超深井同井采注安全控制工具設計及應用

摘要：同心雙管同井采注工藝可實現一井多用、節約鉆井成本、提高單井利用效率，但在超深井中使用深井安全閥存在打不開等安全風險問題。對該工藝安全控制工具進行了改進和完善，設計了環空安全閥、小尺寸安全閥等快速關斷裝置來實現井控安全。該安全控制工藝在南海海上油田超深井同井采注作業中成功應用，在注水和采油2路通道中取得了良好的隔離效果和安全管控，滿足海上油田油水井生產安全環保要求。研究結果對國內同井采注工藝技術在超深井中的發展應用具有重要的參考和借鑒意義。

關鍵詞：超深井；同井采注；安全閥

中圖分類號：TE952文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.008

Design and Application of Safety Control Tools for Integral

Production-injection Well in Ultra Deep Wells

XIE Xinhua， XIAN Jiahao， LIANG Yubin， LI Zhida， FENG Diange， LI Xiaojun

（CNOOC EnerTech Drilling amp; Production Co.，Zhanjiang 524057，China）

Abstract：Concentric dual-tube production and injection technology in the same well can realize multiple purposes of one well， save drilling cost and improve single well utilization efficiency， but there are safety risks such as the safety valve of deep well can’t be opened in ultra-deep wells. The safety control tools of the process are improved and perfected， and the quick shut-off devices such as the annular safety valve and the small-sized safety valve are designed to realize the well control safety. The safety control process has been successfully applied in the same well production and injection operation of ultra-deep wells in offshore oil field of South China Sea， and has achieved good isolation effect and safety control in the two channels of water injection and oil production， meeting the production safety and environmental protection requirements of oil and water wells in offshore oil fields. The research results have important reference and reference significance for the development and application of the same well production and injection technology in ultra-deep wells in China.

Key words：ultra-deep well; integral production-injection well; safety valve

在海上油田開采過程中，采油平臺井槽數量有限，而且單井鉆井成本高，是制約海上油田大規模開發的1個因素。為提高單井的利用效率，節約井槽及鉆井成本，開發引進了同井采注工藝技術，可實現一井多用的目的［1-4］。該工藝管柱結構為內外雙管結構，為了安全生產，滿足油田井控要求，要在注水和采油通道增加相應的井下安全閥（如圖1所示）。通常在Y-Tool電泵支管及下部中心管上分別下入深井安全閥，目前深井安全閥使用深度不超過2 000 m［5-6］。由于超深井使用的安全閥閥板承受壓差更高，一旦控制管線內的工作壓力不能超過井筒內流體作用在閥板上的壓力值時，閥板就會出現打不開甚至有被鎖定的情況［7］。由于油套管環空無法直接使用一般的井下安全閥和液控滑套，井下沒有可靠有效的雙管環空安全控制工具，在工藝管柱工作過程中存在巨大的安全隱患，直接影響了該工藝技術在超深井中的實施與推廣。

井下安全控制裝置，以井下安全閥為主，主要作用是在油氣井開采作業時，在設備出現故障、井口裝置失控以及海上平臺需要采取避臺風措施等非正常生產情況時，能遠程通過泄壓等方式緊急實現井中流體的隔離控制，此時需要及時關閉流體通道，避免發生更大的事故，保證油氣井生產安全。海洋石油作業安全管理法規第三十五條明確規定：在油氣井安全控制技術的應用過程中，海上采油（氣）井投產前，應裝備完整的采油（氣）樹、井口及井下安全閥和監測、控制系統，并應進行耐壓和關閉試驗，確保安全可靠［8］。因此井下安全控制裝置在海上油田環保和安全生產方面具有非常重要的作用［9-11］。國外經過80 余a的研究與持續改進，井下安全閥已實現標準化和系列化［12-13］。國內也對井下安全閥做了研究，雖然目前產品實現了常規油氣井中流體的控制，但其在高溫、高壓和超深井等油氣井中應用的技術難題仍未得到有效解決［14-15］。

