多功能防砂专用地面流程转换装置的研制与应用

张冰洋郑 铎魏庆彩武明鸣李 鹏刘海洲

（1.中石化胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营 257000；2.华北油田公司第四采油厂，河北廊坊 065000）

多功能防砂专用地面流程转换装置的研制与应用

张冰洋1郑 铎1魏庆彩1武明鸣1李 鹏1刘海洲2

（1.中石化胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营 257000；2.华北油田公司第四采油厂，河北廊坊 065000）

目前防砂作业井口装置没有流程转换功能，砾石充填和循环洗井工序之间转换时间长，易造成循环通道砂堵，为解决该问题，研制了多功能专用地面流程转换装置。该装置由井口滑动系统、正反循环系统、调节系统系统成。通过对主要部件强度的计算及样机试压试验，验证了该装置可以实现地面管线流程的便捷转换，此外，该装置通过滑动密封部件还能实现施工过程中提放管柱的功能。在胜利油田现场推广应用该装置近百井次，均获得一次性成功，表现出了良好的可操作性，具有较好的推广应用前景。

多功能；防砂；流程转换装置

目前使用的防砂作业井口装置在进行充填防砂作业过程中存在以下两方面问题：一是不具备地面流程转换功能，需要通过人工倒管线，工序繁琐；二是无法满足在充填过程中提放管柱的要求，限制了部分防砂工具的使用。为此，针对油井防砂施工作业特点，从结构上进行优化，研制了多功能防砂专用地面流程转换装置，有效解决了上述问题。

1 多功能防砂专用地面流程转换装置

1.1 结构

多功能防砂专用地面流程转换装置由井口滑动系统、正反循环系统、调节系统组成，结构见图1。

图1 多功能防砂专用地面流程转换装置结构示意图

1.2 工作原理

井口滑动系统由提升短节、滑管、密封管、油管短节组成，其工作原理是：使用高压自封对管柱进行密封，可以不动井口对井内管柱进行上提或下放操作。

正反循环系统由外套总承、油管阀门和—套管阀门组成。正循环时关闭阀门15、18，由阀门16处进液，通过井下工具循环通道经油套环空，由阀门17出液；反循环时关闭阀门15，17，打开阀门18，液体由阀门16进入，经过过液接头流入油套环空，通过井下工具循环通道进入油管，再通过装置过液接头，由阀门18出液，建立循环。

调节系统由活塞套、密封件、调节螺母、活塞组成，通过调节螺母来调整装置进液口和出液口的水平和径向位置，使装置与硬管线连接，调节方便快捷。

1.3 技术特点

（1）通过阀门控制液流方向，解决了井口倒管线问题，井口不排放液流，实现不动管线的正反循环流程转换。

（2）井口滑动系统施工时提、放管柱与井口连接的进液和出液管线无关，不影响井口施工，极大地方便了井口操作。

（3）调节系统采用可调节式螺旋千斤顶使井口安装快捷简便，便于调整。

（4）该装置具有排空功能，洗井前通过阀门控制进行管线排空，清除多余充填砂和携砂液。

1.4 技术参数

工作压力25 MPa，强度试压35 MPa，过液通道面积大于30 cm2。

2 室内试验

2.1 强度计算

为了满足各类防砂充填施工的需要，按照工作压力p1=2.5 kN/cm2，强度试压p2=3.5 kN/cm2的条件，对装置提升短节盲板剪切力、丝扣承载能力、活塞止退台阶抗剪强度进行计算。

2.1.1 提升短节盲板剪切力 盲板受剪切面积

式中，d1为Ø73mm油管内径，cm；h为盲板厚度，cm。

盲板受力

盲板材料选用调质硬度为HB250-27的45#钢，则盲板许用剪切强度

式中，Rm为调质硬度为HB250-27的45#钢的抗拉强度，kN/cm2；nτ为剪切安全系数。

强度试压时实际盲板剪切强度

2.1.2 丝扣承载能力 强度试压时作用于法兰上部负荷，其中法兰外径D=16 cm，内径d2=7.3 cm，选择丝扣M160×3，H=8 cm，则

内螺纹剪断力

式中，m为螺牙根部宽度，cm；d3为内螺纹公称直径，cm；k1为外螺纹强度安全系数；δb为许用剪切强度，kN/cm2。

外螺纹剪断力

式中，m为螺牙根部宽度，cm；d4为外螺纹公称直径，cm；k2为外螺纹强度安全系数；δb为许用剪切强度，kN/cm2。

则螺纹参数为M160×3，H=8 cm时，QH=846.44 kN 、QH'=733.58 kN，均大于556.95 kN，满足承载能力需要。

2.1.3 活塞止退台阶抗剪强度 已知活塞直径D2=8.7 cm，台阶宽H=0.5 cm，则承载面积为S=13.6 cm2，剪切负荷

台阶抗剪负荷

则止退台阶宽度设置为0.5 cm时，F=353.60 kN＞F= 207.96 kN，满足装置工作需要。

2.2 试压试验

试压目的：试验系统整体承压能力和调节系统部分的密封及耐压强度。

试压步骤：首先关闭所有阀门，从装置油管短节下部打压。压力由0 MPa→5 MPa→10 MPa→15 MPa→20 MPa→25 MPa→30 MPa→35 MPa，各阶段停止2 min，观察有无漏点，当压力升至35 MPa后稳压5 min不降为合格。整体试压完成后，滑动活塞，转动调节螺母，各部件转动灵活，无卡阻。

