李永康， 張紫檀， 張衛(wèi)衛(wèi)， 王 鵬， 劉晉偉， 郭 慧

（中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000）

勝利油田水驅(qū)動用儲量占該油田的74.9%，水驅(qū)年產(chǎn)油量占該油田的71.3%，是該油田穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。整裝油藏和斷塊油藏等中高滲油藏主要采用注水開發(fā)，分注率、層段合格率和注采對應(yīng)率的持續(xù)提高，對于油田穩(wěn)產(chǎn)、提高采收率具有重要意義[2]。由于擴(kuò)張式封隔器具有坐封、檢修和更換方便及價(jià)格低等優(yōu)勢，目前廣泛應(yīng)用于整裝、斷塊油藏等的分層注水井，占比達(dá)到55%以上[3]。擴(kuò)張式封隔器通過配水器水嘴節(jié)流產(chǎn)生的壓差使膠筒脹封至套管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)分層[4]。若分層注水管柱存在漏失，特別是擴(kuò)張式封隔器任一級損壞時(shí)，配水器無法實(shí)現(xiàn)正常節(jié)流，導(dǎo)致所有封隔器均無法坐封，使分層注水管柱失效，需起出注水管柱檢修[5]。同理，底球漏失時(shí)亦存在相同問題[6]。

目前，國內(nèi)外主要根據(jù)酸化、壓裂等增產(chǎn)措施的要求研制擴(kuò)張式封隔器并進(jìn)行應(yīng)用：中國石化石油工程技術(shù)研究院針對常規(guī)擴(kuò)張式封隔器脹封承壓后變形大、易卡管柱的問題，研制了無骨架內(nèi)襯擴(kuò)張式封隔器，該封隔器耐溫150 ℃、雙向承壓85 MPa，解封后膠筒殘余變形率小于1.5%，目前已應(yīng)用于選擇性重復(fù)壓裂[7–8]；中石化中原石油工程有限公司針對小井眼多級壓裂，研制了耐溫120 ℃、耐壓70 MPa的K344-92型壓裂封隔器[9]；四川油氣田威遠(yuǎn)區(qū)塊老井進(jìn)行高壓酸化時(shí)，應(yīng)用了耐高溫高壓的ISP封隔器和HXK-342型封隔器[10]。注水用擴(kuò)張式封隔器更注重長效性能及功能需求，如增加密閉功能以適用于出砂油藏[11–12]。注水管柱方面，主要通過配套水力錨等錨定工具防止蠕動，但這會增大檢修更換注水管柱的風(fēng)險(xiǎn)[13]。因此，筆者從分層注水對管柱的要求出發(fā)，通過研制液缸擴(kuò)張式封隔器，設(shè)計(jì)了分層注水管柱，形成了長效擴(kuò)張式分層注水技術(shù)。

1 平衡式分層注水管柱

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

平衡式分層注水管柱主要由液缸擴(kuò)張式封隔器、測調(diào)一體化配水器、防漏裝置、組合式沉砂洗井閥等組成，如圖1所示。該管柱采用平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用液缸擴(kuò)張式封隔器實(shí)現(xiàn)分層；利用測調(diào)一體化配水器實(shí)現(xiàn)高效、精確配水；組合式沉砂洗井閥具有3個(gè)作用，一是保證管柱的正向密封，二是為反洗井作業(yè)提供通道，三是下端接尾管預(yù)留沉砂（垢）口袋；防漏裝置為后期正向密封提供保障，投球后可起到普通單流閥的作用。

圖 1 平衡式分層注水管柱Fig.1 Balanced zonal water injection string

1.2 工作原理

與常規(guī)擴(kuò)張式分層注水管柱類似：注水時(shí)，液缸擴(kuò)張式封隔器利用配水器水嘴節(jié)流產(chǎn)生的壓差坐封，實(shí)現(xiàn)分層，各注水層通過相應(yīng)的配水器實(shí)現(xiàn)有效配注；停注時(shí)，油套壓差平衡，液缸擴(kuò)張式封隔器膠筒回縮，可實(shí)現(xiàn)反洗井作業(yè)等；測試調(diào)整配注量時(shí)，下入測調(diào)一體化配水器，對各注水層實(shí)施邊測邊調(diào)，實(shí)現(xiàn)合格配注。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1）管柱受力平衡。如圖1所示，注水時(shí)，各級液缸擴(kuò)張式封隔器之間受力平衡，分層注水管柱所受合力為0，可避免由于注水壓力波動引起管柱蠕動；對于常規(guī)懸掛式分層注水管柱，由于層間存在壓差，注水時(shí)普遍存在單向受力情況，且注水過程中受壓力波動的影響較大，會大大縮短其使用壽命；若用錨定工具錨定，不但會對套管造成損傷，而且會增大檢修風(fēng)險(xiǎn)。

