井下清潔施工系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

摘要：針對(duì)臨盤(pán)油田液壓封隔器坐封過(guò)程中容易出現(xiàn)液壓通道堵塞的問(wèn)題，研發(fā)了清潔施工系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括液壓封隔器沉淀過(guò)濾裝置和防堵型油套平衡閥兩部分，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠耐用、適用性強(qiáng)、可重復(fù)使用、極易推廣等特點(diǎn)。自2012年在臨盤(pán)油田投入實(shí)際使用至今，平均每年應(yīng)用80口井左右，均無(wú)液壓通道堵塞問(wèn)題。該系統(tǒng)已成為臨盤(pán)油田 Y445型液壓封隔器封層施工必備輔助工具，并形成規(guī)范化的施工流程，帶來(lái)了豐富的成果應(yīng)用效益，可以在全國(guó)各油田液壓封隔器施工中推廣使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機(jī)械卡堵水;液壓封隔器;清潔施工;沉淀過(guò)濾裝置;油套平衡閥

中圖分類(lèi)號(hào)：TE934" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.04.009

Research and Application of Cleaning Construction Systems for Oil Wells

WANG Zhaoshan， ZOU Yuanbei， TANG Jun，SONG Xiumei， LI Peng，BI Hongjun

（Technology Research Institute of Linpan Oil Production Plant，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Linyi 251507，China）

Abstract： As a response to the common problem of hydraulic channel clogging during the seating process of hydraulic isolation devices in the Linpan oilfield production operation，a clean construction system has been developed and designed. This system consists of two integral components： a sediment filtration device for hydraulic isolation devices and an anti-blocking oil sleeve balancing valve. Notable features include its simple structural design，cost-effectiveness，robustness，adaptability，reusability，and easy scalability. The system has been put into practical use in the Linpan oilfield in 2012，with an approximate annual application rate of 80 wells，and has not encountered any cases of hydraulic channel blockage. The system has become an indispensable tool for the construction of the sealing layer associated with the “Y445-type hydraulic isolation device” in the Linpan oilfield，thereby establishing a standardized construction protocol. Its implementation has yielded significant application benefits and holds great promise for widespread adoption and use in the construction of hydraulic isolation devices in various oilfields nationwide，underscoring its great potential for widespread application.

Key words： mechanical water blocking;hydraulic isolation device;clean construction;sediment filtration device;oil sleeve balance valve

油井的機(jī)械卡堵水一直是油田控水穩(wěn)油的重要措施，尤其是液壓封隔器，作為卡封補(bǔ)孔上返的主要工具，已經(jīng)成為機(jī)械卡堵水措施的重要手段。該項(xiàng)措施是利用施工管柱內(nèi)的液體傳遞地面壓力將封隔器膠筒脹封，與套管壁形成過(guò)盈密封，從而實(shí)現(xiàn)封隔原層、開(kāi)采新層的目的[1-6]。

而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，打壓時(shí)往往由于井筒內(nèi)的泥砂、鐵銹、垢片等臟物，尤其是重質(zhì)雜物沉淀至管柱底部，堵塞了液壓通道，導(dǎo)致施工管柱內(nèi)的液體壓力無(wú)法有效傳遞至封隔器，從而影響到卡封施工的順利進(jìn)行;另外，由于多種因素影響，經(jīng)常會(huì)造成現(xiàn)有施工用油套平衡閥堵塞，大量雜物堆積在閥座以上，造成施工時(shí)投下的用于封堵油套通道的鋼球無(wú)法落在閥座上，在雜物多的時(shí)候甚至造成打壓通道被堵塞，嚴(yán)重危及施工安全、影響采油工藝措施施工效果[7-10]。