目前國內開展了同井采注雙管安全控制技術方面的研究［16-18］，但未見現場應用報告案例，因此需要對該工藝安全控制工具進行改進和完善，發展性能可靠、結構簡單的井下安全閥系統， 以滿足超深井及特殊作業井安全需求。

1環空安全控制裝置——環空液壓雙通道控制閥同心雙管同井采注管柱具有管柱結構簡單、風險低的優點，但目前同心雙管同井采注技術因沒有環空安全控制技術及配套工具，無法滿足海上超深井完井作業要求。 因此，需要一種具有雙通道的環空安全控制裝置來滿足深井及特殊作業安全需求，該工具要與生產油管之間形成環空出油通道，生產油管為注水通道，可通過地面控制液控管線加壓打開控制閥，實現環空采油；當需要關閉采油通道時，液控管線泄壓，控制閥自動關閉，并實現正反向高壓密封。

1.1工具結構

根據海上油田超深井安全生產要求，設計出適用于同心雙管同井采注管柱封隔環空通道的環空液壓雙通道控制閥，通過增加彈性套設計，解決了由于長時間生產中出液孔雜質堆積、無法正常關閉問題，工具結構如圖2所示。

工具本體外設2道管線通道，一道可放置電泵的扁電纜；另一道可放置化學藥劑注入閥、放氣閥等液控管線，并通過綁帶固定在本體上，避免管柱起下過程中受損，如圖3所示。

1.2工作原理

環空液壓雙通道控制閥是一種地面控制、井下安裝的裝置，通過油管下入和回收，由連接到地面控制系統的液壓管線進行操作。其工作原理是將此控制閥下入到設計深度后，密封插桿隨油管下入到此環空安全控制裝置中的密封筒位置，通過密封插桿上設有的密封件密封。此時形成2個過液通道，密封插桿內通道和密封插桿及環空液壓雙通道控制閥的環空通道，實現注水工藝與采油工藝兩用。油氣井正常生產時，地面控制系統通過泵給控制閥提供液壓油并使其自動保持在設定的打開壓力下，液壓力推動活塞移動，同時壓縮彈簧，活塞繼續下移，帶動關門套移動到彈性套上端，與彈性套接觸，關門套與內襯套上的出液孔上下連通，內襯套與 98.5 mm（3.88英寸）插入密封的環空通道導通，實現油井正常生產，如圖4所示。當需要關閉密封插桿與控制閥的環空通道時，地面控制系統可泄掉控制管線內的壓力。泄壓之后主軸和關門套在彈簧的作用下上移恢復到起始位置，關門套與內襯套上的出液孔上下密封，封隔采油通道。

1.3主要性能及技術參數

1）采用滑套式結構設計，與生產油管環空形成過流通道，實現同心雙管管柱之間環空的液氣隔斷控制。

2）大通徑液控滑套，能夠實現大尺寸中心管（2 英寸NU油管）下入。

3）操作簡單、可靠，方法與常規井下安全閥一樣，無需配備特殊設備，易于推廣。

環空液壓雙通道控制閥主要技術參數如表1。

1.4性能試驗

1）液壓腔密封與關閉、開啟試驗。

液壓腔密封試驗：穩定液壓控制壓力10 min，壓力從35 MPa降至34.9 MPa，穩定后測得的壓力下降小于5%的施加壓力，試壓合格。

關閉、開啟性能測試：在推薦保持的開啟壓力20 MPa下重復進行5次全開、全關控制閥閥門，其完全開啟壓力的誤差均未超過平均值的±5%，符合 API 14A 標準要求，環空液壓雙通道控制閥開關試驗數據如表2。

2）帶循環壓力關閉試驗。

控制閥循環壓力增加至20 MPa，關閉并打開控制閥5次合格。

3）密封試驗。

關閉控制閥，干燥整體表面，調整并穩定整個試壓部分至50 MPa，穩壓15 min，整個液壓控制管線部分及控制閥外表面無泄漏。

4）插入密封筒后密封性能測試。

插入98.5 mm（3.88英寸）密封筒，關閉控制閥，連接下端加壓。液體介質狀態下加壓50 MPa，穩壓10 min試壓合格；氣體介質狀態下加壓1.4 MPa，穩壓10 min試壓合格。

