防砂卡分采舉升工藝管柱研制

李志廣，李風濤，閆永維，李　川，張子佳（大港油田公司石油工程研究院，天津300280）

防砂卡分采舉升工藝管柱研制

李志廣，李風濤，閆永維，李川，張子佳
（大港油田公司石油工程研究院，天津300280）①

機械卡堵水技術在實際生產中應用越來越多，生產管柱因卡層出砂導致的砂卡管柱現象日趨嚴重，經常因砂卡造成管柱大修。研究一種新型分采舉升工藝管柱技術，解決卡層出砂導致分采生產管柱砂卡的問題。關鍵技術是通過工藝管柱的優化設計及配套工具技術研制，在管柱發生砂卡時，通過上提管柱而解卡。如果上提管柱不能解卡，則可從安全釋放裝置處順利釋放，然后對井筒內管柱進行套洗沖砂，最后將井筒內剩余管柱依次撈出，避免油井進行大修作業。

采油；管柱；井下工具；砂卡

隨著油田開發的深入，地層情況越來越復雜，層間差異大，合采已經不能滿足生產需求，分層開采已經成為開發油藏的主要手段。但是，分采生產管柱的結構不合理，在出砂井中的適應性較差，主要是出砂而經常將卡層封隔器埋死，在檢泵時導致管柱提不動，有時經過活動解卡可將管柱提出，更多的是把管柱卡死在井中造成油井大修［1］。

針對以上問題設計了一種舉升工藝管柱，同時研發了配套工具。該管柱結構簡單，既可滿足生產需要，又能在砂埋管柱后對其進行分步處理，避免砂埋管柱后造成油井大修，同時在生產中具備反洗井、監測動液面及油層不被洗井液污染的功能。

1　結構［2］

舉升工藝管柱由過橋式抽油泵、壓差式油套連通閥、Y241型自驗封封隔器等組成（如圖1）。在管柱發生砂卡時，可對管柱進行分步處理，依次提出，在生產中可實現反洗井、監測動液面、保護油層不被洗井液污染的功能。

圖1　舉升工藝管柱示意

2　工作原理［3］

1） 下入過程。將空心橋塞按照施工設計要求下入井內位置，進行加壓，空心橋塞坐封后繼續加壓憋開丟手，提出輸送管柱，將配套工具按照施工設計要求依次下入井內，到位后插入芯管與密封管之間形成徑向密封，隔開控制層與生產層。對管柱進行加壓，在壓差作用下，壓差式油套連通閥與壓差式常通閥關閉，Y241型自驗封封隔器坐封，通過井口壓力變化可判斷封隔器的坐封狀態。

2） 生產過程。在生產中壓差式油套連通閥處于開啟狀態，油套連通，可直接對動液面進行實時監測。當需要進行反洗井作業時，洗井液通過壓差式油套連通閥進入管柱內，由于壓差的作用，井下壓差式常通閥關閉，洗井液不能沿油管進入生產層，保證油層不被污染。洗井液只能沿抽油泵循環至地面；壓差式常通閥在生產中處于常開狀態，當由于特殊原因造成抽油泵停抽時，井液中的砂粒等雜質不會沉積在常通閥處，有效保證了油管內部上下暢通，再次開抽時確保油井的正常生產。

3） 提出過程。需要進行檢泵作業時，解封Y241型自驗封封隔器。若沒有發生砂卡，可將上部管柱直接提出；若管柱發生砂卡，封隔器無法解封，則加大上提力，此時封隔器釋放裝置限位銷釘被剪斷，為封隔器提供一個解封距使其可順利解封，若封隔器解封后管柱仍被卡死，則需進行活動解卡，若活動后仍無法解卡，則通過TF型安全接頭將上部管柱釋放；然后對下部管柱進行套洗沖砂，再對下部管柱進行打撈。如需取出空心丟手，下入打撈工具進行打撈，若只是進行檢泵作業，可在檢泵后按施工設計要求下入配套工具，插入空心丟手完井。

3　技術特點

1） 舉升工藝管柱由空心橋塞與插入管柱組合而成，便于解卡操作，發生砂卡時可進行分步處理，避免油井大修。

2） 管柱結構配套合理，在保證封隔器順利坐封的同時，又能滿足生產時管柱上下暢通、油套連通，使用安全可靠。

3） 生產中壓差式油套連通閥處于常開狀態，油套連通，可進行反洗井作業，洗井時壓差式常通閥關閉，保證油層不被洗井液污染。

4） 在生產時可以對動液面進行實時監測。

4　主要配套工具

4.1 Y445型空心橋塞

Y445型空心橋塞采用雙錐體雙向卡瓦錨定機構，具有錨定可靠，承受負荷大的特性。該封隔器具有內部平衡系統，解封載荷小，解封靈活。采用了特殊結構的密封膠筒，坐封載荷小，承壓能力高，可達30 MPa以上。特有的插入密封結構可與上部插入管柱的緊密結合，如圖2，有效保證整趟管柱的密封性能，發生砂卡管柱時確保上部管柱可順利提出。

圖2　Y445型空心橋塞結構

Y445型空心橋塞的密封特性屬于接觸密封，影響密封性的主要參數之一是接觸面上的壓力（即接觸壓力），接觸壓力的求解如下。

式中：pK為接觸壓力（應力）；G為抗剪彈性模量；A1為元件變形后的橫截面積；R01為套管的內半徑；R0為密封元件的內半徑；R1為密封元件的外半徑；Δp為密封壓差；μ為泊松比；F0為坐封載荷。