針對(duì)液壓通道堵塞問(wèn)題，現(xiàn)有的常用解決方法是反洗井[11-12]。但是，反洗井需要耗費(fèi)較多的時(shí)間和成本，且只能清洗出部分臟污，無(wú)法徹底解決液壓通道堵塞問(wèn)題，另外一些地層漏失嚴(yán)重的井無(wú)法通過(guò)反洗井緩解堵塞。針對(duì)油套平衡閥堵塞問(wèn)題，現(xiàn)有的油套平衡閥主要包括彈簧球閥和投球式球閥兩種，實(shí)際施工時(shí)根據(jù)需要選擇某一種球閥使用。其中，彈簧球閥適合大斜度井，應(yīng)用場(chǎng)景更廣，但是彈簧球閥中途坐封，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用過(guò)程中容易堵塞，不利于重復(fù)使用。投球式球閥因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、避免中途坐封等特點(diǎn)，便于重復(fù)使用，但是在使用過(guò)程中雜物容易沉積在球座上，球閥不能順利到位關(guān)閉油套通道，影響液體壓力向下傳遞[13-14]。

因此，有必要研制可靠實(shí)用的井液過(guò)濾裝置和油套平衡閥裝置，來(lái)提高液壓封隔器卡封施工效率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。臨盤(pán)油田針對(duì)上述問(wèn)題，研制應(yīng)用了清潔施工系統(tǒng)，包括井下沉淀過(guò)濾裝置和防堵型油套平衡閥，保證了施工安全和質(zhì)量，提高了施工效率，在全國(guó)各油田具有較高的推廣使用價(jià)值。

1 液壓封隔器施工概況與技術(shù)難點(diǎn)

在油井的機(jī)械卡堵水現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，當(dāng)施工液體里的雜物堵塞液壓通道時(shí)，會(huì)造成施工壓力超高卻傳遞不到液壓封隔器的作用活塞上，從而無(wú)法坐封泄壓丟封，泄壓后不能順利脫開(kāi)，坐封不可靠等故障。臨盤(pán)油田根據(jù)已有技術(shù)設(shè)備和手段調(diào)整實(shí)施方案，在多口油井施工過(guò)程中均遇到較為嚴(yán)重的液壓通道堵塞問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)液壓通道堵塞是液壓封隔器施工異常的主要原因，此問(wèn)題嚴(yán)重制約油井工藝措施的安全有效實(shí)施。

1.1 井例A采用水平井壓裂橋塞

采用FXY445-112型水平井壓裂橋塞，將橋塞下至設(shè)計(jì)深度2 910 m，從油管打壓施工過(guò)程中，由于打壓通道被雜質(zhì)堵塞，壓力傳遞不到封隔器液壓缸作用腔，使得注水打壓后壓力無(wú)法穩(wěn)定，且反洗井和增大壓力后仍無(wú)法解決問(wèn)題。具體操作為：先注水2 m3起壓力，但穩(wěn)不住壓力，最高打壓至15 MPa，停泵后壓力迅速下降，后套管反洗10 m3水，油管出水返流程，1 h后連續(xù)正打壓5、10 、15 、20 MPa，最高打壓至23 MPa，仍然沒(méi)有泄壓，上提管柱360 kN，繼續(xù)打壓至25 MPa仍然沒(méi)有泄壓，上下活動(dòng)數(shù)次，再次打壓至25 MPa仍然沒(méi)有泄壓。繼續(xù)上提400 kN數(shù)次無(wú)效，加一根油管下探加壓，再次上提440 kN無(wú)效，停止施工。第二天換用800 kN的井架。第三天使用700型泵車(chē)大排量反洗井，反洗井泵壓5 MPa，5 min后從油管正打壓至20 MPa泄壓，直接脫開(kāi)，上提靜止載荷230 kN，起油管50根，油管內(nèi)均見(jiàn)液面。起出油管后在橋塞接頭內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量大塊臟污如圖1所示。

