一趟防砂管柱坐封驗封自切換工具研究及實驗

王良杰，王柳，劉鐵明，蔣暢，程心平

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300457）

0 引言

油田注水井防砂包括坐封和驗封2個步驟，需要下入2趟管柱才能完成坐封和驗封施工操作[1]。如果能把2趟管柱施工變為1趟，即可減少作業時間和降低作業成本[2-3]。本文研究開發了自切換開關控制閥，在井口通過壓力控制，實現開和關遠程操作，把坐封和驗封功能集中成1趟管柱。同時，通過實驗驗證了自切換開發控制閥功能，僅通過壓力控制實現了自切換閥循環開/關操作[4]。

1 管柱工藝原理

1.1 管柱構成

根據目標井分層數和井筒尺寸情況，如圖1所示（按4層分注為例）。首先，按施工設計管柱井口連接好外層防砂管柱，如圖1（a）所示，包括篩管、封隔器和密封筒等工具；其次，自下而上連接防砂管內管，如圖1（b）所示，包括單流閥、自切換開關閥和擴張式封隔器等；再次，連至懸掛丟手封隔器時，封隔器把外層防砂管柱和內層坐封驗封自切換管柱連接成一體，形成一體化的防砂管柱，如圖1（c）所示；最后，通過油管或鉆桿下至設計深度，如圖1（d）所示。該管柱組成內部服務管柱因同時具備坐封、驗封功能，故下入本趟施工管柱后，后面僅通過井口壓力控制自切換開關閥的開啟和關閉，就可以完成防砂管柱坐封和驗封，不需要再下入第二趟管柱[5]。

圖1 自切換開關閥驗封坐封管柱示意圖

1.2 施工步驟

1）自切換坐封驗封一體化施工管柱下入到目標井深后，在井口控制油管內的壓力，向油管內打低壓（2～6 MPa），此時防砂管柱上的最下一個工具，即底部支撐錨定器的卡瓦向外擴張，繼續下放管柱約3～6 t，錨定器卡瓦牙咬定套管內壁上，坐封底部支撐錨定器，實現外層防砂管柱錨定，如圖2（a）所示。錨定坐封完成后，油管內不泄壓維持恒定的壓力值，保證在下一步驟之前自切換開關控制閥仍處于關閉狀態，維持油管內的壓力。

2）油管內繼續升高壓力至封隔器設計的坐封壓力，完成自切換閥所在位置的隔離封隔器坐封，并同時坐封懸掛丟手封隔器，并實現懸掛丟手封隔器丟手。此時，防砂內、外管相互分離，內服務管柱和自切換開關閥能夠任意上提下放，如圖2（b）所示。

圖2 自切換開關閥坐封驗封步驟示意圖

3）泄油后再次給油管打壓，此時自切換開關閥換軌后處于開啟狀態，內部服務管柱切換到驗封功能狀態，完成最下一級隔離封隔器的驗封，如圖2（c）所示。驗封結束后，油管泄壓。

4）待擴張式驗封封隔器膠筒回縮后，上提油管使內管上的坐封總成位于下一級隔離封隔器，同樣在井口采取壓力控制方式，切換自切換開關閥的開關狀態，打壓坐封該級封隔器，如圖2（d）所示。泄壓后再次打壓，軌道開關開啟，完成對該及隔離封隔器的驗封。

5）繼續上提油管，即可逐級完成對井下所有封隔器的坐封和驗封，對于某一級驗封不合格的封隔器可以反復坐封和驗封。

2 技術介紹

2.1 結構組成

如圖3所示，自切換開關閥結構主要包括三大部分：1）定壓閥部分，液體從軌道開關出水口出水時，需推動定壓閥壓縮定壓彈簧，使出水口內外產生節流壓差；2）變位活塞部分，活塞運動的極限位置由銷釘在軌道滑槽的位置決定，不同的位置對應于軌道開關閥的開啟、關閉狀態；3）軌道滑槽部分，銷釘的運動始終控制在軌道滑槽內，通過軌道槽的設計路徑來控制銷釘的軸向位移和圓周方向的位移。除上述主要組成外，軌道開關閥還設計有球座部分，當軌道開關閥在井下出現換軌失效或密封失效的情況時，通過投球并定位在球座上，使軌道開關閥變為單流閥，繼續完成施工操作。

