新型防返吐分層配水工作筒研制及應用

王現鋒， 張磊， 王良杰， 毛慶凱， 楊萬有， 張鳳輝， 王立蘋

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

0 引言

海上油田分層注水技術主要分布于渤海海域[1-6]，截至2016年1月，渤海油田共計擁有注水井500余口，其中僅空心集成分層注水工藝現場實施高達225口井，但該工藝不具備洗井功能使得注水管柱結垢、腐蝕嚴重，油層污染、堵塞、注水壓力上升等問題時常出現，嚴重影響分注井注水質量、投撈測配成功率及分注合格率[7-8]，極大制約油田開發效果。此外，原有“空心集成”分層配注技術不具備防返吐功能，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效[9-10]。

基于以上問題，在空心集成分層注水工藝技術研究基礎之上進行管柱優化設計及配套工具設計，研發了一種新型防返吐分層配水工作筒，解決以上技術問題以實現大井斜、單層大配注量的細分層注水要求，依此設計的配水器工作筒結構簡單，密封可靠；具有防返吐功能，避免層間壓差造成返吐現象產生；可實現不動注水管柱下的反洗井作業，實現反洗液從井底返出，徹底清洗井筒[11-15]。

1 技術分析

1．1 結構組成

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、定位套、方形鍵、下工作筒總成、下連接套等組成。其整體結構簡單，密封可靠，是反洗井注水管柱關鍵配套工具之一。在整個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，實現注水、反洗通道開關切換，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化分層注水、反洗功能有效實施的關鍵。

1．2 工作原理

1）正常分層注水時，注入水從中心管流過，管內油壓大于套壓，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，推動彈簧護套上移，使大彈簧處于預緊狀態；與此同時，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，推動彈簧護套下移，使大彈簧處于預緊狀態，反洗通道進水口關閉，空心集成可反洗工作筒外部實現層間封隔，內部注入水單向流動，進行分層注水作業。正常注水停注時，在地層壓力和彈簧力共同作用下，移動套移動復原關閉注水通道，防止返吐現象的發生。

2）反洗井時，注入水從管柱環空進入，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，反洗通道進水口動態打開，反洗液繞過密封模塊，進入反洗通道，在空心集成可反洗工作筒內旁通道進入環空，最終洗井液從井底經油管內腔返至地面，實現反洗井作業。

1．3 技術特點

1）配水工作筒注水時能封隔注水層段，建立分層注水通道；停注時，在彈簧力、液壓力作用下，注水通道自動關閉，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，可實現在不動注水管柱的情況下進行反洗井作業，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構示意圖

2 室內試驗

為驗證工具的可行性，發現設計過程中存在的問題，為完善工具設計提供依據，確保工具各項性能指標滿足使用要求，分別開展了工具整體密封性實驗及工作筒和配水器芯子配合密封性試驗、可反洗工作筒本體密封模塊和反洗閥密封性試驗、反洗閥開啟壓力試驗及“反洗排量-壓力”關系等室內試驗。

2．1 工具整體密封性實驗及工作筒和配水器芯子配合密封性檢驗

圖2 整體密封性試驗工裝示意圖

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 整體密封性試驗工裝實物圖

圖4 穩壓曲線圖

經試驗，由穩壓曲線圖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配水器芯子配合密封性良好，滿足設計要求。

2．2 可反洗工作筒本體密封模塊和反洗閥密封性檢驗

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，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 壓力表穩壓示數

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

2．3 反洗閥開啟壓力實驗及“反洗排量-壓力”關系實驗

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。多次進行反洗閥開啟實驗，記錄反洗閥的開啟壓力。

小排量起泵，確認反洗閥開啟后，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

圖9 密封筒試壓接頭液體流出

經試驗，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，由此表明設計工具的各項性能指標基本滿足使用要求。

3 現場應用情況

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油田現場實施共計22口井，有效清洗了管柱及防砂段內的臟物，延長水井酸化有效期，從而緩解了注水井結垢、腐蝕等不利影響，有效保護了注水井管柱。該工藝的成功實施，實現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進行大排量沖洗，可有效減少水井解堵次數，延長解堵有效期，在渤海油田具有廣闊的應用前景。

4 結語

1）新型防返吐分層配水工作筒注水時能封隔注水層段，建立分層注水通道；停注時，在彈簧力、液壓力作用下，注水通道自動關閉，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，不改變現有測試和調配工藝，在原有正常注水、調配測試的基礎上，實現不動注水管柱下的反洗井作業，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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