液压换层开关力学特性分析与防砂功能改进

邹远北,于昭东,李淑芳,李 鹏,孟 永

(1.中石化胜利油田分公司 临盘采油厂，山东 德州251507; 2.中石化胜利油田分公司 石油工程技术研究院， 山东 东营 257068)

单独开采油井的1个油层，油井产能不能充分发挥，油井多层合采是提高油井产量的一般做法，但不同油层的压力、产液物性不匹配，存在层间干扰问题。不动管柱换层开采技术，利用井下换层开关，打开或关闭井下某一层的生产通道，自动或人为控制开采某一油层，临时关闭的油层压力可以得到一定平衡或恢复，实现油层轮流开采。

换层技术有多种实现方法，可以利用不同层位的压力对活塞的作用力，实现自动打开压力高层位的通道[1]。液压换层采油技术在停井状态下通过油套环空加压，推动液压换层开关活塞，实现通道的开关[2-3]；采用油套环空脉冲式加压，换层开关电路对脉冲压力信号进行识别，开关电机驱动换向机构实现换向[4]，实现高含水油井的分层测试。

换层开关可靠换向是换层工艺能否实施的关键[5]。针对现场应用中液压换层开关出现换层失败的情况，研究分析发现井筒砂粒沉降在换层开关的活塞处，活塞移动受阻[6]是造成换向失败的主要原因之一。为了提高液压换层采油技术适应性，开展了防砂型液压换层采油技术研究，设计了沉砂型液压换层管柱，优化液压换层开关结构，避免了砂粒卡换向活塞，现场应用取得明显效果。

1 工具改进

1.1 液压换层开关增加防砂功能

液压换层开关主要由上接头、轨道、转环销钉、上壳体、分流体、筛管、下壳体、弹簧，下接头，进液口，大活塞和小活塞组成[7]，如图1～2；轨道左端设计有长轨道和短轨道，右端设计有换向轨道[8-9]，如图3所示。

1-上接头；2-轨道；3-上壳体；4-转环销钉；5-分流体；6-筛管；7-进液口；8-大活塞；9-下壳体；10-小活塞；11-弹簧；12-下接头。

图3 防砂型液压换层开关换层轨道

上壳体内径大于下壳体内径，分流体在上、下壳体内的横截面积不同，类似于大活塞和小活塞，形成面积差，油套环空加液压，推动分流体压缩弹簧下行，转环销钉在轨道引导下由A到达轨道换向点B，直至最下端C。液压下降后，弹簧力克服液压力，推动分流体上行，转环销钉进入短轨道最上端D，同时分流体密封圈处在进液孔下方，如图1所示，进液口与对应的油层处于导通状态；再次在油套环空加液压，重复如上过程，转环钉销再次到达轨道最下端，液压下降后，销钉进入长轨道最上端，此时分流体密封圈处在进液孔上方，如图2所示状态，进液口关闭。

图2 防砂型液压换层开关(关闭状态)

与原来的液压换层开关相比，防砂型液压换层开关在进液孔外设计滤砂网，阻挡地层砂进入开关内部；另外，在结构上进行了改进，新设计壳体上的进液口正对开关内分流体的进液口，这个结构减少产出液绕流导致砂子沉降。

1.2 沉砂器

油井正常生产时，砂子随液流运动[10]。油井停止生产或液流速度不足以携带砂子向上运动时，砂子沉降，其沉降的方向基本上是竖直向下的，按照这个自然规律，在砂子沉降的途径上设计接纳沉降砂粒的空间，避免砂粒沉降到换向开关其它部位。

沉砂器主要由上下接头、顶帽、外管、内管等组成。内管为生产、换层时提供液流通道，液体经下接头、内管内部、从顶帽侧孔绕流至上部油管内部，如图4箭头所示。内外管环空为沉降空间，停泵时上部砂粒沉降至环空。

1-上接头；2-顶帽；3-外管；4-沉降砂粒；5-内管；6-下接头。

2 换层开关力学特性分析

2.1 换层开关受力分析模型

换层开关进行换向时，由油套环空加液压，液压作用在分流体的大柱塞、小柱塞及其端面上，其下行受力分析简图如图5。

图5 换层开关下行受力分析简图

图5中，大活塞液压力与其截面积和液压力相关，即：

(1)

式中：F1为大活塞受到的向下液压力，N;D1为大活塞直径，可由上壳体内径计算，m;p1为换层开关上部压力，Pa。

小活塞液压力按相似公式计算：

(2)

式中：F2为小活塞受到的向上液压力，N;D1为小活塞直径，可由下壳体内径计算，m;p1为换层开关下部压力，Pa。

分流体内部有桥式过流结构，连通了其上部和下部空间，也就是换层开关上部与下部始终是连通的，忽略通过分流体的压力损失，上下压力相等，p1=p2。上下压力相等是式(1)和式(2)可以用壳体内径计算活塞受力截面积的原因。

环形截面积是大、小活塞面积差，其液压力为：

(3)

式中：F3为环形截面受到的向上液压力，N;p3为进液口压力，Pa。

推动大、小活塞向下运动，转环销钉在轨道引导向下运动的合力：

Fd=F1-F2-F3-Fs-Ff1-Ff2

(4)

式中，Fd为向下运动的合力，N；Fs为弹簧力，N;Ff1为大活塞受到的摩擦力，N;Ff2为小活塞受到的摩擦力，N。

当Fd>0时，分流体能够向下运动。

弹簧力由胡克定律计算：

Fs=kx

(5)