2）分層機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立。任一級液缸擴(kuò)張式封隔器失效，均不影響剩余液缸擴(kuò)張式封隔器的分層效果，如油藏、地質(zhì)條件允許，可降低分層級數(shù)繼續(xù)分層注水（如四段分層注水降為三段分層注水），能避免常規(guī)注水管柱由此引起的檢修管柱作業(yè)，為礦場實(shí)踐提供更多選擇。

3）雙重防底球漏失。一是管柱配套組合式沉砂洗井閥，設(shè)置沉砂機(jī)構(gòu)，可保障直井、斜井，以及腐蝕、結(jié)垢嚴(yán)重井的有效正向密封，降低底球堵塞風(fēng)險(xiǎn)，延長底球使用壽命；二是管柱配套防漏裝置，一旦組合式沉砂洗井閥失效發(fā)生漏失，可從井口投球，在防漏裝置處形成新的單流閥，進(jìn)而延長注水管柱的使用壽命。

1.4 技術(shù)指標(biāo)

有效期不短于5年，分層級數(shù)不限，耐壓差25 MPa，耐溫120 ℃，適用于內(nèi)徑不小于100.0 mm的套管。

2 關(guān)鍵工具

2.1 液缸擴(kuò)張式封隔器

2.1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

針對常規(guī)擴(kuò)張式封隔器膠筒損壞引起油套竄通的問題，設(shè)計(jì)了具有液缸結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張式封隔器，通過液缸形成液壓傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對油套的有效隔離，使封隔器內(nèi)、外壓力系統(tǒng)相對獨(dú)立。

液缸擴(kuò)張式封隔器主要由坐封機(jī)構(gòu)和液缸機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。注水時(shí)，注入水通過傳壓孔后推動液缸活塞上移，擠壓內(nèi)部液壓油，膠筒在液壓油的作用下脹封，見圖3。停注時(shí)，膠筒在自身彈力作用下回縮，實(shí)現(xiàn)解封。如膠筒被損壞，則由液缸活塞將封隔器內(nèi)外的壓力分隔開，以避免封隔器失效引起的檢修更換注水管柱作業(yè)，如油藏、地質(zhì)條件允許，可繼續(xù)分層注水。

圖 2 液缸擴(kuò)張式封隔器Fig.2 Cylinder-type expansion packer

圖 3 雙液壓傳動機(jī)構(gòu)Fig.3 Double hydraulic transmission mechanism

2.1.2 液壓油用量及液缸活塞行程的計(jì)算

液缸擴(kuò)張式封隔器膠筒完全脹封至套管內(nèi)壁所需液體的體積不大于封隔器坐封時(shí)液缸活塞行程所擠壓液壓油的體積。據(jù)此，可計(jì)算出液壓油用量和液缸活塞行程[14]。

液壓油用量為：

式中：V為坐封時(shí)液缸活塞行程所擠壓的液壓油體積，m3；V′為膠筒完全脹封至套管內(nèi)壁所需液體體積，m3；α為安全系數(shù)，一般取1.3。

由式（1）可得坐封時(shí)液缸活塞的行程為：

式中：L為坐封時(shí)液缸活塞的行程，m；D1為套管外徑，m；δ為套管壁厚，m；D2為封隔器膠筒外徑，m；d1為液缸活塞外徑，m；d2為液缸活塞內(nèi)徑，m；L1為封隔器膠筒長度，m。

對于采用φ139.7 mm、壁厚9.2 mm套管固井的井眼，下入液缸擴(kuò)張式封隔器，其膠筒外徑110.0 mm、長230.0 mm，如液缸活塞內(nèi)徑為74.0 mm、外徑為98.0 mm，利用式（1）和式（2）計(jì)算出液壓油用量為1.105 L、液缸活塞行程為0.341 m。

2.1.3 技術(shù)指標(biāo)

