带压作业工艺在注水井冲砂中的研究与应用

聂 伟，张 毅，张 伟，胡伟杰，郭 骏，孙 渤，谢鹏华

（1.中石油渤海钻探井下作业分公司，河北任丘062552；2.中石油渤海钻探国际工程分公司，天津300450；3.中石油冀东油田井下作业公司，河北曹妃甸063200）

带压作业工艺也叫不压井作业工艺，是指在井筒内有压力的情况下，利用特殊修井设备，封住井内压力，在井口实施起下管杆、井筒修理及增产措施的井下作业工艺技术。国外带压作业技术发展较早。1929年，美国的赫伯特·奥的斯第一次提出了带压作业这一思想，并利用一静一动双反向卡瓦组支撑油管以实现油管的带压作业。1960年，美国的西塞罗·布朗发明了液压带压作业设备用于油管升降，实现真正意义上的带压作业。2000年后，钻、修、带压作业一体机出现，使作业设备工艺覆盖更加全面，以至于在油气生产领域获得“万能作业机”的美誉。我国开展带压作业装置研究起步较晚。我国最早在20世纪60年代，曾研制过钢丝绳式带压作业装置。21世纪初，各大油田加大了对带压作业技术、装备方面研究支持力度。通过引进国外设备、技术和自主研发，经过前几年市场摸索、创新及研究，近年出现了迅猛发展，目前，国内已有十多家企业研制带压作业装备，为我国油气资源规模开发提供了安全可靠的装备支撑。

随着目前油田生产开采作业的不断深入，高压注水井以及压力自喷井规模也在不断扩大，一些注水井在实际生产过程中井口有压力，从而导致为实现诸如冲砂等修井作业时而出现了停产停注的现象。在传统模式下，为保障作业安全首先必须要先进行压井作业，这样就会导致整个作业过程成本增加，不仅油气井的产能不能得到及时恢复且对地层也会造成污染，对整体区块的开发效果造成严重影响。所以对注水井进行带压作业是最好的选择。

1 带压作业设备介绍

带压作业设备按配套方式一般分为辅助式和独立式两种。如图1所示，辅助式带压作业设备本身不能独立完成作业，必须依靠作业机井架及相关工具的配合，才能完成带压起下管柱作业。这种结构的带压作业装置在现场使用比较普遍，设备由带压作业主机与远程动力源两部分组成。如图2所示，独立式带压作业设备不再需要配备作业机，其本身带有井架（拔杆）、绞车以及油管钳，能够独立完成带压起下管柱的作业。是一种高效率且安全、经济的作业装备。

图1 辅助式带压作业设备

图2 独立式带压作业设备

2 注水井冲砂带压作业管柱的受力计算

对注水井冲砂带压作业带的管柱力学研究，是为了分析计算有效控制举升机液压压力范围安全值，从而做到防止因升降机主液压系统压力不确定而造成管柱无法推入井内或下推力太大造成管柱发生弯曲变形等事故的发生，为带压起下管柱作业奠定安全保障。下面就带压作业常用到的数学公式进行设计以及强度校核。

2.1 井内管柱强度校核

如某井设计深度为1500m，再设计管柱时就需要充分考虑管柱的抗拉能力，保证作业管柱的作业安全。如带压作业施工井内管柱采用∅73mmN80外加厚油管，∅73mm油管常用数据见表1，起管柱最大净重为1500×9.8×9.68=136（kN）；预计大钩最大载荷为136kN(未考虑摩擦阻力与浮力)。油管的抗拉安全系数为：P抗拉/P载荷=645/136=4.74。符合SY/T 6268-2017《油井管选用推荐作法》的油管的抗拉安全系数大于等于1.8规定。

表1 ∅73mm油管常用数据

2.2 管柱受力分析

带压作业时，作用在井下管柱上的力包括：井内压力作用在管柱最大密封横截面上的上顶力，管柱在井内流体中的重力，油管通过密封防喷器时所受的摩擦力，带压起下作业装置所施加管柱的力，管柱在井筒内运动时套管对管柱产生的摩擦力，带压起下作业时，带压作业施加的下推力和管串自重之和应等于截面力和摩擦力。即：不压井作业施加的下推力＋管串自重＝截面力＋摩擦力，受力分析如图3所示。其中，防喷器和套管产生的摩擦力与管柱运动方向相反，套管对管柱产生的摩擦力在工程计算中忽略不计。

