含疏砂槽结构的裸眼封隔器减阻效果实验

李子丰 宋广明 杨军伟 张超越

燕山大学石油工程研究所

0 引言

在裸眼水平井中下入多封隔器套管柱，已经越来越广泛地被应用于油气田的完井作业中，尤其是在油气田进行水平井裸眼完井分段压裂时，裸眼封隔器的应用较多[1-4]。当封隔器随套管柱下入裸眼水平井时：①与井壁岩屑床直接接触，产生摩擦阻力；②岩屑堆积在其前方，并随着下入深度的增加而增多，从而导致下入阻力增大，甚至发生砂卡；③封隔器的胶筒被岩屑磨损得比较严重，影响其坐封性能。目前国内外对于封隔器的研究工作大多集中于坐封性能的改善和下入封隔器管柱力学分析等方面[5-11]，而对于减小岩屑床摩阻力的研究尚不充分。

笔者通过实验模拟裸眼水平井中下入封隔器的过程，研究岩屑床对封隔器下入过程的影响，对原有封隔器的结构进行改进，设计了既能疏导岩屑、减少下入阻力，又能减少胶筒磨损的疏砂槽结构；通过实验验证应用于裸眼封隔器的疏砂槽结构的疏砂效果，并对其相关结构参数进行了初步研究[12]。

1 岩屑床对封隔器摩阻力影响实验

1.1 水平井下入封隔器模拟实验装置与实验流程

为了研究岩屑床对封隔器下入时的影响，参考井下工况[13-14]，设计并加工了水平井下入封隔器模拟实验装置。该实验台以有机玻璃管模拟井筒，石英砂模拟岩屑，并可加入水等液体模拟钻井液。实验现场及装置设计图如图1所示。

图1 实验现场及装置设计图

实验流程大致为：底座上两端安装“U”形槽，且将有机玻璃管两端分别装入“U”形槽并密封。将石英砂倒入有机玻璃管中并使其均匀分布，打开减速电机，使其以固定转速旋转，通过钢丝绳拖动封隔器模型在水平方向匀速移动。封隔器模型一端连接拉力传感器，测量其运动过程中所受拉力大小，所得数据输出到计算机进行处理。摇柄可在关闭电机后将封隔器模型牵引回位，方便进行下一次实验。

1.2 实验参数及测量结果

在进行管柱下放施工时，水平井眼中的岩屑量一般比较少，根据实验装置大小，加入了适量石英砂。主要实验参数如表1所示。

表1 摩阻力测量实验模拟主要参数表

依据表1中的石英砂粒度、加砂量设计了4次模拟实验，图2为实验效果图，图3为实验所测得的结果。

图2 普通封隔器模型实验效果照片

图3横坐标为封隔器模型滑动距离，纵坐标为所受摩阻力，蓝色虚线为采集的数据，黑色实线为回归的对数趋势线。因在电机起动后短时间内，封隔器模型向前运动不稳定，故分析所用的数据从位移为0.1 m开始。由图3可知，①摩阻力随着位移的增加而增大；②摩阻力随加砂量的增加而增大（分别对比图3-a与图3-b、图3-c与图3-d），且砂子粒度对摩阻力增长的影响不大（分别对比图3-a与图3-c、图3-b与图3-d）。在图3-b中出现了跳跃点，其原因是，随着封隔器的移动，石英砂不断堆积在其前方，形成小砂堆，如图2所示；由于砂堆的支撑作用，会使封隔器与“井壁”上部接触，造成摩阻力的急剧增大，进而发生砂卡，图2中可以看出封隔器模型前方被砂堆抬起与上壁接触，且有砂子卡在其间。

图3 普通封隔器模型所受摩阻力随移动距离变化曲线图

2 疏砂槽结构设计及性能试验

2.1 疏砂槽结构设计

为了解决上述问题，在原有封隔器结构的基础上，在其外表面添加了疏砂槽结构[15]，图4为含疏砂槽的封隔器结构示意图。图4中上下疏砂槽深度相同，上下凸棱的外径相同且大于胶筒外径。

图4 含疏砂槽的封隔器结构示意图

在裸眼封隔器外表面添加疏砂槽结构与原有裸眼封隔器相比：①封隔器在井筒内做轴向运动时，位于井底的砂子、岩屑可以从疏砂槽流过，而不会堆积在其前方；②疏砂结构的凸棱外径大于胶筒的外径，由于疏砂结构的支撑作用，砂子、岩屑可以从胶筒与井壁的间隙处通过，减小对胶筒造成的磨损。且疏砂结构与胶筒相隔一定距离，不影响胶筒的工作性能。

2.2 含疏砂槽的封隔器性能实验

结合裸眼水平井工况，对疏砂结构进行初步设计：①凸棱宽度不能太小，以防破坏井壁；②为保证含封隔器的管柱能顺利下入，尽量减小疏砂结构的外径，即凸棱不能太高；③槽的宽度直接影响砂子、岩屑的通过性。

为验证含疏砂槽结构的封隔器的疏砂减阻效果，选取3种不同槽数且凸棱宽度相同的模型进行摩阻力实验，并与前述封隔器模型的实验结果相对比。参考实验模拟装置尺寸，制作的3个模型部分尺寸和其他实验参数与表1相同，模型其他参数如表2所示，其中将本文1.2节所述无疏砂槽结构的封隔器模型编号为C0。

表2 疏砂槽效果实验主要参数表

图5为模型C5下入水平井模拟实验。通过观察可以发现，含疏砂槽封隔器模型在行进中，石英砂不会大量堆积在其前方，并且实验过程中没有出现砂卡现象。对比前述无疏砂槽的封隔器模型模拟实验，其疏砂效果显著。

图5 含疏砂槽封隔器模型实验效果照片

图6为4种封隔器模型摩阻力的数据对比，所示曲线均为测得摩阻力的回归对数趋势线。图6-a显示当砂子粒度介于12～20目，加砂量为50 mL时，C5和C6模型所受摩阻力较小，且二者没有明显差别；图6-c显示当砂子粒度介于50～100目，加砂量为50 mL时，C5和C6模型所受摩阻力相近，在4个模型中较小；图6-b和6-d显示当加砂量为100 mL，砂子粒度分别为12～20目和50～100目时，C5模型所受摩阻力最小。

综合上述实验结果进行分析，可以看出，①含疏砂槽的封隔器相比普通封隔器能明显减少所受摩擦阻力；②在本实验条件下，当封隔器有5个疏砂槽时，所受摩阻力最小，即疏砂效果较好。相关结构参数，如槽数、槽宽、槽深、槽长等还需要在室内以及工程现场进行深入的理论和实验研究。

分析其原因：开槽数过少时，凸棱对封隔器的支撑效果不明显，槽虽较宽，但槽底与井壁间可能形成较小间隙（如图7所示，疏砂封隔器槽底与下部井壁形成的间隙从左到右依次增大），造成疏砂效果并不明显，甚至增加摩阻力，如图6-c所示；开槽数量过多时，槽较窄，对砂子和岩屑通过性的改善效果不明显，如图6-d所示。

图6 4种模型所受摩阻力与移动距离变化曲线图

图7 3种槽数疏砂封隔器在井筒内位置截面示意图

3 结论

1）在裸眼水平井中，封隔器下入时，随着位移的增加，其所受摩阻力呈增大趋势，且岩屑量越多摩阻力越大。

2）封隔器含疏砂槽结构能有效减少其下入裸眼水平井时所受的摩擦阻力，并能减轻胶筒磨损。

3）在模拟实验条件下，具有5个疏砂槽的封隔器疏砂减阻效果较好。相关结构需要进一步研究。