深水导管内刮洗装置研究及发展综述

周展鹏，张廷昊，孙巧雷,2*，李乐勤，田杰，熊子健

开发与应用

深水导管内刮洗装置研究及发展综述

周展鹏1，张廷昊1，孙巧雷1,2*，李乐勤1，田杰1，熊子健1

（1. 长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023； 2. 湖北省油气钻完井工具工程技术研究中心，湖北 荆州 434023）

导管内刮洗装置在石油钻探技术中有着广泛的应用，主要用于油气井管柱的管壁刮削、附着物去除、化学物质清洗等。基于当前海洋油气导管清洗装置的发展状况，在调研当前国内外内刮洗装置（刮管器和清管器）基础上，分析了传统刮洗装置的工作原理及结构特点。同时，通过国内外刮洗装置领域的研究对比，分析了国内外市场上应用较多的刮洗装置的种类和研究成果，提出了深水导管内刮洗装置存在的不足及发展方向，为深水导管内刮洗装置的后续发展奠定一定的基础。

深水导管；刮洗装置；附着物；结构分析；数值模拟

近年来，随着陆上可供开采油气资源的逐渐减少以及社会对能源日益突出的需求，加大海上油气资源的开采力度已成为一种必然的趋势[1]。在海洋油气勘探开发的进程中，深水导管被广泛应用于平台间及平台与陆地间石油天然气的集输。海上导管在钻井、固井等作业过程中需要注入和循环各类入井液，由于深水导管所处环境变化范围大，泥线段温度较低，管道管壁与海水下部低温环境不断进行热交换，导致管内流体的温度大幅度降低，使得各类有机物和无机物更易析出，导管的管壁会附着各类残留物；同时，海上油气井的生产过程（特别是气井）一般为高压高产，受井底硫化物、蜡质、青状胶质、析出液、管柱腐蚀等影响，各类导管的管壁附着物会增加，在极端情况下，会导致导管的局部堵塞，严重影响海底立管的正常运行[2-4]。

为了减小管壁附着物对钻完井后续测试、生产的影响，减小水合物生产、管道堵塞的影响，工程上一般会在生产前对管壁进行刮削和清洗，对于较易处理的常规有机堵塞，一般可借助化学或物理清管进行初步处理，但是对于难清洗物则需借助刮管器进行进一步处理[5-6]。对比化学剂清洗、物理加热等方式，刮洗装置的使用一般需要配套装置，流程较复杂，所以早期刮管器的使用主要在修井中。随着刮洗装置结构的改进、工作性能的优化，目前刮洗装置在钻完井后期、生产前、修井等过程均有应用。

刮洗技术作为完井阶段的基础性作业步骤，是确保后续作业步骤正常进行的关键，我国对刮洗装置（即刮管器和清管器）的研究起步较晚，当前相关技术落后于发达国家，在创新发展这方面仍存在一定的不足。基于此，本文针对刮洗装置已有的国内外研究，调研了其发展现状，总结了其存在的问题和不足，指出了其发展趋势，通过对这些问题的分析和对比，为深水导管刮洗装置的后续发展提供了一定基础。

1 国外研究现状

通过了解，清管器的发展可以追溯到19世纪初，随着美国的潮汐公司开始对输流管道进行清洗工作，第一个清管器也随之出现。第一个电子定位功能清管器的出现是在20世纪60年代末，这意味着清管技术已经得到了很大的发展，而且它能够快速精确找到当清管器卡堵时的卡堵位置。后续相关公司和研究人员在初代清管器的基础上，逐步对刮管装置进行了研究和改进。

韩国NGUYEN[7]等提出了一种清管器速度控制方法，他们首先假设清管器旁通孔内的天然气体不可压缩，利用数值模拟推导出清管器旁通孔局部流体阻力的计算公式以及带旁通孔的清管器前后压差与动力学方程。基于此，他们认为速度控制的方法与3个参数相关——清管器位置、速度和旁通孔流速，通过模拟计算和实验验证了猜想。