2中心管控制裝置——小尺寸安全閥

同心雙管同井采注管柱中心管柱由于有大排量注入要求的注入通道，需要采用閥板式的井下安全閥來實現安全控制，閥板設計結構克服了球閥在更換密封部件時必須將球體與配合的球座同時更換的缺點［19］，其密封由閥板環形面與閥板座環形面之間的裝配關系來實現［20］，在井口出現重大故障時能自動關井，防止井噴事故的發生。

2.1工具結構

根據海上油田同心雙管同井抽注管柱結構特征，設計出了滿足大排量注入要求的小尺寸安全閥，工具結構如圖5所示。該工具隨Y 接頭上部同心內管柱下入井內，在生產注入過程中，不僅滿足控制 Y 接頭上部同心內管大排量注入要求，同時也滿足Y 接頭上部同心內、外管環空的采油過流要求。

2.2工作原理

當油氣井需要開啟進行生產時，地面液壓控制系統通過液壓控制管線向井下安全閥注入液壓油，液壓油產生的液壓力通過推動安全閥內的柱塞與中心管向下移動，同時柱塞壓縮圓柱形彈簧，中心管逐漸推開閥板，直到完全打開。為保持井下安全閥處于常開狀態，地面液壓控制系統控制管線內的壓力需保持在額定的工作壓力之上，圖5所示為油氣井正常生產時井下安全閥工作狀態。當出現緊急情況需要切斷生產通道時，通過地面控制系統泄掉液壓控制管線內的液壓油壓力，中心管和柱塞在圓柱形彈簧回復力的作用下回到原位，閥板在扭簧的作用下關閉封隔住油管的液體通道，此時井下安全閥處于關閉狀態［20］，如圖6所示。

2.3主要技術參數

小尺寸安全閥主要技術參數如表3所示。

2.4性能試驗

1）整體密封試驗。

關閉安全閥，保持整體外表面干燥，調整并穩定整個試壓部分至35 MPa，保壓15 min，整個液壓控制管線部分及安全閥外表面無泄漏。

2）閥板開關試驗。

重復進行5次全開、全關安全閥閥門，其完全開啟壓力的誤差均未超過平均值的±5%，符合 API 14A 標準要求，小尺寸安全閥閥板開關試驗數據如表4。

3）流體漏失試驗。

打開安全閥，液體介質狀態下加壓35 MPa后關閉安全閥，穩壓10 min，測得泄漏率為0.5 cm3/min，滿足不大于10 cm3/min 的API 14A標準泄漏量要求。

3現場應用

海上某油田A5井為一口采油井，井深3 983 m，單采W2Ⅰ油組，由于 W3Ⅰ油組能量不足，W3Ⅳ油組水驅不均，需要該井對W2Ⅰ油組采油的同時對W3Ⅰ、W3Ⅳ油組注水。考慮到平臺井槽有限，且再部署注水井成本較高，因此對該井進行更換同井采注管柱作業。由于設計泵掛深度為2 650 m，因此深井安全閥不適用，采用環空液壓雙通道控制閥控制Y 接頭上部同心內管及下部電泵環空組成的采油通道，小尺寸安全閥則控制 Y 接頭上部同心內、外管環空與其下部的管柱組成的注入通道。現場作業如圖7所示。

生產通道組成：通過產液油套環空、電潛泵、114.3 mm（4 英寸）油管與73 mm（2 英寸）油管環空、環空液壓雙通道控制閥、139.7 mm （5 英寸）套管與73 mm（2英寸）油管環空舉升至地面。

注水通道組成：通過73 mm（2英寸）油管、小尺寸安全閥、Y管旁通管、測調工作筒注水至層位，由分層封隔器與測調工作筒實現分層。

安全控制工具在入井前地面試壓開關工作正常，下入過程中液壓控制管線壓力保持穩定，工具性能滿足注水和采油通道的安全控制技術要求。經過近2個月的生產跟蹤監測，采油量60 m3/d，注水量300 m3/d，同井采注雙管工作正常，實現了超深井同井采注安全控制作業要求，充分體現了該配套安全控制工具的有效性、可靠性與實用性。

