海上油田分层注水反洗井技术研究与应用＊

吉 洋 刘 敏 王立苹 杨万有 罗昌华 沈 琼

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300457）

海上油田分层注水反洗井技术研究与应用＊

吉 洋 刘 敏 王立苹 杨万有 罗昌华 沈 琼

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300457）

为了解决海上油田分层注水井管柱结垢、腐蚀，油层污染、堵塞，注水压力上升等问题，结合海上油田注水井地层条件、完井方式和生产管柱型式等特点，研究设计了提升式、液控膨胀式、插入密封式等3种反洗井管柱，进而提出了3种海上油田分层注水反洗井技术。阐述了提升式、液控膨胀式、插入密封式等3种反洗井管柱的设计原则、设计关键点和管柱组成，以及3种海上油田分层注水反洗井技术的技术原理、技术参数和使用条件。现场应用表明，本文提出的3种反洗井注水管柱技术能够在不动注水管柱条件下实施反洗井作业，达到维护注水井井筒、清洗注水管柱、提高分层注水效果的目的，目前已在绥中、渤西、渤中、辽东、蓬莱等作业区取得成功应用，具有较好的推广应用价值。

海上油田；分层注水；管柱；提升式反洗井；液控膨胀式反洗井；插入密封式反洗井

随着海上油田开发的深入，注水井数量及单井配注量不断增加，长期注水开发使污垢、有机沉积、腐蚀物质、杂质等堆积、堵塞注水管柱以及注入地层，使得注水压力上升、注水量降低，严重影响到注水效果，长时间不洗井会出现管柱上提困难，容易造成大修作业，进而增加注水井作业成本［1－4］。注水井洗井是陆地油田日常管理的常规手段之一［5－9］，是保持井筒及附近地层清洁、增强地层吸水能力的经济而有效的办法。海上油田注水井注水管柱不具有洗井功能，如果洗井则须提出管柱，因此海上油田注水井很少进行洗井作业。随着海上油田细分开采、精细开采措施方案的提出，加强注水井井筒管理和维护，提高注水工艺效果显得尤为迫切与重要［10－11］。

针对上述问题，结合海上油田注水井地层条件、完井方式和生产管柱型式等特点，研发设计出了提升式、液控膨胀式、插入密封式等3种适合于海上油田注水井的反洗井管柱，并形成了3种反洗井技术，从而实现了全井筒洗井，解决了油管里注入水滋生杂质被注入地层造成地层堵塞而影响地层注入能力、杂质沉积到油管里影响分层注水钢丝投捞作业而可能导致起管柱作业困难、井筒内腐蚀结垢和插入密封处结垢影响管柱寿命和整个管柱起出作业等问题，提高了海上油田注水开发效果。

1 反洗井管柱设计

1.1 设计原则

鉴于海上油田注水井的复杂性和多样性，在注水井反洗井管柱设计时主要遵循了以下原则：

1）管柱的设计既要满足施工要求，又要使工序简化，达到注水要求与提高实效的目的。

2）优化配套工具，达到工具配套齐全、性能可靠、无洗井短路、摩阻尽量小等要求。

3）分析管柱受力，保证工具的强度要求。

4）保证密封工具的可靠性，实现洗井后可正常分隔各层。

1.2 设计关键点

1.2.1 提升式反洗井管柱

针对出砂严重、生产管柱因经常无法拔动而造成大修作业的防砂完井区块，设计了提升式反洗井管柱，其设计关键点包括：

1）提升装置结构设计。提升装置上部为由键与滑道组成的扭矩传递结构，保证中心管在上下移动过程中可以全程传递扭矩。中心管下部设有由定位卡爪及限位活塞组成的限位机构，当提升装置随管柱一起下井时，提升装置处于最长伸长状态，定位卡爪定位端与下壳体内的定位台肩配合，锁定相对位置，防止提升装置因中心管受向上的力而自然收缩。当需要提升管柱时，通过地面压力控制装置经收缩注压管线对提升装置下腔增压，定位活塞向下移动到一定距离时完全脱离开定位卡爪，同时中心管在压力的作用下向上移动，带动定位卡爪脱离下壳体内的定位台肩，从而带动下部活动管柱上升。当完成作业后，需要恢复管柱至生产状态时，通过地面压力控制装置经下放注压管线向提升装置上腔注入压力向下移动恢复原位。