巴西的AZEVEDO[8]、NIECKELE[9]等在论文中提到了旁通孔径对泄流量和清管器动力学的影响，猜想得到一个瞬态停滞/滑移模型，认为它能够分析旁通清管器在管道中的运动特征。他们对小型旁通清管器利用流体力学和有限元分析等方法建立了实际的理论模型，最后通过数值计算和分析，结果符合实际情况，说明了这个模型的确能够反映清管器在管道中的运动特征。

伊朗的HOSSEINALIPOUR[10]等在总结了前人的经验后，研究了天然管道内的清管器的动力学方程，并且用数值模拟结果对比了运行压力为 9 MPa 的管道实测数据，通过对比同时研究了真实的流体流动特征和理想流体的偏差。

MINAMI[11]等对前人的清管研究工作进行总结，进行了理论研究和非稳态清管实验，提出了MINAMI清管模型。认为MINAMI清管模型与KOHDA 清管模型相似，管道可以为 3 个流动段，分别为上游瞬态两相流区、液塞区和下游瞬态两相流区，而并非Mc Dondald-Baker 模型中划分的 4 个流动区域，最后他们通过计算结果和实验结果进行比较，得出要计算清管器内部清洗的时间和速度要根据管内气体的速度以及清管器运行的速度这 2个参数综合考虑。

图1 Minami模型[11]

LIMA[12-13]等建立了以双流体模型为基础的清管模型。从他们的模型中可以知道，模型将管线分为两大区域：第一部分是从清管器所处的位置到管线出口和从管线的入口到清管器所处的位置，第二部分是从清管器到管道出口。

加拿大的BOTROS[14]与GOLSHAN[15]研究了天然气管线中清管器运动的动态模型。相对一般的运动模型，其全面考虑了影响清管器在运动过程中的各种参数，从管壁到清管器本身、管道的材料和类型、管道的物流性、管道的规模和尺寸、管道所处的环境、管道和清管器之间的摩擦力、可控制清管器速度的旁通孔以及清管器的类型和种类，并且通过数值模拟和多次起伏管路的实验验证了模型，发现计算的模型和实际实验数据相符合。

总的来说，国外的清管和刮管技术起步较早，且应用于陆地输流管的清洗理论研究较多，但由于海上导管的刮洗较复杂，当前的刮洗装置主要集中在大型公司，相关公司以技术服务为主，鲜有理论和应用进行公开。

2 国内研究现状

早期国内刮管存在效果不明显的问题，特别是对于高低落差大的管道，刮管器跟踪预测精度低且清管器卡阻时有发生[16]。另外，国内未制订统一的清管标准规范，行业标准《天然气管道运行规范》（SY/T 5922—2012）和《原油管道运行规程》（SY/T 5536—2004）侧重于制订清管方案、刮管器发送、接收操作程序和清管安全措施，对管道清管技术要求阐述得较少，不能完全指导管道清管作业。近几年，在传统刮管器的基础上，国内围绕刮洗装置中刮削率低下、卡堵现象严重、寿命短、旁通率低、能量利用有限等问题进行了研究。

2.1 结构设计与优化

现有的刮洗装置主要由液压或管柱组合驱动刮刀或冲洗头进行刮洗，其典型套管刮管器如图2所示。结合数学模拟、数学仿真技术的发展，国内相关研究者在已有输流管的基础上，逐步对复杂管道和深水导管内刮洗装置的结构进行了进一步设计与优化。

1—上接头；2—活塞杆；3—上部弹簧；4—活塞缸；5—花键体；6—下部弹簧；7—花键轴；8—锁紧螺钉；9—锁紧半环；10—刮刀体； 11—推刀轴；12—下接头；13—刮齿；14—封闭式伸缩槽； 15—第一斜齿；16—第二斜齿；17—应力消除孔

葛俊瑞[18]等研究了一种可变径刮管器结构并做出了相应的实验仿真。研制了通过板簧的压缩实现刀片收回的可变径环形剃刀刮刀片。刮刀片采用2组刀片，每组10片的环形分布，刮刀能够在管道内实现360°全方位的刮洗，四周全覆盖，而根据不同直径的管道刮刀则会使用不同的功能，直径略大的管道，则能够实现两组刮刀的交叠，实现全面刮洗，这种新型的设计能够明显提高多层套管刮削效率，减少工程费用。

