防噴注水管柱的結構設計與工作原理分析

摘 要：伴隨著石油持續被開采，地層儲存的能量持續被耗損，對應油井的產量也持續減少，更有甚者還會面臨停噴停產，導致地層殘余的大量石油無法被人們開采出來。在傳統的分層注水作業過程中，常壓作業起下管柱時，井底油管內返水現象很普遍，管柱提升多高，井液就會噴濺多高，難以接收，不僅噴濺油田作業員工一身污油污水，還會給周圍環境帶來嚴重污染，嚴重時甚至還會危及油田工作人員生命安全。結合油田注水作業的實際情況，分析注水管柱內部溢流的原因，針對這一原因，按照“環空流體不噴濺，管內流體不存留”的思路，針對油管、擋球及橋式偏心的結構特點，對防噴管柱的結構進行改進，分別設計上、下封堵泄流器。

關鍵詞：分層注水;封堵泄流器;防噴泄流

為了防止注水作業完成后提升管柱過程中管柱內液體向上噴濺的情況發生，需要針對傳統的管柱結構進行改進。按照“環空流體不噴濺，管內流體不存留”的思路，針對油管、擋球及橋式偏心的結構特點，分別對管柱的結構進行了設計。如圖1所示，是防噴管柱設計思路示意圖。

針對以上的思路分析，本文設計了一種新的防噴注水管柱，該注水管柱與傳統的注水管柱相比，不僅可以實現常規泄流，還可以實現防噴功能。該管柱能夠實現此功能的主要結構是上部封堵泄流器和下部封堵泄流器。

1.上部封堵泄流器

上部封堵泄流器主要安裝在管柱的最上端，即預置在套保級封隔器上部。它采用平衡式滑套內堵做活塞，因此不影響正常注水，作業時實現封堵及油套連通;直接從井口丟入液力送達，實現內堵到達預定位置無需其他工具投送;傘形閥設計具有雙向作用，起管柱時既能防噴又能實現管內有效泄流。再次作業前液力投入內堵，利用注水壓力開啟油套間泄流通道及內堵泄流通道，傘形閥芯既能封堵井下高壓溢流，又能使上部存水回落。該結構的設計十分巧妙，無需工具投遞就可以達到其指定的位置。起主要作用的是傘型閥和下面的球閥，當傘型閥達到開啟壓力后，傘型閥打開，油管上面的存水能夠回落，通過油套間的泄流通道流出，而底部的返水無法通過傘型閥，只能通過球閥旁邊的孔流向油套間的泄流通道，傘型閥起單向閥的作用，因此能夠封堵井下高壓溢流，又能使上部存水回落。如下圖所示：

圖2表示的是上部封堵泄流器在整個分層注水結構中的位置，它安裝在管柱的最上端，也就是在套保級封隔器上部。圖3表示的是上部封堵泄流器的結構簡圖，它主要由上接頭、分流管、外連接套、下接頭、卡簧、防噴閥、泄流閥、主體組成，而起主要防噴泄流作用的是它的防噴閥和泄流閥。在該裝置中防噴閥起到了單向閥的作用，管柱的上部存水能夠回落，而管柱下部的液體則無法向上噴出。圖4表示的是上部封堵泄流器的三維示意圖。

2.下部封堵泄流器

下部封堵泄流器預置在整個分層注水管柱底部代替擋球。注水管柱下井后打壓釋放封隔器，同時解除下井保護機構，推動單向閥進入預定位置;當再次注水作業時利用加深工序支撐開啟防噴泄流閥;而它的傘形閥芯既能封堵井下高壓溢流，又能使上部存水回落。整個的工序過程可以分為如上的三部分。下部封堵泄流器在下井時具有防噴功能，它主要是通過底閥位置的可動，來變換功能區域。當封隔器釋放后，它又可以當成常規擋球。傘型閥的設計具有雙向作用，當再次作業重新觸發機構時可以實現防噴和泄流功能。下部封堵泄流器在注水管柱結構中的安裝位置如下圖所示：

圖5表示的是下部封堵泄流器在整個分層注水結構中的位置，它安裝在管柱的最下端，它除了能夠實現防噴泄流外還能夠代替擋球起到阻擋井內雜質的作用。 圖6表示的是下部封堵泄流器的結構簡圖，它主要由上接頭、外套、保護結構、防噴閥芯、泄流閥套、伸縮管、雙向閥組成，而起主要防噴泄流作用的是它的防噴閥和泄流閥。在整個注水作業中，下部封堵泄流器一直預置在井底。 圖7表示的是下部封堵泄流器的三維示意圖。

在整個注水井防噴管柱結構設計中，上部封堵泄流器和下部封堵泄流器是兩個至關重要的部件。防噴泄流功能主要是靠它們來實現的，上部封堵泄流器和下部封堵泄流器結構設計的合理性是本章較為關注的問題。在防噴管柱的結構設計中，需對封堵泄流器的安全性、可靠性、使用壽命進行合理性分析與驗證。在整個分層注水管柱結構中，各個工具的安放位置見圖8。

通過油田現場試驗，對上部封堵泄流器和下部封堵泄流器的工作壓差、泄流通道開啟壓差、底閥開啟壓差、傘形閥承壓差能力以及存水回落時間分別進行了試驗驗證，通過實驗結果和仿真結果進行對比，可以知道軟件的仿真精度是可靠的，該管柱的設計也是合理的，不僅可以順利實現分層注水還可以實現防噴和泄流。

參考文獻：

[1]何亞斌， 鬲新鵬， 俞忠寶等. 分層注水技術措施[J]. 化工設計通訊， 2018.

[2]蔣敏， 韓寧， 孫聰聰等. 分層注水管柱力學分析研究及應用[J]. 中國石油和化工， 2016.

作者簡介：

楊秋悅（1985.08-），女，漢族，浙江省平湖市人，助理實驗師，學士，主要從事石油實訓教學及學生管理工作。