冲砂验漏一体化工具研制

张云驰，李瑞丰，刘传刚，刘景超，李清涛

（中海油能源发展有限公司工程技术分公司，天津 300452）

随着油田开发逐步进入到中、后期，井下出砂、电泵失效、套（筛）管内表面结垢、结蜡，封隔器失效或生产管柱腐蚀等问题层出不穷[1-2]，针对这些问题，需要起出生产管柱进行修井作业，而海上油田的完井方式多为分层防砂完井，在修井过程中，往往需要进行井下冲砂和封隔器密封筒验漏两项作业，冲砂时下入油管连接引斜的冲洗管柱，井底流速低，冲洗效率较差，验漏时利用完井防砂服务工具中的定位密封和插入密封进行组合，没有专用工具，使用条件有局限[3]。

1 设计原理

针对传统冲砂验漏作业的技术缺陷，设计了一种冲砂验漏一体化工具，见图1，该工具由三部分构成，分别是循环验漏短节、配长的油管短节以及旋转冲洗头。其中，循环验漏短节可根据密封筒尺寸配套安装，一般可选装3.25″、3.88″和4.75″三种型号密封模块，验漏通道上下各安装两组密封模块，单组为两个密封模块，保证了针对多层密封筒作业时的可靠性。作业时，工具下放探砂面冲砂，整体管柱内部有液体流道，旋转冲洗头装配有不同方向的喷嘴，在高压冲洗液的作用下，喷头旋转冲洗井下管柱内壁及井底沉砂[4]，冲砂结束后，可投球打压剪切循环验漏短节中球座，球座下行打开验漏通道，上提管柱至密封筒处，启泵正循环检验各层封隔器密封筒的密封性，若压力不降即密封性合格。

2 力学校核

冲砂验漏一体化工具中循环验漏短节外径最大，存在一定的卡钻风险，特对其抗拉强度进行有限元校核计算，其三维几何模型如图2所示。

对循环验漏短节下端施加固定约束，上端的突出端面施加拉力，其中拉力逐步递增施加，分别为70t、80t、90t、100t、110t，整体采用稳态计算分析，采用第四强度理论，即莫尔强度理论作为校核强度准则，分别计算不同拉力载荷下本体承受的最大等效应力强度，其中本体材料为40CrMnMo，屈服强度785MPa，当循环冲洗验漏短节在拉力达到90t时，本体材料最大等效应力达到屈服强度，应力云图如图3所示。最大等效应力主要出现在连接母扣薄壁端，验漏循环孔孔周边也存在一定程度的应力集中。考虑加工时材质的非均质性及加工精度，取安全系数为1.2，循环验漏短节整体抗拉吨位为75t，大于2-7/8″作业油管的抗拉吨位（47～64.5t），满足作业要求。

3 技术参数测试

冲砂验漏一体化工具最大工作排量1m3/min，旋转冲洗头启动排量为0.5m3/min，喷头设计有9个喷嘴，其中，侧向喷嘴数量为4个，为喷头旋转提供动力来源，垂直向下及斜向下喷嘴数量为5个，清扫井筒内部沉砂及冲刷管柱内壁。经过地面测试，见图4，当排量达到0.7m3/min 时，单个喷嘴冲击力超过150N，可以有效冲散胶结砂砾。因此，建议工作排量为0.7～1m3/min。此外，测试冲砂排量与压力的关系如表1所示，可为现场冲砂提供数据支撑。

冲砂验漏一体化工具中的旋转冲洗头内轴承件为易损部件，为保证工具整体可靠性，特针对旋转冲洗头轴承寿命进行测试，旋转冲洗头一端与电机相连，由电机带动喷头高速旋转，转速300r/min，见图5，累计旋转48h 后，喷头旋转阻力依然保持均匀，且经水力测试旋转无恙，验证旋转冲洗喷头至少可连续工作48h，满足设计要求。

4 现场应用

该工具累计在渤海某油田已累计应用17 井次，冲砂和验漏两种工艺作业一趟钻完成，平均单井节省作业时间20h，提高了作业时效。

5 结论

表1 排量与压力关系

（1）研发的冲砂验漏一体化工具可以一趟管柱实现冲砂和验漏两种作业，操作便捷，结构可靠。

（2）经测试，冲砂验漏一体化工具工作排量为0.7～1m3/min，此时单个喷嘴冲击力大于150N，至少可连续工作48h，满足海上作业要求。

（3）研究成果经推广，已在海上油田应用，提高了作业时效，降低了作业费用，有一定的应用前景和推广价值。