马青印[19]提出了一种旋转式油管刮削器，使用了特殊的刮刀结构，分析了旋转型刮刀的运动原理。当刮管器轴向遇到阻力时，会产生相应的旋转力，高压液体从孔中喷射出时刮刀会受到油管壁的反作用力，驱动刀体转动。转式油管刮削器结构新颖，实用性强，能满足油管初步除垢的需要，增加油管封堵的成功率，为下步带压作业顺利进行提供了技术支撑。

李笑林[20]研究了一种液压式刮管器，通过结构的优化和升级，刮刀使用了旋转特性，其内部由 5级叶片式液力马达构成，该刮管器依靠高压洗净液能量驱动液压马达产生高速旋转扭力，带动刮削刀片高速旋转，将井筒内壁上的结蜡结垢粉碎，由洗井液带出井筒。

除上述研究外，还有一些研究者也设计了具有一定特色的刮管器。邵卫林[21]设计了一种测径刮管器，提出了内检测前实施刮管作业所用刮管器的技术要求，讨论了刮管实施阶段刮管速度的选择。于小龙[22]等设计了一种能够进行变形的分瓣刮刀与环形刮刀构成的刮管器，能够增加套管内某一点的切削次数；同时环形刮刀片相对轴心不能够提供一定的扭矩，从而遇到卡堵的物质时能够自动的绕开杂物，由于分瓣刮刀可通过不同厚度的调节环，刮刀能够相对轴心产生扭矩，从而起到功能互补的效果，通过更换不同厚度的调节环改变扭矩的大小，从而能够刮削掉不易清洗的管壁杂物。崔嵘等[23]设计了一种在刮管器本身贯设有流体通道，可在刮管器尾端形成喷射口进行射流清洗；通过压力阀控制，保证了刮削的效率，同时也降低了工作中的卡堵问题。徐峰[24]等设计了一种水力投送式刮管器，主要包括密封皮碗机构和螺旋式刮刀机构，采用刮刀机构嵌入刮刀器本体内的新型设计，刮刀体内设置有弹性件弓簧，堵塞时能够提高泵压，从而达到清管的效果，且可使堵塞器一次性投放至井底，提高刮管器的重复使用率，节省井下刮管工作时间。

2.2 结构分析与数值模拟

除了进行基本结构改进外，国内还有部分学者通过结构分析、数值仿真和模拟对刮管装置进行了研究。邓国雄[25]通过 PIG 清管技术在长距离高压管道的应用，介绍了PIG清管装置主要由PIG发射器、接收器、压力测量仪表、PIG跟踪仪及阀门等组成，分析了电子定位清管器的工作原理，对该系统在长距离高压管道清洗中可能出现的问题提出解决方案。

贾康等[26]通过建立刮削加工运动学模型和受力分析，结合切削刃的接触分析，基于曲面共轭原理提出了一种刮削切削齿刃形曲线的计算方法。董洁楠[27]综合考虑输油管道的实际情况，通过SolidWorks和ANSYS等软件建模仿真，利用Fluent中的UDF模块编程和仿真分析，得出了紊流流态增大对刮管器皮碗的影响以及刮管器的皮碗裙过盈量和剪切力的变化关系，从而分析清管效果。分析认为，过盈量过小，刮管器刮管效果较差，而过盈量过大时，易发生卡堵，不利于刮管工作，建议刮管过程中过盈量保持在 2%～4%之间为最佳。魏兆成[28]等针对球头铣刀三维曲面加工，提出一种考虑根据刀具界面任意变化的铣削力和进给方向的预报方法。根据各微小稳态加工的始末刀具坐标，建立进给转向角和进给倾斜角理论模型，修改了未变形时切屑模型的厚度参数，使其适应在三维曲面加工中进给方向和刀具切触界面的任意变化。