式中：x为弹簧压缩量,m;k为弹簧倔强系数，N/m。

与分析下行换向受力相似，建立推动大、小活塞向上运动，实现转环销钉沿轨道上行的合力：

Fu=F1-F2-F3-Fs+Ff1+Ff2

(6)

式中：Fu为向上运动的合力，N。

当Fu<0时，分流体能够向上运动。

由式(4)和(6)可知，大、小活塞摩擦力，始终是影响活塞运动的阻力。正常情况下，Ff1和Ff2都较小，忽略不计。在换层开关结构尺寸已定的情况下，换向取决于活塞上施加的压力。如果有砂子进入壳体与活塞、密封圈之间，造成砂卡，其摩擦力将大幅度上升[11]，并且不可预测，难以清除[12]，造成活塞向上或向下运动受阻。

2.2 换层开关受力敏感性分析与结构改进

按照换层开关的结构和工作原理，初始状态下，2个换层开关一开一关，例如上层开、下层关。油套环空加压进行换向操作时，2个换层开关都进行了开关动作，变为上层关、下层开。

2个换层开关，按照各自下入深度，油层压力，设置换向所需压力，在油套环空打压时，同步实现换向动作。如果大、小活塞发生砂卡，摩擦力发生变化，将显著影响换层动作所需压力，2个换层开关不能同步，造成换向失败。

某井设置2个换层开关，下入深度分别是1 565 m和1 603 m，参数如表1。

表1 换层开关参数

根据式(1)～(2)，计算换向时施加的压力p1，如表2。

表2 油井压力参数与换层开关受力

在忽略大、小活塞摩擦力时，换向压力分别为22.0 MPa和22.3 MPa，换层器相距38 m，在井口套压升压时，2个换层开关可以同步达到换向。

在假设砂卡造成大、小活塞摩擦力为1 000 N时，换向压力升高了3 MPa，分别为25.0 MPa和25.3 MPa。如果仍以22 MPa施加换向压力，不能实现换向。

如果2个换向开关只有1个砂卡，仍以22 MPa施加换向压力，会造成一个换向了，另外一个没换向，造成换向错乱。

可以对换层开关结构进行优化以应对砂卡的影响。适当优化大、小活塞直径差，可以获得合适的液压作用力；调整弹簧倔强系数，改变上行力。结构改进可以克服轻微砂卡造成的影响，但砂卡较严重时就会造成换向故障。

由此可见，大、小活塞摩擦力是造成换向失败的重要影响因素。采用防止砂粒进入活塞和密封圈间隙，消除或减小摩擦力，是保障换层开关按设计的换向液压力实现换向的关键。

3 沉砂型液压换层管柱

管柱由防砂型液压换层开关、Y441型封隔器、Y341型封隔器、沉砂器、丢手等配套工具组成。

3.1 工艺原理

1) 管柱下入。将管柱下入井内，结构如图6所示，油管内加液压坐封Y441型和Y341型封隔器[13]，继续升压直至压力突降，实现丢手，下入泵挂管柱，即可实现生产某一层。

图6 防砂型液压换层采油管柱

2) 液压换层。换层生产时，套管内加液压，液压作用在换层开关的活塞上，推动活塞移动，打开或者关闭所在油层的通道。

3) 换层开关进液口处滤砂管阻挡大颗粒地层砂进入开关内部，进入开关内部的粉细砂可随液流举升至地面；停泵时粉细砂沉降，到达沉砂器时，进入接砂环空，避免砂子进入换层开关内部。

3.2 技术特点

1) 实现不动管柱换层采油。

2) 检泵时，只需要提出泵挂管柱即可。

3) 换层简单方便，套管打液压即可实现更换采油层。

4) 工作温度≤150 ℃。

5) 沉砂型液压换层管柱可以与分层挡砂管柱配套使用[14-15]。

4 工程应用

2018年以来，沉砂型液压换层采油技术在临盘油田临58、盘一、盘二等断块油藏应用10口井，换层成功率90%，比配套前提升23%，提升了管柱对井筒砂粒适应性。

以P1-2井为例，生产井段1 575.2～1 741.8 m，共13个小层，油层厚度共28.4 m，油层轻微出砂，合采生产时日产液13.7 t/d，日产油0.8 t/d，含水95.3%，动液面854 m。产液剖面资料显示该井层间动用不均衡，为加强次动层动用，应用液压换层采油技术。

将1 575.2～1 587.8 m的3个小层合采，1 684.1～1 741.9 m的10个小层合采。应用沉砂型液压换层采油管柱，换层开关1下入深度1 565 m，换层开关2下入深度1 603 m。2018-08开井，生产上层日产液11.5 t/d，日产油2.9 t/d，含水75%，油井产液含水大幅度下降。为测试下部层位产液情况，进行换层操作，换层后日产液9.8 t/d，日产油0.3 t/d，含水97.0%。根据换层生产数据可以看出，上层含水较低，适合生产，因此在下层生产15 d后，通过套管加液压，更换到上层生产。

5 结论

1)液压换层开关力学特性研究与受力分析表明，大、小活塞摩擦力异常增大是造成换向失败的原因，产出液携带的砂粒在活塞间隙的沉积是造成摩擦力增大的主要因素之一。

2)通过优化液压换层开关结构，设置滤砂网和沉砂器，避免砂粒在活塞间隙沉积，能够提高液压换层开关对产出液含砂的适应性，避免砂卡，提高换层成功率。