耐壓差25 MPa，坐封壓力0.6～0.8 MPa，耐溫120 ℃，適用于內(nèi)徑不小于100.0 mm的套管。

2.2 組合式沉砂洗井閥

2.2.1 設(shè)計(jì)思路

由于勝利油田的地質(zhì)情況復(fù)雜，分層注水井存在出砂、吐聚合物、腐蝕和結(jié)垢等問題，為此洗井閥需設(shè)計(jì)沉砂過流機(jī)構(gòu)。通過給分層注水管柱配套沉砂尾管，在保證正向密封的同時(shí)，使砂粒等固相顆粒沉積在尾管中，以保證分層注水管柱的正常功能。針對酸化等措施對球閥密封性的影響，設(shè)計(jì)雙閥球結(jié)構(gòu)，并優(yōu)選閥球和閥球的材質(zhì)；同時(shí)，結(jié)合礦場實(shí)踐，設(shè)計(jì)了固定球閥和活動球閥2種不同的球閥，一是克服井斜對正向密封的影響，二是利于反洗井作業(yè)對洗井閥堵塞物的清除。

2.2.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

組合式沉砂洗井閥主要由正向密封機(jī)構(gòu)、沉砂過流機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。上球閥為固定球閥，通過彈簧力控制，在克服井斜對密封影響的同時(shí)，減少入井過程中的正向進(jìn)液量，開啟壓力設(shè)計(jì)為0.8 MPa；下球閥為活動球閥，便于反洗井作業(yè)將大粒徑固相顆粒沖出，保障實(shí)現(xiàn)正向密封。沉砂過流主要通過分流體實(shí)現(xiàn)，分流體采用了橋式結(jié)構(gòu)，與錐體結(jié)構(gòu)配合，可以保證固相顆粒沉積到尾管中。反洗井時(shí)，液體從其側(cè)開孔處進(jìn)入，依次推開兩級球閥進(jìn)入油管內(nèi)部。

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2.2.3 技術(shù)指標(biāo)

耐壓差25 MPa，開啟壓力0.8 MPa，耐溫120 ℃，適用于內(nèi)徑不小于100.0 mm的套管。

2.3 防漏裝置

2.3.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

針對多次措施作業(yè)后，分層注水管柱中的組合式沉砂洗井閥失效而不能保證正向密封的問題，設(shè)計(jì)了通過投球起單流閥作用的防漏裝置。

防漏裝置主要由閥球機(jī)構(gòu)、鎖爪機(jī)構(gòu)組成，如圖5所示。防漏裝置下井時(shí)，無需投球，就能保證正向暢通。投球后，正向加壓剪斷剪釘，閥座帶動鎖爪下移至限位處。鎖爪內(nèi)收，將閥球鎖住，避免反洗井時(shí)將閥球洗出；同時(shí)，通過鎖環(huán)實(shí)現(xiàn)鎖緊，形成新的單流閥機(jī)構(gòu)。

圖 5 防漏裝置Fig.5 Leak-proof device

2.3.2 剪釘尺寸設(shè)計(jì)

防漏裝置采用2個(gè)銅剪釘，開啟壓力5 MPa。剪釘直徑的計(jì)算公式為：

式中：p為開啟壓力，MPa；d為剪釘?shù)募羟兄睆剑菁y剪釘取螺紋小徑），m；τb為剪釘?shù)募羟袕?qiáng)度，MPa；D為閥座的最大外徑，m。

銅剪釘?shù)募羟袕?qiáng)度為260 MPa，閥座的最大外徑為0.06 m，開啟壓力為5 MPa，將其代入式（3）求得剪釘?shù)募羟兄睆綖?.005 9 m，故采用2個(gè)M8銅剪釘即可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.3 技術(shù)指標(biāo)

耐壓差25 MPa，開啟壓力5 MPa，耐溫120 ℃，適用于內(nèi)徑不小于100.0 mm的套管。

2.4 性能測試

利用封隔器性能測試裝置（見圖6）測試液缸擴(kuò)張式封隔器的坐封、承壓等性能：將液缸擴(kuò)張式封隔器置入測試裝置，通過進(jìn)液口1施加液壓使封隔器坐封（保壓）；關(guān)閉控制閥1，打開控制閥3和2，通過進(jìn)液口2施加液壓后，關(guān)閉控制閥2；打開控制閥1查看出水情況，結(jié)合壓力表1檢驗(yàn)封隔器的坐封情況；承壓性能測試與坐封性能測試類似；強(qiáng)度性能測試從進(jìn)液口1直接加壓，打開控制閥1、2和3，觀察出水情況。測試結(jié)果見表1。