随着数值仿真技术的不断发展，把理论与限元分析结合进行清管器性能分析的研究逐渐增多。王宇楠[29]等设计了一种新型管道泡沫测径清管器，通过 ABAQUS 软件仿真模拟其遇到管道污垢时的变形情况以及变形时泡沫体密度与厚度的变化规律。张行[30]等采用有限元法，建立了单皮碗的二维轴对称模型，计算并分析了密封皮碗过盈量、夹持皮碗半径及密封皮碗厚度对密封皮碗接触应力和弯曲应力的影响。曹宇光[31]等基于有限元软件 ANSYS 建立清管器与管道的 3 维有限元模型，进行数值模拟，分析了清管器接触应力分布对泡沫密度、管道椭圆度、清管器过盈量、管壁摩擦等因素的影响，得到清管器接触应力的规律。

整体上说，当前我国的管道刮洗装置及其理论研究处于发展阶段，受刮洗对象及其设备影响，刮洗的特点不尽相同；刮洗受管壁不同附着物影响，其相关的流动理论、刮削理论等仍存在不足，而深水的复杂环境因素使得海上导管内刮洗与常规的管道刮洗差异性更大[32]。

3 结论与认识

海上导管清管是一项涉及无机和有机物质刮除、表面清洗、管道保护以及防堵风险防控的系统性工作，相关研究的主要目标是清除管壁表面的附着物、降低管道附着物对油气井后续工作的影响。尽管目前国内外市场已经有各种形式的清管器，但是随着海底管道的复杂程度以及清管工作要求的日益提高，现有的深水导管内刮洗装置仍然存在一些技术上的问题，从而导致市场难以完全认可接受各种清管器，主要存在的问题如下：

1）深水导管管壁的附着物组成复杂，附着物厚度和强度变化大，刮洗工具的作业要求高。由于深水导管内壁附着物种类多、析出物组分受内外环境影响大，导致管壁附着物的厚度和强度变化大；现有的工具主要基于单一厚度和强度进行刮洗，因此目前刮管不干净导致防砂管柱下入遇阻，严重影响刮管效率。

2）受流体组分、流动参数、温压场等变化影响，导管内壁附着物厚度和强度变化大，在原有内径影响下，深水导管的管壁清洗涉及尺寸变化广，需进行多次刮管作业。当前，缺少适用于多管径、复杂内径的刮削装置。

3）油气井管柱受钻井液、完井液、生产油气及地层复杂产物影响，管壁附着的沉积物几何和物理特性难以精确描述，导管刮削理论分析还需结合沉积物的流变特性、物理性质、力学理论等进行，但当前鲜有综合沉积物流动特性和切割力学的导管清洗理论。

除上述问题外，当前刮管器还存在刮削作业标准不统一、缺少刮削清洗壁面要求准则、复杂流体流变理论不足等问题。后续研究，可围绕上述问题，进一步在刮管器理论建模、数值模拟、数值仿真、仿真计算等基础上，结合实验以及所有的理论基础对刮管器进行深入研究。

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Research and Development of Internal Scraping Device in Deepwater Casing

1,1,1,2*,1,1,1

（1. College of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou Hubei 434023, China;2. Hubei Engineering Research Center for Oil & Gas Drilling and Completion Tools, Jingzhou Hubei 434023, China）

Pipe scraping device is widely used in oil drilling technology, which is mainly used for pipe wall scraping, attachment removal, chemical cleaning of oil and gas well string. Based on the current development of offshore oil and gas pipeline cleaning device and the investigation of current pipe scraping device (scrapers & pigs) at home and abroad, the working principle and structural characteristics of traditional pipe scraping device were analyzed. At the same time, through the research comparison in the field of scraper at home and abroad, the types and research results of scraper and pig widely used in the market at home and abroad were analyzed. The shortcomings and development direction of pipe scraping device in deepwater casing were put forward. The paper can lay a certain foundation for the follow-up development of internal scraping device in deepwater casing.

Deepwater casing；Scraping device；Attachment；Structural analysis; Numerical simulation

TE832.3

A

1004-0935（2022）04-0486-05

湖北省自然科学基金(青年项目)（项目编号：ZRMS 2021001482）；长江大学2020年大学生创新创业计划项目（项目编号：Yz2020122）。

2021-09-16

周展鹏（2001-），男，湖北省随州市人，研究方向：机械设计与石油装备。

孙巧雷（1990-），男，讲师，博士，硕士生导师，研究方向：海洋油气装备设计与仿真、管柱力学、油气钻完井工具设计开发与诊断等方面的教学与研究工作。