新型防返吐分層配水工作筒研制及應(yīng)用

王現(xiàn)鋒， 張磊， 王良杰， 毛慶凱， 楊萬有， 張鳳輝， 王立蘋

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

0 引言

海上油田分層注水技術(shù)主要分布于渤海海域[1-6]，截至2016年1月，渤海油田共計(jì)擁有注水井500余口，其中僅空心集成分層注水工藝現(xiàn)場實(shí)施高達(dá)225口井，但該工藝不具備洗井功能使得注水管柱結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重，油層污染、堵塞、注水壓力上升等問題時(shí)常出現(xiàn)，嚴(yán)重影響分注井注水質(zhì)量、投撈測配成功率及分注合格率[7-8]，極大制約油田開發(fā)效果。此外，原有“空心集成”分層配注技術(shù)不具備防返吐功能，使得地層配注液容易返回注水管道，影響配注效果和注水時(shí)效[9-10]。

基于以上問題，在空心集成分層注水工藝技術(shù)研究基礎(chǔ)之上進(jìn)行管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)及配套工具設(shè)計(jì)，研發(fā)了一種新型防返吐分層配水工作筒，解決以上技術(shù)問題以實(shí)現(xiàn)大井斜、單層大配注量的細(xì)分層注水要求，依此設(shè)計(jì)的配水器工作筒結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠；具有防返吐功能，避免層間壓差造成返吐現(xiàn)象產(chǎn)生；可實(shí)現(xiàn)不動注水管柱下的反洗井作業(yè)，實(shí)現(xiàn)反洗液從井底返出，徹底清洗井筒[11-15]。

1 技術(shù)分析

1．1 結(jié)構(gòu)組成

新型防反吐分層配水工作筒（圖1所示），主要用于海上油田防砂完井注水井反洗工藝管柱。由定位筒總成、大彈簧、彈簧護(hù)套、移動套、上工作筒總成、中心管、小彈簧、活塞、密封筒外套、密封模塊、密封模塊隔環(huán)、定位套、方形鍵、下工作筒總成、下連接套等組成。其整體結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠，是反洗井注水管柱關(guān)鍵配套工具之一。在整個(gè)注水管柱中它的作用是封隔分注層段，建立注水、反洗通道；通過彈簧力、液壓力控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)注水、反洗通道開關(guān)切換，此外還具有防返吐功能。新型防反吐分層配水工作筒工具是精細(xì)化分層注水、反洗功能有效實(shí)施的關(guān)鍵。

1．2 工作原理

1）正常分層注水時(shí)，注入水從中心管流過，管內(nèi)油壓大于套壓，裝配在上工作筒總成外的移動套受到上行力的作用向上移動，推動彈簧護(hù)套上移，使大彈簧處于預(yù)緊狀態(tài)；與此同時(shí)，裝配在下工作筒總成外的移動套受到下行力的作用向下移動，推動彈簧護(hù)套下移，使大彈簧處于預(yù)緊狀態(tài)，反洗通道進(jìn)水口關(guān)閉，空心集成可反洗工作筒外部實(shí)現(xiàn)層間封隔，內(nèi)部注入水單向流動，進(jìn)行分層注水作業(yè)。正常注水停注時(shí)，在地層壓力和彈簧力共同作用下，移動套移動復(fù)原關(guān)閉注水通道，防止返吐現(xiàn)象的發(fā)生。

2）反洗井時(shí)，注入水從管柱環(huán)空進(jìn)入，套壓大于油壓，空心集成可反洗工作筒活塞上行，彈簧處于壓縮狀態(tài)，反洗通道進(jìn)水口動態(tài)打開，反洗液繞過密封模塊，進(jìn)入反洗通道，在空心集成可反洗工作筒內(nèi)旁通道進(jìn)入環(huán)空，最終洗井液從井底經(jīng)油管內(nèi)腔返至地面，實(shí)現(xiàn)反洗井作業(yè)。

1．3 技術(shù)特點(diǎn)

1）配水工作筒注水時(shí)能封隔注水層段，建立分層注水通道；停注時(shí)，在彈簧力、液壓力作用下，注水通道自動關(guān)閉，避免地層液體返入注水管道，具有防返吐功能；

2）配水工作筒具有反洗通道，可實(shí)現(xiàn)在不動注水管柱的情況下進(jìn)行反洗井作業(yè)，可降低反洗井成本，縮短施工周期。

3）配水工作筒反洗閥開啟壓力小，僅為0.3 MPa，便于開啟。

圖1 空心集成可反洗工作筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證工具的可行性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中存在的問題，為完善工具設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確保工具各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足使用要求，分別開展了工具整體密封性實(shí)驗(yàn)及工作筒和配水器芯子配合密封性試驗(yàn)、可反洗工作筒本體密封模塊和反洗閥密封性試驗(yàn)、反洗閥開啟壓力試驗(yàn)及“反洗排量-壓力”關(guān)系等室內(nèi)試驗(yàn)。

