雙螺桿泵同井注采技術分層管柱研制與應用

張永倉 姚飛 劉鈺川 馬百濤 張榮鵬

（1.大慶油田有限責任公司第七采油廠；2.大慶油田有限責任公司采油工程研究院；3.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室；4.大慶油田有限責任公司第四采油廠）

隨著油田開發進入特高含水期，采出液含水率不斷升高，地面油水分離及污水回注已成為特高含水油田開發的共性技術難題。目前，較為有效的技術手段是井下油水分離同井注采工藝技術，利用井下油水分離設備對生產層的采出液進行油水分離，含水率降低的采出液被舉升至地面，分離出的水被回注到注入層，實現同一井筒內采出與注入、一井兩用，構建新的注采體系，可實現特高含水油田地面產水量降低70%以上，使含水98%的油井繼續生產至地層產出液含水99%以上，有效延長油田經濟開采周期，提高油田經濟采收率[1-4]。

1 分層管柱設計難點

雙螺桿泵同井注采技術是通過封隔器將注采層分開，應用水力旋流器在井下進行油水分離，運用同軸螺桿泵進行分離液的舉升和回注。井下復雜的工作環境對分層管柱提出了高效、耐用、適應性強的要求，且需要建立相對獨立的注采通道[5-7]。為此，開展了用于雙螺桿泵同井注采工藝的井下分層工藝管柱的研發與應用。

雙螺桿泵同井注采工藝管柱分為生產管柱與分層管柱兩部分：生產管柱由采出螺桿泵、水力旋流器、注入螺桿泵組成；分層管柱由封隔器、雙通道注采器等組成。

分層管柱通常工作在千米井深、工作環境和工作狀態非常復雜，其設計主要面臨以下三個難點：一是要滿足同一井筒內采出與注入，需在井下建立相對獨立的注入和采出通道；二是在注采過程中，采出液進入水力旋流器后需要與注、采螺桿泵配合，井下雙螺桿泵的震動較大，對井下工具的密封性、穩定性有較高的要求；三是受泵的啟停、泵壓、流體排量、流體性質及工況環境變化影響，管柱內外壓力、應力以及載荷發生變化，易導致管柱變形、不穩定的振動現象的發生，影響井下同井注采分層管柱的壽命[8-10]。

2 分層管柱結構

針對目前雙螺桿泵同井注采需求，設計了采上注下、采下注上兩種類型分層工藝管柱滿足了不同層位注采需求，為實現井組及區塊同井注采奠定了技術基礎。

2.1 采上注下分層管柱

2.1.1 管柱結構

采上注下工藝管柱見圖1，主要由可定位插入密封段、Y443封隔器、延伸工作筒組成。該管柱具有密封可靠、穩定性高、使用壽命長等特點，耐溫120℃、耐壓35MPa。施工時，利用投送管柱將Y443封隔器下至設計位置，油管打壓坐封，正轉丟手，完成注采層段分隔；隨后起出投送管柱，下入可定位插入密封段，與Y443-114封隔器配合，建立注入通道。

圖1 采上注下工藝管柱

2.1.2 工作原理

核心工具為Y443-114封隔器，主要由坐封套、上卡瓦、密封膠筒、下卡瓦組成，是一種管柱投送、液壓坐封、鉆銑解封的永久式可鉆封隔器。坐封時，在液壓作用下配套坐封器、加力器共同作用產生坐封力，推動坐封套下行壓縮膠筒，密封油套環形空間，繼續加壓，上、下卡瓦破碎嵌入套管內壁，完成錨定、鎖緊，膠筒始終處于壓緊狀態，達到封隔油層的目的。

2.2 采下注上分層管柱

2.2.1 管柱結構

采下注上工藝管柱見圖2，主要由可定位插入密封段、Y215-114封隔器、雙通道注采器、Y111-114封隔器、支撐卡瓦和篩管組成，整體丟手、上下卡瓦雙向錨定，管柱穩定性高。

圖2 采下注上工藝管柱

其工藝原理是利用投送管柱將分層管柱下至設計位置，通過提放管柱，坐封、丟手，實現注采層段分隔；隨后起出丟手管柱，下入可定位插入密封段，與雙通道注采器配合，建立獨立的采出、注入通道。

2.2.2 工作原理

核心工具為Y215-114封隔器主要由上接頭、坐封套、丟手機構、鎖環、錨定、密封膠筒、下接頭組成。封隔器設計了防上頂卡瓦，可減少管柱蠕動引起封隔器及插管密封失效的隱患，膠筒位置位于卡瓦下端，管柱密封性好。坐封時，通過提放管柱，膠筒受管柱重力擠壓坐封，鎖環卡在鎖環套上，使膠筒始終保持壓縮坐封狀態，實現油套環空密封；繼續下放，卡瓦沿燕尾槽伸出，卡在套管內壁，實現錨定；工具坐封后，丟手機構與本體脫開，實現丟手。解封時，下入油管絲扣抓撈獲后，上提管柱，帶動坐封套上行，膠筒在自身彈性恢復力作用下復原，卡瓦牙回收，工具解封。

2.3 雙通道注采器

雙通道注采器主要由上接頭、橋式內管、外管、底堵、下接頭組成。設計了橋式注采雙通道結構，與插入密封段配合，通過側孔實現注入；采出液通過下端進入橋式通道，完成正常采出；注入孔設計在注采器下端，增加有效密封長度，保證密封可靠。

3 現場應用

目前，雙螺桿泵同井注采工藝技術已在大慶、大港、冀東、吉林等油田應用了20口井，其中采上注下8口井，采下注上12口井，分層管柱工藝成功率100%，工作有效期2年以上，單井平均日產液下降70.9%，含水下降了4%。2019年，在大慶油田進行了同井注采工藝現場井組試驗，對井組內注采“死角”區域剩余油進行挖潛，取得了較好效果。同井注采現場試驗井生產數據見表1，試驗井組因高含水關井2年，3口井實施同井注采技術后，日產液分別由84、71、71m3下降至8.4、9.7、7.4m3，綜合含水率分別下降了3.8%、3.1%、6.8%，截至目前已累計運行633天，階段增油728t。

表1 同井注采現場試驗井生產數據

4 結論

1）針對同井注采過程中分層管柱穩定性差，封隔器失效的問題，設計了采上注下、采下注上兩種工藝管柱，耐溫120℃、耐壓35MPa，實現2-3層段雙螺桿泵同井注采工藝要求。

2）采上注下分層管柱采用Y443可鉆封隔器和插入密封結構，管柱簡單、密封可靠、使用壽命長。

3）采下注上分層管柱采用整體丟手式結構，管柱穩定性高，上、下卡瓦雙向錨定，平衡注入層活塞力，配套徑向穩定器，解決管柱徑向擺動問題。

4）同井注采工藝現場應用20井次，分層管柱工藝成功率100%，管柱工作有效期2年以上，單井平均日產液下降了70.9%，含水下降了4%。