防砂卡分采举升工艺管柱研制

李志广，李风涛，闫永维，李　川，张子佳（大港油田公司石油工程研究院，天津300280）

防砂卡分采举升工艺管柱研制

李志广，李风涛，闫永维，李川，张子佳
（大港油田公司石油工程研究院，天津300280）①

机械卡堵水技术在实际生产中应用越来越多，生产管柱因卡层出砂导致的砂卡管柱现象日趋严重，经常因砂卡造成管柱大修。研究一种新型分采举升工艺管柱技术，解决卡层出砂导致分采生产管柱砂卡的问题。关键技术是通过工艺管柱的优化设计及配套工具技术研制，在管柱发生砂卡时，通过上提管柱而解卡。如果上提管柱不能解卡，则可从安全释放装置处顺利释放，然后对井筒内管柱进行套洗冲砂，最后将井筒内剩余管柱依次捞出，避免油井进行大修作业。

采油；管柱；井下工具；砂卡

随着油田开发的深入，地层情况越来越复杂，层间差异大，合采已经不能满足生产需求，分层开采已经成为开发油藏的主要手段。但是，分采生产管柱的结构不合理，在出砂井中的适应性较差，主要是出砂而经常将卡层封隔器埋死，在检泵时导致管柱提不动，有时经过活动解卡可将管柱提出，更多的是把管柱卡死在井中造成油井大修［1］。

针对以上问题设计了一种举升工艺管柱，同时研发了配套工具。该管柱结构简单，既可满足生产需要，又能在砂埋管柱后对其进行分步处理，避免砂埋管柱后造成油井大修，同时在生产中具备反洗井、监测动液面及油层不被洗井液污染的功能。

1　结构［2］

举升工艺管柱由过桥式抽油泵、压差式油套连通阀、Y241型自验封封隔器等组成（如图1）。在管柱发生砂卡时，可对管柱进行分步处理，依次提出，在生产中可实现反洗井、监测动液面、保护油层不被洗井液污染的功能。

图1　举升工艺管柱示意

2　工作原理［3］

1） 下入过程。将空心桥塞按照施工设计要求下入井内位置，进行加压，空心桥塞坐封后继续加压憋开丢手，提出输送管柱，将配套工具按照施工设计要求依次下入井内，到位后插入芯管与密封管之间形成径向密封，隔开控制层与生产层。对管柱进行加压，在压差作用下，压差式油套连通阀与压差式常通阀关闭，Y241型自验封封隔器坐封，通过井口压力变化可判断封隔器的坐封状态。

2） 生产过程。在生产中压差式油套连通阀处于开启状态，油套连通，可直接对动液面进行实时监测。当需要进行反洗井作业时，洗井液通过压差式油套连通阀进入管柱内，由于压差的作用，井下压差式常通阀关闭，洗井液不能沿油管进入生产层，保证油层不被污染。洗井液只能沿抽油泵循环至地面；压差式常通阀在生产中处于常开状态，当由于特殊原因造成抽油泵停抽时，井液中的砂粒等杂质不会沉积在常通阀处，有效保证了油管内部上下畅通，再次开抽时确保油井的正常生产。

3） 提出过程。需要进行检泵作业时，解封Y241型自验封封隔器。若没有发生砂卡，可将上部管柱直接提出；若管柱发生砂卡，封隔器无法解封，则加大上提力，此时封隔器释放装置限位销钉被剪断，为封隔器提供一个解封距使其可顺利解封，若封隔器解封后管柱仍被卡死，则需进行活动解卡，若活动后仍无法解卡，则通过TF型安全接头将上部管柱释放；然后对下部管柱进行套洗冲砂，再对下部管柱进行打捞。如需取出空心丢手，下入打捞工具进行打捞，若只是进行检泵作业，可在检泵后按施工设计要求下入配套工具，插入空心丢手完井。

3　技术特点

1） 举升工艺管柱由空心桥塞与插入管柱组合而成，便于解卡操作，发生砂卡时可进行分步处理，避免油井大修。

2） 管柱结构配套合理，在保证封隔器顺利坐封的同时，又能满足生产时管柱上下畅通、油套连通，使用安全可靠。

3） 生产中压差式油套连通阀处于常开状态，油套连通，可进行反洗井作业，洗井时压差式常通阀关闭，保证油层不被洗井液污染。

4） 在生产时可以对动液面进行实时监测。

4　主要配套工具

4.1 Y445型空心桥塞

Y445型空心桥塞采用双锥体双向卡瓦锚定机构，具有锚定可靠，承受负荷大的特性。该封隔器具有内部平衡系统，解封载荷小，解封灵活。采用了特殊结构的密封胶筒，坐封载荷小，承压能力高，可达30 MPa以上。特有的插入密封结构可与上部插入管柱的紧密结合，如图2，有效保证整趟管柱的密封性能，发生砂卡管柱时确保上部管柱可顺利提出。

图2　Y445型空心桥塞结构

Y445型空心桥塞的密封特性属于接触密封，影响密封性的主要参数之一是接触面上的压力（即接触压力），接触压力的求解如下。

式中：pK为接触压力（应力）；G为抗剪弹性模量；A1为元件变形后的横截面积；R01为套管的内半径；R0为密封元件的内半径；R1为密封元件的外半径；Δp为密封压差；μ为泊松比；F0为坐封载荷。