2．1 工具整體密封性實(shí)驗(yàn)及工作筒和配水器芯子配合密封性檢驗(yàn)

圖2 整體密封性試驗(yàn)工裝示意圖

1～3級可反洗工作筒分別裝上匹配的配水器芯子（所有嘴眼均裝上死堵），可反洗空心集成工作筒上接頭接3-1/2"NUP試壓接頭，下接頭接3-1/2"NUB堵頭（如圖2、圖3所示），打壓至20 MPa,穩(wěn)壓5 min，檢查工具整體密封性及工作筒和配水器芯子配合的密封性。

圖3 整體密封性試驗(yàn)工裝實(shí)物圖

圖4 穩(wěn)壓曲線圖

經(jīng)試驗(yàn)，由穩(wěn)壓曲線圖4可以看出，工具整體密封性良好，1、2、3級可反洗工作筒與對應(yīng)配水器芯子配合密封性良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

2．2 可反洗工作筒本體密封模塊和反洗閥密封性檢驗(yàn)

可反洗空心集成工作筒上接頭接3-1/2"NUP堵頭，下接頭放空。將可反洗空心集成工作筒插入密封筒內(nèi)，密封筒上、下接頭各接5-1/2"試壓接頭，要求上試壓接頭放空，下試壓接頭打壓至20 MPa（如圖5所示）。在上試壓接頭處觀察是否有滲漏液，若無滲漏液，說明本體密封模塊和反洗閥的密封性能良好。

圖5 可反洗工作筒本體密封模塊和反洗閥密封性工裝示意圖

圖6 壓力表穩(wěn)壓示數(shù)

依次將裝有對應(yīng)配水器芯子的可反洗空心集成工作筒插入475密封筒工裝內(nèi)打壓試驗(yàn)，分別打壓5、10、15、20 MPa（如圖6所示），各穩(wěn)壓5 min，密封筒下接頭均無液體泄漏且均無壓降現(xiàn)象發(fā)生，說明各級工作筒密封模塊和反洗閥密封性能良好，試驗(yàn)取得理想效果，滿足設(shè)計(jì)要求。

2．3 反洗閥開啟壓力實(shí)驗(yàn)及“反洗排量-壓力”關(guān)系實(shí)驗(yàn)

可反洗空心集成工作筒上接頭接3-1/2"NUP堵頭，下接頭放空。將可反洗空心集成工作筒插入475密封筒，密封筒上、下接頭各接5-1/2"試壓接頭，475密封筒下試壓接頭放空（如圖7所示），上試壓接頭打壓，緩慢提高壓力，待壓力突然下降，反洗閥開啟，注意記錄反洗閥的開啟壓力。多次進(jìn)行反洗閥開啟實(shí)驗(yàn)，記錄反洗閥的開啟壓力。

小排量起泵，確認(rèn)反洗閥開啟后，逐漸增大泵的排量，觀察反洗排量與壓力之間的變化關(guān)系。

圖7 反洗閥開啟壓力工裝示意圖

圖8 反洗閥開啟壓力表示數(shù)

圖9 密封筒試壓接頭液體流出

經(jīng)試驗(yàn)，反洗閥在較小壓差下即可打開，大小約為0.3 MPa（如圖8所示）,密封筒下試壓接頭有液體流出（如圖9所示），說明反洗閥打開后液體繞過工作筒密封模塊到達(dá)下端從下試壓接頭流出；并且隨著反洗排量的增大壓力基本不變，由此表明設(shè)計(jì)工具的各項(xiàng)性能指標(biāo)基本滿足使用要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

新型防返吐配水工作筒先后在綏中36-1、旅大10-1、渤南29-4和渤南34-1油田現(xiàn)場實(shí)施共計(jì)22口井，有效清洗了管柱及防砂段內(nèi)的臟物，延長水井酸化有效期，從而緩解了注水井結(jié)垢、腐蝕等不利影響，有效保護(hù)了注水井管柱。該工藝的成功實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了在完全不動井下管柱的情況下，對防砂段附近垢及污泥等雜質(zhì)進(jìn)行大排量沖洗，可有效減少水井解堵次數(shù)，延長解堵有效期，在渤海油田具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

1）新型防返吐分層配水工作筒注水時(shí)能封隔注水層段，建立分層注水通道；停注時(shí)，在彈簧力、液壓力作用下，注水通道自動關(guān)閉，避免地層液體返入注水管道，具有防返吐功能，兼具層間驗(yàn)封功能。

2）新型防返吐分層配水工作筒具有反洗通道，不改變現(xiàn)有測試和調(diào)配工藝，在原有正常注水、調(diào)配測試的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)不動注水管柱下的反洗井作業(yè)，降低反洗井成本，縮短施工周期。

3）新型防返吐分層配水工作筒反洗閥啟動壓力低（套、油環(huán)空壓差0.2～0.5 MPa即可打開反洗通道），且密封可靠性高，采用合金和橡膠雙重密封。

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