连续油管井下双管一次切割试验研究
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【摘要】渤海油田陆相沉积，绝大部分油水井存在出砂现象，随着开发时间不断延长，地层产出物如砂、垢沉积及井筒内杂质集结，极易造成防砂管柱、生产管柱同时遇卡。传统双管解卡作业采用先切割内管打捞，再切割外管打捞的方式，费用高、作业时间长且工艺复杂，而连续油管井下双管一次切割技术在充分保护储层、套管的前提下，下入一趟作业管柱，在设计深度同时切割双层遇卡管柱，是集定位、暂堵、切割、洗井一体化大修管柱工艺技术。
【关键词】连续油管 双管切割 磨料旋转喷射 喷嘴 切割时长
1 概述
由于国内大部分油田进入中后期，大修工作量在不断的增加，发生管柱卡钻的油气井也在呈上升的趋势，但是现场主要采用的是传统的解卡方式，大力上提、活动上提等基本的操作程序后不能解卡的管柱，一般采用的是倒扣方法，在作业周期上一般会持续几个周，如果倒扣不理想，将采用爆炸松口或爆炸切割的方法[1]。传统解卡方式总修井作业周期较长，严重影响了油田的正常生产，也增大职工的劳动强度和生产成本。
磨料射流切割是80年代中前期进入实用阶段的新兴技术，与激光、等离子切割共同形成了现代板材切割技术的主流[2]。磨料射流切割技术具有其它切割方式无法比拟的优点，冷切割、切割效率高、对环境不产生污染、切口比较光滑等特点。可以应用到一些特殊的场合，如海洋水下管柱切割，油井井下切割，易燃易爆场所管柱切割等，这项技术在国外受到了认可，越来越多的卡钻井采用这种技术进行处理。
目前国内的管柱解卡方面也做了大量的研究工作，中国石油大学（北京）对磨料射流切割进行了机理研究和相关的试验测试工作，中海油在海上进行了常规管柱携带自旋转喷射切割工具割切组合套管，取得了成功。
2 连续油管井下双管切割技术
磨料旋转喷射切割技术具有工作压力低、切割和破碎能力强、污染少等特点，可用于清洗井下管柱也可用于切割，其主要的特点是利用了一套齿轮减速装置，将马达的转速降低，增加了清洗与切割的有效时间，提高了工具的清洗与切割效率。基于上述两种用途，这套工具可以泵入两种类型的流体，清洗用的纯净液体和切割用携砂液。这项技术既可以切割普通的油管管柱，也可以应用到其它的特殊管柱的切割，如钻杆、组合管柱等适应范围很广。不存在高能量切割带来的风险，工具串简单通过性强，避免了井下工具的卡钻。
磨料旋转喷射切割技术原理：是将通常用于喷砂射孔的喷射器旋转起来并进行专门的设计，利用高速射流粒子的冲蚀作用射穿待切割管柱[4]。
连续油管井下双管切割技术是磨料旋转喷射切割技术与连续油管技术的优势结合，可以改善现有的解卡过程中存在的问题，其中最显著的特点是缩短作业施工周期，大大降低作业成本。
连续油管井下双管切割技术主要分两个程序，首先对井筒进行清洗，到达切割位置后进行切割。设备准备就绪后，用地面压裂车将纯净液体加压，通过油管泵送至井内，流体经过旋转射流切割喷嘴喷出，进行洗井作业直至清洗至预定深度；在预定深度，改换压裂车泵入携砂液，将高压势能通过马达、齿轮减速装置和喷嘴转化成动能，产生高速射流，磨料射流以冲量做功射穿防砂管柱、生产管柱双层遇卡管柱。对不同的双管，磨料的浓度和粒度及泵压存在最佳值，既能切割双管，又能保证不伤害套管和储层，需要根据井及地层参数经过严格的计算。次技术优于传统切割技术，不存在高能切割带来的风险，不形成压实代污染，减轻井筒地带应力集中[5]。3 切割工具
连续油管井下双管切割工具是双管切割工艺的关键部分，其结构如图1所示，有马达、减速装置（如图2）、连接头和清洗头（切割头）四部分组成。其利用马达驱动切割部分，利用齿轮减速装置控制旋转接头的速度，能够进行有效的清洗与切割管柱。
4 室内试验