如果上式左邊等于壓差Δp，并將公式變換就可以得到一個在相應壓差條件下使空心橋塞達到密封所需的最低坐封載荷（F0）為：

對于Y445型空心密封橋塞，密封元件變形后的橫截面積A1＝7510．9mm2，密封壓差Δp＝50 MPa，抗剪彈性模量G＝1．27MPa，泊松比μ＝0．475，套管內半徑R01＝63．5mm，密封元件的外半徑R1＝57mm，密封元件內半徑R0＝40．5mm，將數據帶入式上式求得：F0≥51553．4N

所以，在求解的條件下使空心橋塞達到密封所需的最低坐封載荷為F0≥51．5kN。

下面就設計的Y445型空心密封橋塞求解其實際坐封力的大小。

活塞的面積Ahs為：

坐封壓差設置為pz＝12 MPa，計算求得實際坐封力為：

實際坐封載荷大于空心橋塞的最低坐封載荷，坐封壓差設置為12MPa，能夠滿足空心橋塞密封元件50MPa的密封要求。

4．2 壓差式油套連通閥［4-5］

壓差式油套連通閥配套液壓封隔器坐封，結構如圖3。下井時，滑套在彈簧彈力作用下打開，油套處于連通狀態；坐封封隔器時，油管加壓，滑套受液壓作用壓縮彈簧關閉，油套通道斷開，液流經過連通閥內腔坐封下面封隔器。

圖3　壓差式油套閥結構

4．3 壓差式常通閥［6］

井下壓差式常通閥通過液體截流產生壓差的原理，進行開啟關閉，其效果遠好于普通球座，能更好地滿足生產需求，其結構如圖4～5。使用時既能保證封隔器坐封的可靠性、又能使整個管柱與地層保持暢通。當管柱內沒有壓差時，壓差式常通閥不會關閉，保證了管柱內部暢通，杜絕了砂埋球座的現象；若管柱加壓，使閥芯產生壓差，常通閥隨即關閉，滿足封隔器的坐封要求，泄壓后，閥芯在彈簧的作用下恢復開啟狀態，不會出現封隔器中途誤坐封現象。

圖4　井下壓差式常通閥（打開時）結構示意

圖5　井下壓差式常通閥（關閉時）結構示意

5　現場應用

研制的舉升工藝管柱適用于需要進行分層開采的出砂油井。當發生砂卡時，可對管柱進行分步處理，將其順利提出井筒，避免油井因管柱砂卡造成大修作業。目前共在大港油田應用20口井。

莊8-14-3井屬于大港油田第二采油廠，2013-02下入Y211型封隔器進行分層開采，控制層位1 411．5～1 414．5m。2014-03進行檢泵時管柱發生砂卡，造成油井大修，作業后下入下入舉升工藝管柱，于2014-12再次進行檢泵作業，上部管柱順利提出，檢泵后再次下入防砂卡舉升工藝管柱完井，至今分層效果良好，平均日產液66．85m3，產油5．14m3。該井的管柱組合如圖6。

圖6　莊8－14－3井管柱結構

6　結論

1） 防砂卡舉升工藝管柱可滿足出砂油井分層開采的需求，當管柱發生砂卡時，可對其進行分步處理，避免油井大修。

2） 通過配套工具的優化組合，在保證液壓封隔器順利坐封的同時，又能使管柱上下暢通，確保生產安全可靠。

3） 生產過程中油套連通，在洗井時洗井液不會進入油層，保證油層不被污染，有效提高生產時效。

4） 可實時有效地對動液面進行監測，保證了油井生產數據的真實可靠。

5） 隨著油田開發的深入，分層開采已經成為開發油藏的主要手段，同時出砂油井占生產井的比例越來越大。防砂卡生產管柱技術的應用前景廣泛。

［1］ 李川，李志廣，阮剛，等．洗井防污染丟手分采管柱設計與應用［J］．石油礦場機械，2011，40（1）：72-74．

［2］ SY／T5106—1998，油氣田用封隔器通用技術條件［S］．

［3］ 萬仁溥．采油工程手冊［M］．北京：石油工業出版社，2000．

［4］ 《機械設計手冊》編委會．機械設計手冊［M］．北京：機械工業出版社，2004．

［5］ 陳冬，李志廣，李川，等．井口鉆塞加壓裝置的研制與應用［J］．石油機械，2012，40（3）：40-41．

［6］ 李志廣，李川，張子佳，等．井下壓差式常通閥［J］．石油礦場機械．2009，38（10）：83-84．

Development and Application of the Lifting Process Pipe String for Sand Sticking-proof

LI Zhiguang，LI Fengtao，YAN Yongwei，LI Chuan，ZHANG Zijia
（Petroleum Engineering Institute，Dagang Oilfield Company，Tianjin 300280，China）

Mechanical technology for plugging water is widely used in the actual production，and sand stick caused by sand layer in production pipe string is becomingmore andmore serious，often leading to workover．Therefore，developing a new type of production pipe string technology to a-void the workover caused by sand stick is necessary，the key technology is the optimization design of the lifting process pipe string andmatching tool technology development，when pipe string is stuck by sand in controlled layer，it is likely to be released by rising pipe string，if this solution fails，the pipe string can be released from the safety joint smoothly，then wash sand between pipe string and casing in wellbore，finally get the pipe string out of wellbore sequentially，avoiding the workover operation．

production；pipe string；downhole tool；sand stuck

TE931．202

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．021

1001－3482（2015）08－0086－04

①2015－02－20

專利技術：國家實用新型專利（ZL201020515732．1）

李志廣（1965-），男，天津薊縣人，高級工程師，1988年畢業于大慶石油學院石油設備與機械工程專業，長期從事鉆采工藝及配套工具研究。