2）防返吐工作筒结构设计。防返吐工作筒注水时，通过压差打开工作筒的开启阀，形成注水通道；反洗井时弹簧复位关闭注水通道，从而避免洗井短路现象的发生。液控膨胀式和插入密封式反洗井管柱设计均采用此种工作筒。

1.2.2 液控膨胀式反洗井管柱

针对套管完井和防砂完井密封筒失效的注水井，设计了液控膨胀式反洗井管柱，其设计关键点是液控膨胀式封隔器机构设计。正常注水时，地面液压控制柜工作，对整个液控管路进行打压，使封隔器胶筒充分膨胀，从而密封防砂工作筒或套管。洗井作业时，需地面液压控制柜停止工作，并对整个液控管路进行泄压。系统泄压后，膨胀封隔器胶筒在自身弹性力的作用下自动回缩，实现封隔器解封。封隔器胶筒回缩后，注水管柱与套管及防砂井筒之间形成洗井通道。

1.2.3 插入密封式反洗井管柱

1.3 管柱组成

1.3.1 提升式反洗井管柱

提升式反洗井管柱是将提升装置连接在原注水管柱油管挂下20 m左右处，由地面控制器与其上2根液控管线控制其中心管的提、放，实现整体管柱上提、下放，建立洗井通道；防砂段中一个配水工作筒对应一个油层，内径逐级递减并配合相应的配水器，实现分层配注，洗井时关闭注水通道，避免出现洗井短路；管柱底部设有单流阀，注水时相当于圆堵作用，洗井时用于建立反洗通道；管柱中的密封工具实现层间密封分隔。提升式反洗井管柱组成如图1所示。

1.3.2 液控膨胀式反洗井管柱

液控膨胀式反洗井管柱主要由座封控制阀、液控膨胀封隔器、防返吐配水器、可反洗单流阀和液控管线（包括液控管线保护器）等工具组成（图2）。该管柱负责封隔各注水层，建立注水、反洗井通道，实现定量向各地层注水、反洗的功能。

1.3.3 插入密封式反洗井管柱

插入密封式反洗井管柱主要由反洗插入密封工具、防返吐配水器等工具组成（图3），通过液压力与弹簧力实现不动管柱注水、反洗作业转换。在120.65 mm防砂完井注水管柱中，顶部采用152.40 mm反洗定位密封，相邻防砂注水层段之间采用一个120.65 mm反洗井插入密封作为层间封隔，与工作筒连接的注水管柱采用88.90 mm油管。

图2 液控膨胀式反洗井管柱组成Fig.2 Constitution of backwashing strings for the hydraulically－controlled expansion mode

图3 插入密封式反洗井管柱组成Fig.3 Constitution of backwashing strings for the insert sealing mode

2 反洗井技术原理、参数及使用条件

2.1 提升式反洗井技术

2.1.1 技术原理

提升式反洗井技术是通过井下液控提升装置上提、下放整体管柱，达到密封工具与密封筒分离的目的，从而建立洗井通道，实现洗井作业。该技术反洗井原理可以概括为“两过程、两环节”。“两过程”是指整个洗井管柱上提和下放，“两环节”是指洗井和注水。有2根液控管线分别与提升装置上下腔连接，液控管线另一端与地面控制泵的2个出口连接，管柱处于正常注水状态（图4a）。启动地面控制泵，泵的出口往提升装置下腔打压，中心管向上移动，整个洗井管柱上提一段距离，使防砂段内各级插入密封（包括最上定位密封）脱离所在的密封筒，建立防砂管柱和洗井管柱之间的反洗通道，即可进行反洗井作业（图4b）。首先小排量（5 m3/h）正洗，替出套管中保护提升装置的柴油（1 m3），共正洗返出2 m3液体；然后进行大排量（排量视具体情况而定）反洗，返出油管内注入水后，改小排量（5 m3/h）返出防砂段内注入水；最后进行大排量（30 m3/h）反循环洗井，循环洗井2周，直到进口水质与出口水质相同即为合格，返出液体进入生产流程，洗井结束后环空注入1 m3柴油。完成注水井反洗井作业后，使连接提升装置的2根液控管线均处于通路状态，洗井管柱在管柱自重的作用下向下移动，带动提升装置的中心管下移，直至管柱处于重力和摩擦力的平衡状态时不再下移。为确保管柱下放到位，并能回到起初注水状态时所在的位置，启动地面控制泵，为提升装置上腔打低压，之后进行油套环空验封成功，即可进入注水环节。

