石油系統中高壓分層注水管柱的研究

摘 要:針對研制深井高壓狀態下綜合機械性能較高的分層注水管柱這一課題設計研制了一套方案。

關鍵詞:擴張封隔器 高壓封隔器 偏心配分器 堵塞器 壓力補償器

中圖分類號:TE3 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)03(c)-0097-01

1 高壓分層注水的特點

管柱受高壓和泵壓不穩的作用產生膨脹和蠕動，易造成油管彎曲和密封失效。是因為在分層注水過程中，注水管柱會受到內壓、外壓、軸力、扭矩、彎矩、粘滯摩阻和庫侖摩擦力等多種載荷的聯合作用。它會帶動井下封隔器隨之不斷地上下蠕動，使封隔器的密封膠筒被磨壞，甚至使得封隔器提前失效或解封，浪費了大量的作業費用，影響了分層注水效果，縮短了注水管柱工作壽命。

2 技術組成

2.1 工具結構特點

工具的結構設計力爭使工具和套管之間的間隙縮小，增加密封的可靠性。工具的材質，加工工藝均有特殊要求。高壓作用下配套工具的主要受力部件的強度均高于常規工具由于注入水質的影響容易結垢，為此工具的動配合表面均采用化學處理。高壓及高壓差作用下密封件的密封性能及時性得到了必須保證。

2.2 工作原理

根據施工設計配管柱下井，利用封隔器將各層段卡開，在相應層段管柱上裝有偏心配水器。當管柱下完后，從油管內蹩壓10MPa驗證管柱漏失情況并坐卡水井錨，在最上一級封隔器上部安裝水井錨錨定管柱，使溫度效應、螺旋彎曲效應、膨脹效應所產生的力通過卡瓦傳到套管上，解決管柱蠕動問題，保護封隔器膠筒。繼續蹩壓20MPa，剪斷管柱伸縮補償器剪釘，此時伸縮補償器的彈簧爪在內支撐失去之后而脫開并開始工作。采用伸縮管，能補償管柱的伸長和縮短，消除管柱的軸向應力，防止管柱彎曲變形或損壞。通過鋼絲將投撈器下入井內逐級撈出各偏心配水器的堵塞器，將堵塞器的死嘴子更換為不同尺寸的水嘴，進行分層注水。在注水過程如果需要洗井，可由套管泵入液體經尾部循環凡爾進行反洗井。

3 具體配套工具的研究

目前分層注水工藝管柱所使用的封隔器為較早研究的封隔器。該封隔器耐壓差低、密封性能較差。主要是因為鋼體強度低、反洗井密封是靠凡爾的鋼性線密封進行密封的。由于反洗井的水擊等因素影響和腐蝕結構，很容易失效。不能滿足當前注水的需要。

3.1 擴張封隔器的結構

K344-116封隔器由彈簧和閥體組成的壓力保持平衡系統，密封總成系統和解封系統組成。特點:該封隔器具有保持密封壓力特點，當油管打壓到10～15MPa時，密封件膨脹密封油套環形空間，承壓5～10min活塞在彈簧的作用下關閉傳壓通道，保持穩定壓力對密封件有一恒定力的作用，以保證其密封性。工作原理:(1)坐封:管柱按施工設計下到預定位置，利用水泥車或注水泵油管正打壓10～15MPa，封隔器密封件膨脹，貼緊套管，密封油套環形空間，起到封隔油層的作用。(2)解封:上提油管拉斷固定銷釘，封隔器中心管上移，中心管上的溝槽段進入密封腔內，壓力釋放，完成解封。