圖3 自切換開關控制閥結構示意圖

2.2 工具原理

如圖4所示，銷釘安裝在自切換閥零件的軌道槽內，運動軌跡與滑槽軌道的設計路徑一致。改變自切換閥工具內部的壓力，切換壓力狀態，銷釘即沿著軌道槽路徑運動[6-7]。當自切換開關控制閥內外壓差為零時，變位活塞因復位彈簧的推力處于初始狀態，自切換閥的滑動銷釘處于C1位置，如圖5所示。自切換開關控制閥原理步驟如下：

圖4 軌道滑槽實物外形

圖5 軌道滑槽平面展開軌跡

1）增加自切換開關閥內部壓力，液壓力推動變位活塞軸向移動，銷釘在軌道槽內滑移，移動至極限位置A點。當銷釘在A點時，自切換開關閥出水閥處于關閉狀態，流體不可通過自切換開關閥進入油套環空，內層防砂服務管柱具有坐封功能。

2）降低自切換開關閥內部的壓力，直至內部壓力小于銷釘換軌壓力，復位彈簧推動銷釘向下移動，銷釘沿著軌道軌跡移動到C2位置，自切換開關閥恢復最初狀態。

3）再一次增加自切換開關閥內部的壓力，液壓力推動變位活塞移動，軌道銷釘移動到B點。當銷釘在B點時，自切換開關閥出水口處于開啟狀態，流體通過出水口進入油套環空，即可驗證防砂封隔器的密封性能，內層防砂服務管柱具有驗封功能。

4）再一次降低自切換開關閥內部的壓力，銷釘回到C1位置，自切換工具又回到最初的狀態。

5）重復上面的步驟即可完成軌道開關閥的開、關，而內管柱在驗封、坐封兩種功能狀態下進行互相切換。

2.3 工藝技術特點

1）采用純機械設計結構，可重復使用，有效壽命期長；2）自切換閥的開啟/關閉切換壓力可以設置，可根據目標井實際需要設定換軌壓力，操作方便；3）優化的軌道結構設計，銷釘與接觸的軌道采用相切設計結構，避免銷釘滑動受卡，安全可靠；4）整個使用過程，銷釘不承受較大的載荷力，只起滑移導向的作用。

2.4 技術參數

長度為1400 mm；最大外徑為φ115 mm；最小內徑為φ30 mm；換軌壓力為0.7～2.0 MPa；開啟壓力為4～6 MPa。

3 工具實驗

3.1 實驗目的

1）對工具進行壓力控制，檢驗自切換開關閥能否順利換軌。2）換軌過程中，自切換開關閥開啟狀態時，出水口能正常出水，關閉狀態時，出水口能有效密封。

3.2 工具實驗技術指標

工具實驗技術指標如表1所示。

表1 自切換開關閥實驗技術指標

3.3 實驗過程記錄

1）自切換開關控制閥下接頭連接堵頭，上接頭與泵連接。實驗選用兩套軌道開關控制閥，分別與小排量泵連接，大排量泵連接。如圖6所示。

圖6 自切換開關閥上下接頭連接示意圖

2）啟泵打壓，檢驗自切換開關閥的換軌性能，并當工具處于關閉狀態時，進行高壓實驗，檢驗自切換閥在關閉狀態下的密封效果。表2是分別是兩套開關控制閥實驗過程數據記錄。

表2 工具開關自切換實驗數據記錄

4 結語

1）兩套自切換開關控制分別進行6次開關重復實驗。通過泵出口壓力控制，工具均能實現換軌。泄壓后，開關閥閥套均能回到原始位置。工具軌道結構設計合理，零部件之間無卡阻現象。

2）打開狀態下，出水閥能在4 MPa左右開啟，并在開啟之前，能夠完成出水閥閥套的換軌，表明換軌壓力小于出水口開啟壓力，二者壓力關系滿足達到設計要求。

3）工具密封性能和開啟性能良好。當處于關閉狀態時，工具整體憋壓大于20 MPa以上；處于開啟狀態時，工具出水口能順利出水。