4結論

1）同心雙管同井采注工藝在超深井中使用時深井安全閥存在打不開等不確定性安全風險。通過工藝改進和完善，研制出了環空液壓雙通道控制閥、小尺寸安全閥等快速關斷工具，實現超深井及特殊井作業安全控制目的。

2）該安全控制技術具有1個環空采油通道和1個同心大通徑（2英寸NU油管通徑）注水通道，滿足超深井同井采油及大排量分層注水需求。

3）該安全控制工具通過地面功能試驗，符合 API 標準要求，滿足超深井現場作業施工技術要求。

4）通過在超深井中的成功應用，驗證了該配套安全控制工具的有效性、可靠性與實用性，為同井采注工藝技術在超深井的推廣應用提供了技術支撐。

參考文獻：

［1］喬金中，李志廣，趙云生，等.注下采上工藝技術［J］.石油礦場機械，2008，37（7）：82-84.

［2］程心平，劉敏，羅昌華，等.海上油田同井注采技術開發與應用［J］.石油礦場機械，2010， 39（10）：82-87.

［3］李貴川，楊進，嚴德，等.海上油田同井注采一體化技術研究與應用［J］.斷塊油氣田，2012， 19（3）：386-388.

［4］程時清，段煉，于海洋，等.水平井同井注采技術［J］.大慶石油地質與開發，2019，38（4）： 51-60.

［5］石瓊.灘海油田深井安全閥的研制［J］.內江科技，2014，35（12）：25.

［6］蔣召平，王通，李海濤，等.海上耐高溫深水式井下安全閥的設計與試驗［J］.石油機械， 2019，47（8）： 74-78.

［7］牛貴鋒，楊萬有.高溫高壓井下安全閥閥板優化研究［J］.石油礦場機械，2017，46（2）： 11-16.

［8］寧世品，唐亮，羅煜恒，等.井下安全閥技術的發展與現狀［J］.新疆石油天然氣，2009， 5（3）： 83-86.

［9］王增林，孫寶全，董社霞，等.埕島油田油水井安全控制系統［J］.石油機械，2001，39（6）：35-37.

［10］曹德國，聶炳林，張劍波，等.油井安全控制技術在埕島淺海油田的應用［J］.中國海洋平臺，2002 （4）：29-32.

［11］聶飛朋，孫寶全，李治軍，等.大港油田灘海地區電泵井井下安全控制系統研制［J］.石油礦場機械，2011， 40（1）：80-83.

［12］張夢婷，張勇.國外井下安全閥技術現狀［J］. 石油機械，2008，36（7）：81-84.

［13］劉威，楊松，買煜，等.井下安全閥國內外研究現狀與國產化思考［J］.西南石油大學學報（自然科學版），2018，40（3）：164-174.

［14］周大偉，鐘功祥，梁政.國內外井下安全閥的技術現狀及發展趨勢［J］.石油礦場機械， 2007，36（3）：14-16.

［15］孔學云，李寶龍，齊海濤，等.88.9 mm油管攜帶式井下安全閥研制［J］.石油礦場機械， 2016，45（9）：49-52.

［16］陳偉，馮小紅，張雪梅，等.雙管分注井井下安全控制技術研究［J］.石油機械，2010， 38（8）：48-49.

［17］趙仲浩，張成富，羅昌華，等.海上油田同井注采雙管環空安全控制技術研究［J］.石油機械，2016，44 （10）：72-74.

［18］黎偉，宋偉，李乃禾，等.滑套式井下安全閥設計及動態特性分析［J］.中國安全生產科學技術，2017，13（2）：159-163.

［19］蔡濤，魏忠華，蔡秀玲.井下安全閥的技術分析［J］.石油礦場機械，2003，32（6）：93-94.

［20］陳仁全.井下安全閥關鍵零部件的數值研究［D］.青島：中國石油大學（華東），2015.