1.2 井例B采用可取式橋塞

采用QSA-80-35型可取式橋塞，將橋塞下至設(shè)計(jì)深度2 881 m。從油管打壓施工過(guò)程中，注水后分段打壓逐漸提升壓力至25 MPa，均無(wú)泄壓。且反洗井1 m3水后，再次注水打壓至23 MPa，依然沒(méi)有泄壓。最終起出油管，發(fā)現(xiàn)液壓封隔器處出現(xiàn)堵塞，如圖2所示。 上述井例丟封施工累計(jì)3 d左右，由于液壓通道堵塞問(wèn)題，不但消耗了大量時(shí)間、人力和物力，而且施工過(guò)程存在安全風(fēng)險(xiǎn)、對(duì)套管和封隔器也造成了損傷。

1.3 統(tǒng)計(jì)概況與初步方案

臨盤(pán)油田對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的液壓通道堵塞問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，歷時(shí)2年，如表1所示，共有12口井出現(xiàn)較為嚴(yán)重的液壓通道堵塞問(wèn)題。

進(jìn)一步分析每一口井的施工情況發(fā)現(xiàn)，在施工管柱下井后、施工前的這段時(shí)間內(nèi)，井內(nèi)雜物隨著時(shí)間的推移慢慢沉淀，積存在位于施工管柱底部的封隔器上部的丟封液壓活塞上的進(jìn)液通道內(nèi)，造成活塞通道堵塞，管柱上部的壓力傳遞不到液壓活塞內(nèi)或壓力被減弱，從而造成無(wú)法丟封、丟封不可靠等問(wèn)題。活塞處的雜物沉淀量與多種因素有關(guān)，包括井液和入井液、施工油管、井深、施工時(shí)間長(zhǎng)短以及管柱配置。面對(duì)復(fù)雜多變的施工現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)已有技術(shù)難以找到有效解決液壓通道堵塞的統(tǒng)一解決方案。

為此，面向統(tǒng)一、有效解決液壓通道堵塞問(wèn)題這一應(yīng)用場(chǎng)景，臨盤(pán)油田研制了初代液壓封隔器過(guò)濾裝置。在已有液壓封隔器的基礎(chǔ)上加裝可以重復(fù)使用的割縫管或者過(guò)濾網(wǎng)，如圖3所示。然而，在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，堵塞液壓通道的雜物成分較為復(fù)雜，會(huì)造成過(guò)濾網(wǎng)或割縫管堵塞。并且，垂直內(nèi)管中加裝的過(guò)濾網(wǎng)或割縫管無(wú)法過(guò)濾大斜度井中的臟污雜質(zhì)。因此，單純依靠加裝過(guò)濾裝置，無(wú)法解決雜物堵塞液壓通道的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一款可以普適性應(yīng)用于各類(lèi)油井的清潔施工系統(tǒng)。

2 液壓封隔器沉淀過(guò)濾裝置

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一款可以應(yīng)用于各類(lèi)油井的清潔施工系統(tǒng)，該清潔施工系統(tǒng)由井下沉淀過(guò)濾裝置和防堵型油套平衡閥兩部分組成。其中，沉淀過(guò)濾裝置是利用液體里雜物沉淀過(guò)濾原理，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的液壓通道堵塞物的統(tǒng)計(jì)概況，研究設(shè)計(jì)出的一種過(guò)濾裝置。該過(guò)濾裝置可以處理各類(lèi)油井的各類(lèi)堵塞液壓通道的雜物成分。

2.1 基本原理

在實(shí)際施工過(guò)程中，向液壓封隔器打壓前，封隔器內(nèi)沒(méi)有液體過(guò)流，此時(shí)堵塞雜物是上部液體中懸浮的異物沉淀累積帶來(lái)的。為此，設(shè)計(jì)倒U型內(nèi)管結(jié)構(gòu)，在保證打壓通道暢通的同時(shí)，無(wú)過(guò)濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)凈污分流，解決了過(guò)濾網(wǎng)堵塞的問(wèn)題。