图3 带压作业管柱受力分析

2.3 管柱截面力计算

管柱截面力通常指井内压力对作业管柱横截面产生的作用，计算公式如下：

式中：Fwp——管柱的截面力，kN；

π——圆周率，取3.14，无量纲；

d——防喷器密封油管的外径，mm；

P——井口压力，MPa。

2.4 防喷器对管柱的摩擦力

油管通过密封防喷器时所受的摩擦力大小与防喷器类型、井口压力、防喷器工作压力有关，通常取管柱上顶力的20%。

2.5 液压缸下推力计算

带压作业起下管柱时，其液压缸能够提供的下推力是保证作业安全的重要参数也是评估带压设备能否正常施工依据，计算过程如下：

式中：Fsn——液压缸的下推力，kN；

Fwp——管柱的截面力，kN；

W——管柱在流体中的重力，kN；

Ffr——防喷器对管柱产生的摩擦力，kN；

Fdr——井筒对管柱的摩擦力，kN。

因此，液压缸的最大下推力等于或大于井内压力作用在管柱最大密封横截面上的上顶力，即Fsn≥Fwp。

3 管柱内堵塞技术

为了保证带压作业过程中压力能够完全密封于井内，不仅需要通过利用防喷器组对环空压力密封，也必须对油管内压力进行密封，这就需要油管内堵塞技术。该技术涉及起出原井管柱前对管内压力的封堵和下完井管柱时对管柱内压力的封堵。

3.1 管柱堵塞工具

油管堵塞工具在带压作业前，通过水力投送、钢丝投送等投送方式对油管内压力封堵，解决带压作业技术中起出原井管柱内防喷的核心问题。下文以使用抽油杆起下的可捞式堵塞器进行介绍，管柱堵塞工具见图4。

图4 可捞式堵塞器

3.1.1 管柱堵塞工具原理

对接头连接抽油杆接箍，连接堵塞器下井，到位后，上提抽油杆，卡瓦锚定油管，对接头上行剪断座封剪钉，座封套、胶筒轴、打捞杆上行压缩胶筒密封油管，继续加力，对接头与堵塞器脱开；打捞时，下入打捞工具对接打捞杆，打捞杆上行，底部连通通道打开，堵塞器上下压力平衡，继续上提，座封套与胶筒轴分开，卡瓦及胶筒收回，堵塞器解封。

3.1.2 工具特点

该工具通过抽油杆下放、上提抽油杆座封机构座封，再上提丢手，封位置可自由设定，工具使用范围广，打捞时，通过抽油杆投送专用打捞工具，先泄压后解封，可安全顺利解封工具，用于带压作业时管柱内压力的封堵。

3.2 可溶式带压尾堵工具

尾堵一般置于管柱底部，用于带压作业下完井管柱封堵中，使套管内油气水等物质不会在压力的驱动下，进入油管内，是带压作业油气水井完井管柱封堵中最常用的管柱封堵工具之一。

带压尾堵（可溶）是在常规喇叭口上的基础上进行设计制作，在本体下端加工台阶，装入底堵（可溶）配上剪切销钉，并通过密封圈密封，具有入井防喷功能，从油管内部加压打掉底堵。可以根据井底压力对本体进行定制，根据所需压差，对底堵（可溶）进行定制，底堵工具见图5。

图5 可溶式带压尾堵工具

3.2.1 带压尾堵的原理

本体内有加工台阶，加工台阶放置底堵和密封圈，用销钉进行固定，具有入井油管防喷功能。完井管柱下入到指定位置后，使用泵车，根据所需压差+油管压力将底堵打掉，底堵因可以遇水溶解，产生水溶物，不会对井内造成落物，对地层不会造成污染。

3.2.2 工具特点

结构原理简单、实用可靠、可重复使用、降低成本。能够实现带压作业的油管的起下，以保证带压作业的安全系数及防止对井场的环境造成污染。该工具不使用压井液进行作业，从而消除了压井液对于产层的潜在破坏。方便下次投堵再次进行带压作业。

4 注水井冲砂带压作业工序

4.1 油管投堵

安装压力表，观察油套压力，做好记录，安装防喷管，用小于油管内径2~4mm长度不小于堵塞器长度的油管规通井内油管，下油管堵塞器封堵油管，堵塞器坐封后，放掉油管内压力，观察30min以上，油管压力为零，油管封堵合格，堵塞成功后搬家上井。

4.2 立井架

立井架，打好基础，装拉力表或指重表，要求指针灵敏。调整绷绳，使天车、游车、井口达到三点一线，偏移不大于10mm。

4.3 安装带压作业装置

先确定油管内无油、气、水外溢再拆井口，安装旋塞阀和带压作业装置，带压作业机安装完毕并固定后，应调节固定装置，使游动卡瓦与井口轴线偏差不大于10mm，带压作业装置螺栓受力均匀，螺栓两端倒角底面应该高于螺母平面。

