喷砂器的改进研制与现场试验_青岛华盛泰铸造机械设备公司
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发表时间:2019-06-04 11:01
摘要:分层压裂工艺是新疆油田目前在储层改造过程中的常用工艺之一。在分层压裂施工过程中, 喷砂器容易被压裂砂冲蚀而造成损坏。文中通过对喷砂器的磨损原因进行分析, 得到了喷砂器易被冲蚀磨损的可能原因, 在此基础上, 通过改进喷砂器结构, 加工出新喷砂器并应用于现场, 结果显示, 新喷砂器施工效果良好。
Improved Development and Field Test of Sandblaster
WANG Liubin
Engineering Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company
Abstract:
The separated-layer fracturing process is one of the commonly used processes in the reservoir reconstruction process in Xinjiang oilfield. During the separated-layer fracturing construction, the sandblaster is easily damaged by the fracturing sand. By analyzing the causes of sandblaster wear, this paper obtains the possible reasons for sandblaster to be easily washed away. By improving the sandblaster structure, the new sandblaster is processed and applied to the field. The results show that the new sandblaster works well.
0、引言:
  目前, 分层压裂工艺是新疆油田在储层改造过程中普遍采用的一种井下管柱施工工艺。因该工艺具有操作简单、稳定性高、施工成功率高等优点, 所以被广泛应用于新疆油田各大采油厂。
分层压裂工艺管柱由封隔器、水力锚、喷砂器等工具组成。喷砂器作为该管柱工艺中重要的配套工具之一, 其主要功能是:在压裂时通过投球打开滑套, 使压裂液从油管转向作用在射孔层位上, 从而人为地使地层产生裂缝, 改善油在地下的流动环境, 提高油井产量, 同时为整套管柱工艺在射孔、压裂、排液及生产过程中提供导流通道。
1、原有喷砂器的结构及工作原理:
1.1、原有喷砂器的结构:
  老式喷砂器由上接头、中心管、滑套、连接套、护套和下接头等零件组成, 如图1所示。护套材质为硬质合金, 经过高频淬火处理后其硬度达到90 HRA, 硬度较高, 以抵御压裂液的冲蚀磨损;喷砂器其余部分为35CrMo材质, 经调质处理后硬度达229~269HB。
图1 原有喷砂器局部结构图
图1 原有喷砂器局部结构图
1.2、喷砂器的工作原理:
  如图2所示, 现场压裂施工管柱组合是 (自下而上) :压裂底阀+封隔器2+水力锚2+喷砂器+封隔器1+水力锚1+安全接头。其中, 两个水力锚压裂时起到防止管柱上顶的作用, 压裂底阀起节流作用, 两个封隔器在压裂时起封隔油套环空的作用, 安全接头起到打捞时如管柱遇阻, 可以从安全接头处提前提出管柱的作用。
压裂下部射孔段时, 从井口直接向管柱内注入一定排量和压力的压裂液, 此时整套管柱全通径 (即全部压裂工具内通径一致) , 压裂液通过整个管柱直接注入下层射孔段, 压开裂缝, 经过注入前置液、携砂液、顶替液三个阶段完成下部层段的压裂施工。在压裂上层射孔段之前, 向管柱内投入一树脂球, 树脂球在液压力作用下推动滑套, 露出出液口, 钢球顶着滑套继续下行落入管柱最下部的压裂底阀内, 此时高压液体经过打开滑套的喷砂器和油套环空进入上部的已射孔段内, 压开裂缝, 经过注入前置液、携砂液、顶替液三个阶段完成上部层段的压裂施工。
图2 分层压裂管柱结构图
图2 分层压裂管柱结构图
2、喷砂器的磨损原因分析:
2.1、喷砂器结构因素分析:
  现有喷砂器的护套为材质为硬质合金, 经过高频淬火处理后硬度已达到HRA90, 硬度较高。