3.2 Y341-116高壓封隔器結構

該封隔器由動力部分、鎖緊部分、密封部分、洗井部分和解封部分組成。特點:該封隔器坐封后，鎖緊機構將壓縮后的膠筒鎖住，阻止其反彈來密封油套環形空間。封隔器的外徑較常規封隔器大2mm，減小了鋼體與套管內壁的間隙。密封件采用理化指標較高的橡膠，密封件外徑由常規的Φ113mm增加到Φ115mm，減小了環空密封面積，增強了耐壓差性能。工作原理:(1)坐封:管柱按施工設計下到預定位置，利用水泥車和注水泵油管正打壓15MPa以上，活塞在壓力作用下上移，推動鋼套，鋼套壓縮膠筒，向前移動，爪簧與鎖環鎖緊，密封件封隔油套環空，完成封隔器的坐封。(2)洗井:從油套管環空用注入泵打入洗井液，洗井液向下推開洗井閥，洗井液繞過密封件從管柱底部環座從油管返出地面，按要求完成洗井。(3)解封:上提管柱，封隔器中心管上移，剪斷解封銷釘，在解封體上頂力的作用下，將鎖環和分辨爪簧分開。繼續上提管柱密封件在與套管摩擦力的作用下恢復到原位，完成封隔器的解封。

3.3 偏心配水器結構

PX-116偏心配水器主要由連接體、扶正體、支架和導向體組成，用來將帶咀子的堵塞器投入其偏心孔，完成油層的配注水量。特點:將偏心配水器的外徑由原來的φ113mm增加到φ116mm，增大了主要受力部件的尺寸，增強了整體抗壓抗拉強度。將導向體由原鑄件改成鍛件，易于加工且使表面粗糙度降低，減小投撈器進入時的阻力。工作原理:偏心工作筒是用來承載堵塞器的必備工具，用鋼絲繩連接投撈器，投撈器帶堵塞器從油管下入井中，由導向體對投撈器換位，并將堵塞器從投撈器的側面彈出，向上提拉一定的距離后下放，經扶正體作用堵塞器沿側孔進入工作位置，上提后堵塞器留在工作筒內，實現對目的層的注水。更換水嘴時，將投撈器的打撈頭換成釋放撈頭即可。

3.4 堵塞器結構

堵塞器主要由彈簧連桿、凸輪扭簧、陶瓷水嘴等組成。特點:堵塞器除彈簧水嘴外，其余各零部件均采用不銹鋼材料，主要是防止長時間在水介質中工作易在動作部位和外表面結垢，導致投撈時遇卡和拉斷鋼絲，造成不必要的修井作業。工作原理:當堵塞器進入偏心工作筒φ20mm側孔后，彈簧壓帽上提，凸輪翻轉卡在偏心配水器的側孔內，完成投堵工作。撈出時鋼絲帶打投頭下入，進入側孔后抓住打撈頭上提，拉斷細釘，凸輪收回，完成撈出過程。

3.5 油管錨定器結構

油管錨定器主要由本體、錨瓦、檔砂襯套和壓板組成。特點:油管錨定器采用35CrMo調質后整體加工，保證機械性能不受因加工而帶來的影響。錨瓦外側表面和本體錨瓦孔均采用化學處理，防止在水介質中長時間工作造成結垢。工作原理:管柱按施工設計下入預定位置后，在注水過程中錨瓦在1MPa的壓力下即可錨定在套管內壁上，壓力越高錨定力越大。

3.6 應力補償器結構

應力補償器主要由內管、外管和液缸組成。特點:上接頭，即本體外表面和密封環內表面采用化學處理，防止結垢和銹蝕，造成漏失和不能相對滑動。工作原理:管柱工作時，油管錨定器錨定在套管上時，當油管壓力很高時，油管產生的膨脹力勢必造成管柱收縮，應力補償器即可補償收縮的距離。

4 結語

(1)偏心分層注水技術和液力投撈分層注水技術形成了多級高壓分注、斜井分層注水工藝技術，基本滿足了不同井況分層注水的需要。(2)分層水量測試驗封工藝的研究與應用，極大地減輕了投撈測試施工操作工作量，保證了分層注水工藝的可靠性，可廣泛應用。(3)分層注水工藝不僅能有效控制油藏中一類層的吸水量，同時能有針對性地提高需要注水的二、三類層的吸水量，能有效提高油藏的水驅動用程度，是高含水油藏在開發中后期必不可少的一項注水工藝。