如果上式左边等于压差Δp，并将公式变换就可以得到一个在相应压差条件下使空心桥塞达到密封所需的最低坐封载荷（F0）为：

对于Y445型空心密封桥塞，密封元件变形后的横截面积A1＝7510．9mm2，密封压差Δp＝50 MPa，抗剪弹性模量G＝1．27MPa，泊松比μ＝0．475，套管内半径R01＝63．5mm，密封元件的外半径R1＝57mm，密封元件内半径R0＝40．5mm，将数据带入式上式求得：F0≥51553．4N

所以，在求解的条件下使空心桥塞达到密封所需的最低坐封载荷为F0≥51．5kN。

下面就设计的Y445型空心密封桥塞求解其实际坐封力的大小。

活塞的面积Ahs为：

坐封压差设置为pz＝12 MPa，计算求得实际坐封力为：

实际坐封载荷大于空心桥塞的最低坐封载荷，坐封压差设置为12MPa，能够满足空心桥塞密封元件50MPa的密封要求。

4．2 压差式油套连通阀［4-5］

压差式油套连通阀配套液压封隔器坐封，结构如图3。下井时，滑套在弹簧弹力作用下打开，油套处于连通状态；坐封封隔器时，油管加压，滑套受液压作用压缩弹簧关闭，油套通道断开，液流经过连通阀内腔坐封下面封隔器。

图3　压差式油套阀结构

4．3 压差式常通阀［6］

井下压差式常通阀通过液体截流产生压差的原理，进行开启关闭，其效果远好于普通球座，能更好地满足生产需求，其结构如图4～5。使用时既能保证封隔器坐封的可靠性、又能使整个管柱与地层保持畅通。当管柱内没有压差时，压差式常通阀不会关闭，保证了管柱内部畅通，杜绝了砂埋球座的现象；若管柱加压，使阀芯产生压差，常通阀随即关闭，满足封隔器的坐封要求，泄压后，阀芯在弹簧的作用下恢复开启状态，不会出现封隔器中途误坐封现象。

图4　井下压差式常通阀（打开时）结构示意

图5　井下压差式常通阀（关闭时）结构示意

5　现场应用

研制的举升工艺管柱适用于需要进行分层开采的出砂油井。当发生砂卡时，可对管柱进行分步处理，将其顺利提出井筒，避免油井因管柱砂卡造成大修作业。目前共在大港油田应用20口井。

庄8-14-3井属于大港油田第二采油厂，2013-02下入Y211型封隔器进行分层开采，控制层位1 411．5～1 414．5m。2014-03进行检泵时管柱发生砂卡，造成油井大修，作业后下入下入举升工艺管柱，于2014-12再次进行检泵作业，上部管柱顺利提出，检泵后再次下入防砂卡举升工艺管柱完井，至今分层效果良好，平均日产液66．85m3，产油5．14m3。该井的管柱组合如图6。

图6　庄8－14－3井管柱结构

6　结论

1） 防砂卡举升工艺管柱可满足出砂油井分层开采的需求，当管柱发生砂卡时，可对其进行分步处理，避免油井大修。

2） 通过配套工具的优化组合，在保证液压封隔器顺利坐封的同时，又能使管柱上下畅通，确保生产安全可靠。

3） 生产过程中油套连通，在洗井时洗井液不会进入油层，保证油层不被污染，有效提高生产时效。

4） 可实时有效地对动液面进行监测，保证了油井生产数据的真实可靠。

5） 随着油田开发的深入，分层开采已经成为开发油藏的主要手段，同时出砂油井占生产井的比例越来越大。防砂卡生产管柱技术的应用前景广泛。

［1］ 李川，李志广，阮刚，等．洗井防污染丢手分采管柱设计与应用［J］．石油矿场机械，2011，40（1）：72-74．

［2］ SY／T5106—1998，油气田用封隔器通用技术条件［S］．

［3］ 万仁溥．采油工程手册［M］．北京：石油工业出版社，2000．

［4］ 《机械设计手册》编委会．机械设计手册［M］．北京：机械工业出版社，2004．

［5］ 陈冬，李志广，李川，等．井口钻塞加压装置的研制与应用［J］．石油机械，2012，40（3）：40-41．

［6］ 李志广，李川，张子佳，等．井下压差式常通阀［J］．石油矿场机械．2009，38（10）：83-84．

Development and Application of the Lifting Process Pipe String for Sand Sticking-proof

LI Zhiguang，LI Fengtao，YAN Yongwei，LI Chuan，ZHANG Zijia
（Petroleum Engineering Institute，Dagang Oilfield Company，Tianjin 300280，China）

Mechanical technology for plugging water is widely used in the actual production，and sand stick caused by sand layer in production pipe string is becomingmore andmore serious，often leading to workover．Therefore，developing a new type of production pipe string technology to a-void the workover caused by sand stick is necessary，the key technology is the optimization design of the lifting process pipe string andmatching tool technology development，when pipe string is stuck by sand in controlled layer，it is likely to be released by rising pipe string，if this solution fails，the pipe string can be released from the safety joint smoothly，then wash sand between pipe string and casing in wellbore，finally get the pipe string out of wellbore sequentially，avoiding the workover operation．

production；pipe string；downhole tool；sand stuck

TE931．202

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．021

1001－3482（2015）08－0086－04

①2015－02－20

专利技术：国家实用新型专利（ZL201020515732．1）

李志广（1965-），男，天津蓟县人，高级工程师，1988年毕业于大庆石油学院石油设备与机械工程专业，长期从事钻采工艺及配套工具研究。