同时, 正常情况下, 在压裂上部射孔层位时, 位于护套内部的两喷砂孔理论上应该出液均匀, 压裂液通过护套时发生转向过程, 后被挤入已射孔层位。压裂液在经过喷砂器时, 出液口两侧磨损部分基本呈对称分布, 没有出现明显的偏磨, 而护套中部壁面产生较大磨损, 分析原因可能是护套中部受石英砂反溅冲蚀严重, 同时, 喷砂孔中部内壁也出现了一定程度的壁面减薄现象。
2.2、环境因素分析:
图3 现场施工后提出的喷砂器照片
图3 现场施工后提出的喷砂器照片
  这6口井中, 位于百21井区老井有2口, 新井3口, 位于百34井区老井有1口, 其中, 井深最深的是百58井2656.67m, 井深最浅的是bT9637井的2029.94 m, 上层加砂量最大的是bT9637井的50 m3, 排量最大的是b2039井的4.0 m3/min, 通过表1可以看出, 当加砂量在36 m3以上, 排量在3.5 m3/min以上时, 喷砂器的破损概率较高, 而当加砂量在35 m3以下, 排量在3.5 m3/min以下时, 喷砂器的完好概率较高。由此判断, 加砂量和排量可能是现场施工过程中喷砂器易被压裂砂冲蚀而造成损坏的主要因素。
表1 老喷砂器现场施工情况
表1 老喷砂器现场施工情况
3、新喷砂器的设计思路:
  通过以上分析可以看出, 影响喷砂器易被冲蚀磨损的主要因素有:喷砂器护套硬度不够, 现场施工时压裂液的加砂量和排量。由于喷砂器护套硬度已达到较高标准 (HRA90) , 可提高表面硬度的空间不大, 因此决定取消护套部分的设计, 同时选用特殊表面处理工艺来提高喷砂器表面的耐冲蚀磨损的能力。
在选用喷砂器的表面处理工艺时, 因为老式喷砂器采用的是在喷砂器表面进行电镀的处理工艺, 所以本次我们决定在等离子喷涂和化学镀两个方面来考虑。
图4 新喷砂器局部结构图
图4 新喷砂器局部结构图
  等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术, 可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化等性能, 该技术可以熔化并喷涂任何材料, 形成的涂层具有结合强度较高、孔隙率低且喷涂效率高、使用范围广、对基体的热影响小[1]等特点。
化学镀工艺是不需外加电流, 在具有自催化活性的材料表面通过溶液中化学还原反应进行的金属沉积过程[2]。化学镀具有硬度高、耐磨性好、耐腐蚀强、被镀材料广泛等特点。
经过对比, 决定采用对基体组织影响较小, 且表面硬度更高的等离子喷涂碳化钨表面处理工艺。
4、新喷砂器的结构:
  新的喷砂器由滑套、本体、固定环、剪钉、O形密封圈等零件组成。相比老式喷砂器, 改进结构较简单, 滑套打开功能更易实现, 并且滑套打开压力可以通过调整剪钉大小和数量来进行调节。
5、改进后的喷砂器现场应用情况:
  这3口井中, 位于车21井区老井有1口, 位于检188井区新井有2口, 其中井深最深的是百520井2522 m, 井深最浅的是CH21077井的1790 m, 上层加砂量最大的是bT9634井的35 m3, 排量最大的是bT9634井的3.5 m3/min, 通过表2可以看出, 当加砂量在35 m3以下, 排量在3.5 m3/min以下时, 在完成压裂施工的同时, 喷砂器完好率均较高。
表2 新喷砂器现场施工情况
表2 新喷砂器现场施工情况
  从改进后喷砂器被提出的照片及表3可以看出, 改进后的喷砂器在压裂施工后被压裂液冲蚀的磨损率从之前的5%下降到了现在的0.6%, 相比之前有了大幅降低, 改进效果良好。
下一步, 我们准备把新喷砂器应用于更大排量和加砂量的工况下, 用以观察新喷砂器在恶劣环境下的适应能力。
6、结论:
1) 通过对喷砂器在压裂施工时易被压裂液冲蚀磨损的原因分析, 得到原有喷砂器护套硬度、现场施工时的加砂量和排量是造成喷砂器易被冲蚀磨损的主要原因;
2) 通过改变喷砂器结构, 并在出砂口部位进行等离子喷涂碳化钨的表面处理工艺, 可以有效提高喷砂器的耐冲蚀磨损能力。
图5 CH21077和bT9634井喷砂器施工后提出照片
图5 CH21077和bT9634井喷砂器施工后提出照片
表3 新老喷砂器耐磨性能的对比情况
表3 新老喷砂器耐磨性能的对比情况
注:表中的磨损率是指冲蚀前后喷砂器所减少的

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