如圖4a所示，在施工用封隔器上部管柱內(nèi)，通過(guò)堵頭和與堵頭相連的內(nèi)管與外部油管人為制造一個(gè)用于沉淀儲(chǔ)存雜物的U型空腔，并將內(nèi)管的上部設(shè)計(jì)成開(kāi)口向下的U型。液體可以在壓力作用下從開(kāi)口向下的U型入口流入內(nèi)管，但是大塊臟污雜質(zhì)被U型管上部阻攔，在重力作用下落入內(nèi)管與外部油管之間的U型空腔中，無(wú)法通過(guò)內(nèi)管開(kāi)口進(jìn)入內(nèi)管，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液體與大塊臟污雜質(zhì)的空間分離。

如圖4b所示，在內(nèi)管U型向下的開(kāi)口上再加裝上過(guò)濾網(wǎng)或割縫管，利用過(guò)濾網(wǎng)或割縫管過(guò)濾液體中攜帶的細(xì)小雜質(zhì)，使得進(jìn)入內(nèi)管的液體最終達(dá)到施工純凈度要求。并且，大塊臟污雜質(zhì)已經(jīng)通過(guò)U型內(nèi)管分離、落入U(xiǎn)型空腔之中，液體中攜帶的細(xì)小雜質(zhì)不會(huì)造成過(guò)濾網(wǎng)或割縫管堵塞，有效保證了施工效率與成功率。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

上述U型內(nèi)管設(shè)計(jì)在實(shí)際構(gòu)造中有兩種實(shí)現(xiàn)方案，分別為并排管方案和套管方案，如圖5所示。并排管方案將原有單一垂直內(nèi)管的頭部向下彎折，形成U型向下入口。套管方案則是在原有單一垂直內(nèi)管的頭部套裝一個(gè)大尺寸、向下開(kāi)口的管道，通過(guò)兩個(gè)管道套裝的方式形成U型向下入口。

兩種實(shí)施方案的俯視截面示意圖如圖6所示，通過(guò)俯視截面示意圖計(jì)算內(nèi)管面積、空腔面積和空腔最大直徑，可以確定最終設(shè)計(jì)方案與參數(shù)。

假設(shè)施工油管尺寸一定，半徑為R，對(duì)于并排管方案，原有單一垂直內(nèi)管的半徑為r，彎折后U型入口部分等效為兩個(gè)并排放置的內(nèi)管，如圖6a所示。用無(wú)色圓形表示油管橫截面，用兩個(gè)深色圓形表示U型入口部分的內(nèi)管橫截面。由于并排管方案中，空腔尺寸最大為R，可以通過(guò)此處收集大塊臟污雜質(zhì)，所以當(dāng)兩個(gè)內(nèi)管半徑之和等于油管半徑時(shí)，可以獲得最大的內(nèi)管面積。此時(shí)，內(nèi)管半徑r、內(nèi)管面積Sn和空腔面積Sk分別為：

" " " " "r = R （1）

Sn = πr2 = πR2（2）

Sk = πR2 - 2πr2 = πR2（3）

對(duì)于套管方案，如圖6b所示，無(wú)色圓形表示油管橫截面，深色圓形表示原有單一垂直內(nèi)管的橫截面，淺色圓形表示原有內(nèi)管外側(cè)套裝的向下開(kāi)口管道，液體經(jīng)淺色區(qū)域流入深色內(nèi)管中，大塊臟污雜質(zhì)落入無(wú)色區(qū)域中。為便于對(duì)比，深色區(qū)域內(nèi)管的半徑也為r，從而獲得與并排管方案相同的內(nèi)管面積。淺色區(qū)域的套管半徑為q，淺色區(qū)域面積也應(yīng)與內(nèi)管面積一致，計(jì)算可得：