从试验情况看，该多功能井口能够满足各种充填工具的工艺要求，各项指标均达到试验要求。

3 现场应用

3.1 施工步骤

（1）井口安装。当充填管柱下入后，将转换装置吊起，使油管短节与井下充填管柱相连，下放转换装置，使大四通法兰（或上法兰）坐于井口法兰上，上好螺栓即可。

（2）坐封。此步骤适用于封隔式充填工具，投球后根据防砂工具操作规程使封隔器坐封。

（3）验封。继续升压至验封压力，并观察套管阀门是否返液，不返液为合格。

（4）丢手。上提管柱使井口指针表指示负荷大于井下管柱原悬重20～30 kN，正转提升短节，使封隔式充填工具丢手。

（5）地层充填。由外套总承进液口打砂浆，砂浆经环形空间经过充填工具转换孔进入充填工具内，再经充填工具的充填口挤入地层。

（6）循环充填。上提提升短节一定距离（其距离根据充填工具结构要求），使工具循环通道打开，此时进行循环充填，砂浆经充填工具—筛套环空—筛管—充填工具循环通道—油套环空—井口套管阀门流至污水池。

（7）反洗。上提提升短节，使井下管柱上移至充填工具充填孔露出，由套管阀门泵入液体，通过充填工具反洗通道进行反洗井，洗净管内多余砾石，充填完成。

（8）起工具投产。卸开井口法兰，卸掉转换装置的油管短节与井下充填管柱的连接头即可起出井下充填管柱，再实施下一步投产措施。

3.2 应用情况

该装置在胜利油田现场推广应用近百井次，均获得一次性成功，同时节约了施工时间和劳力，平均单井可以节约施工时间近2 h，施工安全、简单、易操作，应用效果良好。

4 结论

（1）多功能专用地面流程转换装置可以实现防砂施工过程中各工序的快捷转换，满足各种充填工具操作的需要，不动井口进行防砂挤压充填、循环充填和反洗施工，提高了防砂施工效率。

（2）该装置安装便捷、安全、环保、可靠，能够有效降低劳动强度，减少施工事故率，具有良好的推广应用前景。

［1］罗英俊，万仁溥.采油技术手册（3版）［M］ .北京：石油工业出版社，2005-03.

［2］张军，杨忠清，于顺明，等.新型井口装置—— ST锁紧式套管头的应用［J］.石油钻采工艺，1997，19（2）：26-30.

［3］成大先.机械设计手册（第1卷）［M］ .北京：化学工业出版社，2008-04.

（修改稿收到日期 2013-12-10）

〔编辑 景 暖〕

Development and application of specific multifunctional ground flow transformation apparatus

ZHANG Bingyang1,ZHENG Duo1,WEI Qingcai1,WU Mingming1,LI Peng1,LIU Haizhou2
（1.Research Institute of Oil Production Technology of Sinopec Shengli Oilfield Company,Dongying257000,China;2.The Fourth Oil Plant of Huabei Oil field Co.,Langfang065000,China）

As the sand control operation well head has no function of flow transformation,the time used for gravel fill and circulation well washing is quite long,and circulation channel may be blocked by sand easily.In order to solve those problems,specific multifunctional ground flow transformation apparatus are developed.The apparatus are composed of well head sliding system,positive and negative circulation system and regulation system.Depending on strength calculation and prototype test of the major components,the experiment result proved that the device can realize convenient surface pipeline flow conversion,Due to the slip sealing section of the apparatus,the well head operation can be performed as usual while raising and lowering strings.The apparatus have been used in Shengli Oilfield for nearly a hundred times,which are all one-time success.This technology shows the good performance and a broad application prospect.

multifunctional;sand control;ground flow transformation apparatus

张冰洋，郑铎，魏庆彩，等.多功能防砂专用地面流程转换装置的研制与应用［J］.石油钻采工艺，2014，36（1）：88-90.

TE931+1

：B

1000-7393（2014）01-0088-03

10.13639/j.odpt.2014.01.023

国家专利：专利名称：“多功能防砂井口装置”，专利号：ZL 2007 2 0026498.4。

张冰洋，1981年生。2003年毕业于西南石油大学，现从事采油技术研究工作。电话：13706366925。E-mail：64319495@ qq.com。