xiàn)水力沖砂。目前該工具已經(jīng)在新疆油田使用，取得了良好的社會經(jīng)濟效益，同時促進了本地非金屬連續(xù)管的產(chǎn)業(yè)化步伐。