πq2 - πr2 = πr2

q = ·r = ·R（4）

此時(shí)空腔面積Sk 和空腔尺寸Dk分別為

Sk = πR2 - πq2 = πR2（5）

Dk = R - q ≈ 0.3R（6）

由式（5）～（6）可知，空腔面積與并排管方案一致。但是空腔尺寸僅為0.3R，小于并排管方案的空腔尺寸。因此，在內(nèi)管面積與空腔面積相同的情況下，并排管方案具有更大的空腔尺寸、更簡(jiǎn)單的加工工藝、更低的制造成本，被確定為最終設(shè)計(jì)方案。并排管方案的內(nèi)管設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)臨盤(pán)油田采油管道的實(shí)際尺寸R與上述公式（1）～（3）計(jì)算得到。

3 防堵型油套平衡閥

液壓封隔器沉淀過(guò)濾裝置可以較好地解決封下采上工藝措施中液壓封隔器處堵塞的問(wèn)題，但在實(shí)際施工過(guò)程中，由于多種因素影響經(jīng)常會(huì)造成配合液壓封隔器使用的油套平衡閥堵塞。該油套平衡閥位于液壓封隔器上部，無(wú)法通過(guò)上述沉淀過(guò)濾裝置進(jìn)行凈污分離。如果大量雜物堆積在閥座以上，會(huì)造成施工時(shí)投下的、用于封堵油套通道的鋼球無(wú)法落在閥座上，在雜物較多時(shí)會(huì)堵塞打壓通道。因此，為提高施工效率、施工安全和施工質(zhì)量，臨盤(pán)油田對(duì)現(xiàn)有油套平衡閥進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，研究設(shè)計(jì)出一款防堵型油套平衡閥。

如圖7a所示，相比于常規(guī)油套平衡閥上下統(tǒng)一的入口設(shè)計(jì)，防堵型油套平衡閥采用喇叭口設(shè)計(jì)，增大側(cè)向通道面積，利于油管內(nèi)的沉淀雜物從側(cè)向槽通道進(jìn)入油套環(huán)空。沒(méi)有進(jìn)入油套環(huán)空的剩余沉淀雜物會(huì)繼續(xù)堆積在閥座上，從而造成堵塞，為解決此問(wèn)題，防堵型油套平衡閥采用月牙形軸向大通道設(shè)計(jì)，如圖7b所示，使得沒(méi)有進(jìn)入油套環(huán)空的剩余沉淀雜物繼續(xù)下沉，有效解決了雜物在閥座上堆積帶來(lái)的堵塞問(wèn)題。進(jìn)一步面向大斜度井的應(yīng)用場(chǎng)景，防堵型油套平衡閥采用大斜度閥座和導(dǎo)向罩結(jié)構(gòu)，如圖7c所示，引導(dǎo)鋼球的運(yùn)行軌跡，從而保證鋼球在超大斜度井也可以可靠到位。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將上述防堵型油套平衡閥與液壓封隔器沉淀過(guò)濾裝置（后文簡(jiǎn)稱(chēng)“沉污管”）配合使用，如圖8a 所示。在實(shí)際施工時(shí)，為防止封隔器下井過(guò)程中膠筒損傷，在沉污管和封隔器之間加入彈性扶正器，如圖8b 所示。