图4 提升式反洗井技术原理Fig.4 Principle of backwashing technology for the lifting mode

2.1.2 技术参数及使用条件

1）技术参数：洗井通道最小处当量直径为43、49、82 mm，对应注水井防砂完井管柱的最小内通径分别为98.55、101.60、120.65 mm。

2）使用条件：分注层段数≤4；单层最大注入量700 m3/d；适用井斜≤60°；层间压差≤12 MPa。

此技术重点推荐用于出砂及结垢严重的水井。

2.2 液控膨胀式反洗井技术

2.2.1 技术原理

液控膨胀式反洗井技术是通过井下液控膨胀式封隔器胶筒的收缩，达到封隔器胶筒和密封筒形成间隙的目的，从而建立洗井通道，实现洗井作业。该技术由液压控制系统和分层注水管柱2部分组成，其中液压控制系统主要包括地面液压控制柜、座封控制阀、液控管线及管线保护系统，负责为井下分层工具提供安全、持续、稳定的液控压力，使其能够完成座封、解封过程，达到注水、反洗工序切换；而分层注水管柱是在不动管柱前提下通过地面压力控制装置调节控制，完成井下膨胀式封隔器座封、解封，实现管柱的注水、洗井功能。

液控管线打压时，封隔器座封，各注水层间有效隔离实施注水作业；液控管线泄压时，封隔器解封，注水管柱和防砂管柱之间的环空实现贯通，建立反洗通道，即可进行反洗井作业。首先进行大排量（排量视具体情况而定）反洗，返出油管内注入水；然后改小排量（5 m3/h）反洗，返出防砂段内注入水；最后进行大排量（30 m3/h）反循环洗井，循环洗井2周，直到进口水质与出口水质相同即为合格，返出液体进入生产流程，洗井结束。整个过程与油管本身管柱结构无关，不用下入专门座封工具，如图5所示。

图5 液控膨胀式反洗井技术原理Fig.5 Principle of backwashing technology for the hydraulically－controlled expansion mode

2.2.2 技术参数及使用条件

1）技术参数：洗井通道最小处当量直径为39 mm，对应注水井防砂完井管柱的最小内通径为120.65 mm。

2）使用条件：分注层段数≤4；单层最大注入量为700 m3/d；适用井斜≤60°；层间压差≤20 MPa。

2.3 插入密封式反洗井技术

2.3.1 技术原理

插入密封式洗井技术是通过套管注水达到密封工具的外压大于内压，从而打开单流阀，建立洗井通道，实现洗井作业。注水时，反洗插入密封工具、防返吐配水工作筒在注入液体压力的作用下推动各自工具上的活塞，关闭插入密封工具的旁通反洗通道，打开防返吐工作筒旁通注水孔，实施注水作业。反洗时，反洗液由环空进入，当注入液体压力大于反洗开启阀启动压力时，插入密封工具反洗通道打开，防返吐工作筒注水旁通孔在弹簧力及液压力作用下推动活塞关闭通道，反洗液通过环空通道从井底返出，避免了洗井液短路而造成洗井不彻底现象发生，实现了注水井全井筒彻底反洗井作业，如图6所示。其洗井作业与液控膨胀式洗井相同。

图6 插入密封式反洗井技术原理Fig.6 Principle of backwashing technology for the insert sealing mode