圖 6 封隔器性能測試裝置Fig.6 Performance testing device of packer

由表1可知，當(dāng)壓力達(dá)到0.6 MPa時(shí)，封隔器已完全坐封；封隔器內(nèi)部承壓25.0 MPa時(shí)，承上壓差和承下壓差分別可達(dá)25.0 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求；內(nèi)部施加1.2倍的工作壓差至30.0 MPa時(shí)，無壓降、無滴水，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

表 1 封隔器性能測試結(jié)果Table 1 Performance test results of packer

組合式沉砂洗井閥、防漏裝置與試壓泵、絲堵連接測試其密封性能、強(qiáng)度和開啟性能，結(jié)果見表2。

由表2可知，組合式沉砂洗井閥、防漏裝置的密封性能、強(qiáng)度性能均能滿足設(shè)計(jì)要求；組合式沉砂洗井閥開啟壓力為0.8 MPa（5次測試結(jié)果的均值）、防漏裝置投球后開啟壓力為5.0 MPa（5次測試結(jié)果的均值），滿足設(shè)計(jì)要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

截至2019年底，長效擴(kuò)張式分層注水技術(shù)已在勝利油田應(yīng)用100余井次，均正常分層注水，最多分7層，最大井斜角59°。測試結(jié)果顯示，注水均正常進(jìn)行，底球均無漏失；分層注水井平均壽命延長1.5年以上。目前，層段注水合格率達(dá)到85%，對應(yīng)油井增油4 000 t，作業(yè)成本降低400余萬元，為提高注水開發(fā)的效果和經(jīng)濟(jì)效益提供了技術(shù)保障。

表 2 組合式沉砂洗井閥和防漏裝置性能測試結(jié)果Table 2 Performance test results of the combined sand-flushing valve and leak-proof device

以具有代表性的A井為例，說明該技術(shù)的應(yīng)用效果。A井為埕島油田的一口采油井，人工井底深2 049.60 m，最大井斜角為51.24°（井深684.88 m），油層溫度約65.1 ℃，地層流體中不含H2S和其他有毒氣體。根據(jù)地質(zhì)需要該井轉(zhuǎn)為注水井，基于長效注水需求，采用平衡式分層注水管柱分4層注水。下入注水管柱完井后，按配注量80 m3/d分4層測調(diào)合格，封隔器密封良好，注水正常，油壓為5.5 MPa，套壓為0，日注水量為83 m3，達(dá)到了配注要求。截至目前，該井配注量為140 m3/d，油壓為8.8 MPa，套壓為0，4層測調(diào)合格，日注水量為141 m3，底球無漏失。

4 結(jié) 論

1）研制了液壓傳動的液缸擴(kuò)張式封隔器，實(shí)現(xiàn)了封隔器內(nèi)外壓力系統(tǒng)的相對獨(dú)立，解決了常規(guī)擴(kuò)張式分層注水管中單級擴(kuò)張式封隔器損壞導(dǎo)致的檢修更換分層注水管柱的問題。

2）組合式沉砂洗井閥設(shè)計(jì)了分流沉砂機(jī)構(gòu)，將固定球閥、活動球閥組合，既能使固相顆粒沉積到尾管中，又能克服井斜對密封的影響，提高了正向密封的可靠性。

3）防漏裝置可以通過投球起單流閥的作用，降低因閥球漏失引起的檢修更換分層注水管柱的風(fēng)險(xiǎn)。

4）將液缸擴(kuò)張式封隔器和組合式沉砂閥、防漏裝置結(jié)合，設(shè)計(jì)了平衡式分層注水管柱，形成了長效擴(kuò)張式分層注水技術(shù)。

5）勝利油田應(yīng)用長效擴(kuò)張式分層注水技術(shù)，解決了常規(guī)擴(kuò)張式注水技術(shù)存在的單級封隔器損壞導(dǎo)致檢修更換注水管柱和注水壓力波動引起注水管柱蠕動等問題，延長了分層注水管柱的使用壽命。

6）隨著橡膠技術(shù)的不斷進(jìn)步、機(jī)械制造水平的不斷提高，以及對油藏認(rèn)識的不斷深入，長效擴(kuò)張式分層注水技術(shù)的功能、適應(yīng)性將進(jìn)一步得到提高。但長效分層注水技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其發(fā)展將是一個(gè)“找差距、補(bǔ)短板”的漸進(jìn)過程。