4.1 施工過(guò)程

井下清潔施工系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工步驟如下：

1） 檢查沉污管內(nèi)孔是否暢通。

2） 檢查防堵型油套平衡閥螺紋是否完好、本體是否有裂紋、閥座及其它部位是否泄漏。

3） 檢查彈性扶正器螺紋是否完好、本體是否有裂紋。

4） 參照示意圖8b ，按照自下而上的順序安裝部件：①封隔器，封隔器自身需要投球，必須在安裝時(shí)攜帶其自身的鋼球下井，封隔器本身無(wú)球的嚴(yán)禁投球;② 彈性扶正器，連接時(shí)管鉗只能咬合端部且扭矩不能過(guò)大，以免造成損壞;③油管短節(jié)（1～2 m），油管短節(jié)下端安裝沉污管下堵頭處內(nèi)壁必須光滑無(wú)磨損無(wú)溝槽;④沉污管，其堵頭帶兩道O形橡膠密封圈，安裝時(shí)密封圈的“堵頭”在下、“回形彎頭”在上，從油管短節(jié)尾部插入油管短節(jié)內(nèi);⑤一根以上油管，根據(jù)井深和雜物多少調(diào)整;⑥防堵型油套平衡閥（球閥座朝上），防堵型油套平衡閥上帶的球不能一起帶下，需要在施工前投下。

5） 根據(jù)實(shí)際井深和井況預(yù)估是否需要沉污管加長(zhǎng)管，以及沉污管加長(zhǎng)管的長(zhǎng)度。

6） 防堵型油套平衡閥、沉污管、彈性扶正器為重復(fù)使用輔助施工工具，施工完成后，清潔防堵型油套平衡閥、沉污管、彈性扶正器和鋼球并送至工藝所注采室。

4.2 應(yīng)用效果

沉污管自2012-09-12開(kāi)始在施工現(xiàn)場(chǎng)投入使用至今，防堵型油套平衡閥自2018-04-10加工完成投入使用至今。平均每年累計(jì)應(yīng)用80口井左右，均無(wú)液壓通道堵塞問(wèn)題。圖9展示了應(yīng)用清潔施工系統(tǒng)前后的封隔器臟污殘留照片，應(yīng)用清潔施工系統(tǒng)輔助施工后的封隔器無(wú)任何臟污殘留，施工過(guò)程中無(wú)液壓通道堵塞問(wèn)題。

典型井例：2017-06-19施工，液壓封隔器打壓前位于2 770.01 m，油管投防堵型油套平衡閥鋼球，打壓5、8、12、15 MPa各穩(wěn)壓3 min，繼續(xù)打壓至20 MPa泄壓，上提脫開(kāi)。起出的封隔器上接頭內(nèi)部清潔無(wú)臟物，起出的井下沉淀過(guò)濾裝置沉積環(huán)空積滿(mǎn)了大量臟物。

該系統(tǒng)已成為臨盤(pán)油田“Y445型液壓封隔器”封層施工必備輔助工具，并形成規(guī)范化的施工流程，帶來(lái)了豐富的成果應(yīng)用效益。

1） 避免施工洗井污染油層。

2） 減少洗井費(fèi)用。

3） 縮短施工周期。

4） 減少無(wú)效排液。

5） 避免雜物堵塞施工管柱從而造成管柱起噴污染井場(chǎng)。

6） 避免了異常高壓施工造成的施工安全隱患。

7） 避免了封隔器坐封不可靠而影響措施效果及壽命。

8） 避免了封隔器不能坐封造成不必要的重復(fù)下封施工。

5 結(jié)論

1） 針對(duì)封下采上工藝措施中液壓通道堵塞問(wèn)題，研發(fā)設(shè)計(jì)了清潔施工系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括液壓封隔器沉淀過(guò)濾裝置和防堵型油套平衡閥兩部分。

2） 清潔施工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠耐用、適用性強(qiáng)、可重復(fù)使用、極易推廣，能夠很好地解決封隔器措施施工中必須徹底洗井才能安全可靠施工的技術(shù)難題，尤其適用于各種因素制約不能洗井狀況下的封隔器措施施工。

3） 實(shí)際應(yīng)用證明，可以在全國(guó)各油田的液壓封隔器施工中推廣使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期： 2024-02-28

基金項(xiàng)目： 國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“特高含水油田高效采油工程技術(shù)”（2016ZX0511-004）。

作者簡(jiǎn)介： 王照善（1969-），男， 河南鎮(zhèn)平人，工程師，現(xiàn)從事機(jī)械采油相關(guān)生產(chǎn)及研究工作，E-mail：875935241@qq.com。