2.3.2 技术参数及使用条件

1）技术参数：洗井通道最小处当量直径为50 mm，对应注水井防砂完井管柱的最小内通径为120.65 mm。

2）使用条件：分注层段数≤4；单层最大注入量为700 m3/d；适用井斜≤60°。

3 应用效果

本文研究设计的3种海上油田分层注水反洗井技术已在渤海油田进行了成功应用，均取得了良好洗井效果。据统计，截至2013年12月，提升式反洗井工艺技术在绥中、渤西、渤中、辽东等作业区共应用17口井，完成了28次洗井作业；液控膨胀式反洗井工艺技术已在蓬莱19－3油田成功应用9口井；插入密封反洗工艺技术已在绥中、旅大、渤中等作业区共应用14口井，完成了24次洗井作业。

以提升式反洗井技术在渤海油田A井洗井为例，对洗井作业效果进行分析。表1、图7分别为该井洗井前后的试注数据和吸水指数曲线，可以得出：洗井后各个压力下的注入量均高于洗井前的注入量，说明洗井效果明显；图7中3个0点为洗井时的吸水指数值，0点前后的数值为洗井前后的吸水指数，可见洗井后吸水指数高并且稳定持续时间长，说明洗井效果良好。

表1 渤海油田A井试注对比数据Table 1 Comparison of testing data while injection process in well A，Bohai oilfield

图7 渤海油田A井吸水指数曲线图Fig.7 Diagram of water injectivity index curve in well A，Bohai oilfield

4 结束语

结合海上油田注水井地层条件、完井方式和生产管柱型式等特点，研究设计了提升式、液控膨胀式、插入密封式等3种适合于海上油田注水井的反洗井管柱，进而提出了提升式反洗井技术、液控膨胀式反洗井技术和插入密封反洗井技术。目前本文所提出的3种反洗井技术已在绥中、渤西、渤中、辽东、蓬莱等作业区取得成功应用，具有较好的推广应用价值。

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Research and application of integrated technology for zonal injection and backwashing in offshore oilfields

Ji Yang Liu Min Wang Liping Yang Wanyou Luo Changhua Shen Qiong
（CNOOC EnerTech－Drilling ＆Production Co.，Tianjin300457，China）

To solve the problems occurring in zonal injection wells offshore，such as scaling，corrosion，reservoir damage，blocking and injection pressure increase，three types of backwashing strings for the lifting mode，hydraulically－controlled expansion mode and insert sealing mode were studied and designed in light of the characteristics of the relevant formations，completion method and type of production string etc.of the offshore injection wells.And based on that，three ways for zonal injection and backwashing were put forward.This paper elaborated the design principles，design features and compositions of the tree types of backwashing strings，as well as the technical priciples，parameters and application conditions of the three ways of the integrated technology for zonal injection and backwashing.Field applications indicated that with the new technology backwashing could be conducted without running in or pulling out the injection string.With the technology we can also maintain the injection wellbore，wash injection string，and enhance zonal injection effects.The new technology has been successfully used in Suizhong，Boxi，Bozhong，Liaodong，Penglai，and other blocks with good prospective of further dissemination.

offshore oilfield；zonal injection；pipe string；lifting backwashing；hydraulically－controlled expansion backwashing；insert sealing backwashing

TE5358

A

2014－06－18改回日期：2014－11－19

（编辑：孙丰成）

吉洋，刘敏，王立苹，等.海上油田分层注水反洗井技术研究与应用［J］.中国海上油气，2015，27（2）：87－92.

Ji Yang，Liu Min，Wang Liping，et al.Research and application of integrated technology for zonal injection and backwashing in offshore oilfields［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：87－92.

1673－1506（2015）02－0087－06

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.015

＊“十二五”国家科技重大专项“大斜度定向井可洗井分层注水工艺技术研究（编号：2011ZX05024－002－011）”部分研究成果。

吉洋，男，工程师，2007年毕业于西南石油大学机械工程及自动化专业，现从事海上采油注水工艺研究工作。地址：天津市经济技术开发区第四大街洞庭一街与微山路交口科技发展中心2号楼（邮编：300457）。电话：022－66907208。E－mail：jiyang2＠cnooc.com.cn。