对带压作业装置和管线按技术标准进行现场试压，试压合格后进行下步施工。

4.4 起原井管柱

试提管柱，起出原井内管柱。

4.5 冲砂

下冲砂作业管柱，底带笔尖，探砂面，加压10~20kN，上提管柱1m，连接泵车，开泵，采用清水大排量洗井一周以上，达到进出口液性一致后，停止洗井，起出冲砂管柱。

在进行冲砂作业时，特别注意以下几点：

（1）在起下冲砂管柱时，要保证工具的长度和外径满足带压起下管柱的要求。冲砂工具长度能够满足倒入或倒出防喷器组的要求；如使用多个工具时，之间使用油管短节隔离开，以获得足够的坐卡瓦或关防喷器的空间；

（2）起下管柱过程中，必须坚持“带压作业先关后开”的原则，严防操作失误，造成井喷污染或油管飞出；

（3）作业时除应做到冲砂的各项要求外还应保证带压作业的防喷器组、旋塞阀等井控设备各开关灵活好用，做到能随时关闭，使井口始终处于有控状态；

（4）施工中随时注意观察，如果出现溢流，应迅速按照施工井的应急预案采取措施。

4.6 下完井管柱、完井

按照设计要求下入完井管柱交井。

5 应用实例

泉42-19井是华北油田采油四厂的注水井，位于河北省固安县东，构造位置属于冀中坳陷廊固凹陷柳泉曹家务构造带泉42断块，完井日期为2009年8月，完钻井深为1447m，井口装置为350型注水井口。该水井2017年4月28日通井显示1410m遇阻，有砂样，砂埋注水井段。7月27日泵压22.5MPa，油压21.2MPa，套压21.2MPa，油压高欠注，8月2日关井。施工目的：带压作业冲砂，恢复注水。作业要求：起出井内管柱，更换不合格油管，冲砂、下完井管柱。

2017年10月对该井进行带压冲砂作业，10月19日油压6MPa，安装防喷管，用58mm油管规通井内油管，下∅42mm堵塞器封堵油管，堵塞器坐封后，放掉油管内压力，观察30min，油管压力为零，油管封堵合格，堵塞成功后搬家上井。

10月20~22日拆卸采油树、安装带压作业装置及液压控制系统、立井架、对带压作业装置试压和防顶测试等施工前准备工作。10月22日带压起原井油管。10月23~24日带压6MPa冲砂作业，冲砂管柱为：∅73.02mm笔尖+射流冲砂阀+∅73.02mm外加厚油管，用清水正循环洗井冲砂，泵压8MPa，排量为600L/min，控制出口回压6MPa，冲砂至人工井底后洗井至进出口液性一致，拆洗井管线，带压起出管柱带出笔尖检查无异常。10月24~25日带压下完井管柱底带可溶底堵，拆带压装置，装采油树，地面泵车打压至8MPa，可溶尾堵脱落，恢复了正常注水。

6 结论及认识

（1）带压作业工艺在油田生产作业过程中发挥出了非常重要的作用，针对油田注水井井下作业过程充分运用带压作业技术能够进一步提升注水井下作业效率，而且也能为油田稳产打下坚实基础；

（2）带压作业时管柱受力比较复杂，不仅管柱自身重力以及修井液浮力影响，更重要的是要考虑举升机液压液缸下推力和防喷器对管柱的摩擦力，在施工前要做好受力分析，保证施工安全；

（3）抽油杆可捞式堵塞器入井应缓慢下放，进入油管后，可控制下井速度在60m/min以内，匀速下放，避免急停，当工具斜井端应减慢速度，当工具接近座封位置60m左右时，缓慢下放到工具座封位置，保证密封可靠，此外，下管柱时应及时灌液平衡堵塞器上下压力，防止堵塞器下压力过大，造成堵塞器失效；

（4）传统的带压底堵为机械式的，随着可降解材料等新型材料在油气田开发的应用，采用带压尾堵在带压作业中实现封堵完井管柱的作用，改变了以前的机械打捞尾堵，易出问题，打捞不上的情况，同时也缩短了施工周期，提高了施工效率；

（5）随着油气田开发的深入进一步探索带压作业技术的应用范围，可以形成比较成熟的带压配合压裂、带压配合侧钻、带压配合酸化、带压配合连续油管作业等工艺技术，在确保了油气井的增产稳产的同时也保护环境，具有巨大的经济效益和社会效益。