为检验双管切割效果及有效参数进行室内实验。旋转喷射切割工具为提供足够的切割速度和旋转扭矩，设计排量约150～250L/ min。试验条件：3DP475/100高压泵、WJ800-120-560高压泵车、SQQ50/20前混合磨料射流装置，旋转喷射切割工具，2-7/8”油管+4-1/2”筛管，外层加7”套管，磨料为80～100目的石英砂。试验过程：将磨料射流管路与清水泵并联，在工具入口处混合后经喷嘴进行喷射切割，排量200L/min左右，经两次灌装，切断目标管柱。
4.1 喷嘴流场模拟分析
模拟淹没射流下的喷嘴的结构对于射流流场分布规律的影响问题，喷嘴采用喷射试验喷嘴结构。喷嘴内、外流场的研究是以流体流经喷嘴过程中的运动学和动力学规律为基础的，所以需要掌握喷嘴内流体的流动状况以及流体与喷嘴边界之间的关系，以及水射流经喷嘴射流与淹没液之间摩擦的关系。
模拟条件：
喷嘴出口直径：3mm；喷嘴出口平均射流速度：200m/s；射流状态：清水淹没射流；
由模拟云图（图3）可以看出，流体经过喷嘴加速将压力转化成射流速度，在喷嘴出口中心速度最大，而喷嘴出口边缘由于“附壁效应”流速要小于出口中心值。
模拟喷嘴射流速度的目的是研究随喷距变化后射流效果的影响，而射流速度对射流效果的作用是一个复杂的过程关系，并且难以模拟，可通过大量的试验研究，但基本上是随射流速度的降低射流效率下降。但根据试验经验，射流速度在100m/s以上的含砂液对油管有明显的冲蚀效果，但其冲蚀效率是200m/s时的1/3～1/5。
表1 喷嘴射流速度分布区域
4.2 切割时长研究
试验的方法利用测试台架将组合管柱按照井下组合方式居中放置。利用单喷嘴定喷的方法，在设定的射流速度条件下，测试射流射穿双层管柱时间及对套管损伤程度影响。
测试的内容：单喷嘴3、3.5、4mm，同一射孔参数定喷喷射组合管柱；3mm单喷嘴不同射流速度条件定喷测试，测试射穿双层管柱时长。
本项目中主要测试了2 - 7 / 8”油管+4-1/2”筛管+7”套管的组合管柱的切割时长。试验中2-7/8”油管与4-1/2”筛管已经完全切断，，测试的总的时间与理论计算的时间很温和，考虑到现场的排量与喷嘴大小，要小于现在切割时间。
5 结论
技术通过理论分析及实验应用，达到了现场应用的可行性，为下步作业做好了技术支持。
创新点：使用复合喷射切割工具，形成一套集定位、暂堵、切割、洗井一体化的大修管柱工艺是本研究的创新点。
（1）2-7/8”油管与4-1/2”筛管已经完全切断，证明了旋转喷射切割双层管柱是可行的，测试所使用的排量较小，现场施工大排量作业，切割时间会缩短。
（2）7”套管有一侧的有轻微伤害，深度目测为0.9-1mm，另外一侧表面被打磨光亮，没有明显的痕迹。说明90度的喷头，在切割完双层管柱时，会对套管有一定的损伤，但是控制砂用量和切割时间，能够避免对套管伤害。
（3）对于筛管直径更大与外层套管之间间隙更小的情况，可采用喷嘴有较大倾角的喷头，这样会进一步避免对套管的伤害。
参考文献
[1] 柴文，广李甲.爆炸切割松口技术在水平井中的应用[C].2009全国复杂结构油气井开发与油气增产改造技术高级研讨会
[2] Michael L.Connell，Perry Courville，and James C Tucker.Coiled Tubing-Deployed Jetting Tool Enhances Cleaning and Jet Cutting[J].Society of Petroleum Engineer60705
[3] Scott Campbell，Brian Carter，and Jean-Paul Amiel.Nonexplosive Tubing Cutter for Safe，Efficient Pipe Recovery Operations[J].Society of Petroleum Engineer121574
[4] 曹砚锋，王瑞和，等.旋转磨料射流冲蚀套管的实验研究[J].钻井与完井2001，29（4）：17-18