新型防返吐分层配水工作筒研制及应用

王现锋， 张磊， 王良杰， 毛庆凯， 杨万有， 张凤辉， 王立苹

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

0 引言

海上油田分层注水技术主要分布于渤海海域[1-6]，截至2016年1月，渤海油田共计拥有注水井500余口，其中仅空心集成分层注水工艺现场实施高达225口井，但该工艺不具备洗井功能使得注水管柱结垢、腐蚀严重，油层污染、堵塞、注水压力上升等问题时常出现，严重影响分注井注水质量、投捞测配成功率及分注合格率[7-8]，极大制约油田开发效果。此外，原有“空心集成”分层配注技术不具备防返吐功能，使得地层配注液容易返回注水管道，影响配注效果和注水时效[9-10]。

基于以上问题，在空心集成分层注水工艺技术研究基础之上进行管柱优化设计及配套工具设计，研发了一种新型防返吐分层配水工作筒，解决以上技术问题以实现大井斜、单层大配注量的细分层注水要求，依此设计的配水器工作筒结构简单，密封可靠；具有防返吐功能，避免层间压差造成返吐现象产生；可实现不动注水管柱下的反洗井作业，实现反洗液从井底返出，彻底清洗井筒[11-15]。

1 技术分析

1．1 结构组成

新型防反吐分层配水工作筒（图1所示），主要用于海上油田防砂完井注水井反洗工艺管柱。由定位筒总成、大弹簧、弹簧护套、移动套、上工作筒总成、中心管、小弹簧、活塞、密封筒外套、密封模块、密封模块隔环、定位套、方形键、下工作筒总成、下连接套等组成。其整体结构简单，密封可靠，是反洗井注水管柱关键配套工具之一。在整个注水管柱中它的作用是封隔分注层段，建立注水、反洗通道；通过弹簧力、液压力控制开关，实现注水、反洗通道开关切换，此外还具有防返吐功能。新型防反吐分层配水工作筒工具是精细化分层注水、反洗功能有效实施的关键。

1．2 工作原理

1）正常分层注水时，注入水从中心管流过，管内油压大于套压，装配在上工作筒总成外的移动套受到上行力的作用向上移动，推动弹簧护套上移，使大弹簧处于预紧状态；与此同时，装配在下工作筒总成外的移动套受到下行力的作用向下移动，推动弹簧护套下移，使大弹簧处于预紧状态，反洗通道进水口关闭，空心集成可反洗工作筒外部实现层间封隔，内部注入水单向流动，进行分层注水作业。正常注水停注时，在地层压力和弹簧力共同作用下，移动套移动复原关闭注水通道，防止返吐现象的发生。

2）反洗井时，注入水从管柱环空进入，套压大于油压，空心集成可反洗工作筒活塞上行，弹簧处于压缩状态，反洗通道进水口动态打开，反洗液绕过密封模块，进入反洗通道，在空心集成可反洗工作筒内旁通道进入环空，最终洗井液从井底经油管内腔返至地面，实现反洗井作业。

1．3 技术特点

1）配水工作筒注水时能封隔注水层段，建立分层注水通道；停注时，在弹簧力、液压力作用下，注水通道自动关闭，避免地层液体返入注水管道，具有防返吐功能；

2）配水工作筒具有反洗通道，可实现在不动注水管柱的情况下进行反洗井作业，可降低反洗井成本，缩短施工周期。

3）配水工作筒反洗阀开启压力小，仅为0.3 MPa，便于开启。

图1 空心集成可反洗工作筒结构示意图

2 室内试验

为验证工具的可行性，发现设计过程中存在的问题，为完善工具设计提供依据，确保工具各项性能指标满足使用要求，分别开展了工具整体密封性实验及工作筒和配水器芯子配合密封性试验、可反洗工作筒本体密封模块和反洗阀密封性试验、反洗阀开启压力试验及“反洗排量-压力”关系等室内试验。

2．1 工具整体密封性实验及工作筒和配水器芯子配合密封性检验

图2 整体密封性试验工装示意图

1～3级可反洗工作筒分别装上匹配的配水器芯子（所有嘴眼均装上死堵），可反洗空心集成工作筒上接头接3-1/2"NUP试压接头，下接头接3-1/2"NUB堵头（如图2、图3所示），打压至20 MPa,稳压5 min，检查工具整体密封性及工作筒和配水器芯子配合的密封性。

图3 整体密封性试验工装实物图

图4 稳压曲线图

经试验，由稳压曲线图4可以看出，工具整体密封性良好，1、2、3级可反洗工作筒与对应配水器芯子配合密封性良好，满足设计要求。

2．2 可反洗工作筒本体密封模块和反洗阀密封性检验

可反洗空心集成工作筒上接头接3-1/2"NUP堵头，下接头放空。将可反洗空心集成工作筒插入密封筒内，密封筒上、下接头各接5-1/2"试压接头，要求上试压接头放空，下试压接头打压至20 MPa（如图5所示）。在上试压接头处观察是否有渗漏液，若无渗漏液，说明本体密封模块和反洗阀的密封性能良好。

图5 可反洗工作筒本体密封模块和反洗阀密封性工装示意图

图6 压力表稳压示数

依次将装有对应配水器芯子的可反洗空心集成工作筒插入475密封筒工装内打压试验，分别打压5、10、15、20 MPa（如图6所示），各稳压5 min，密封筒下接头均无液体泄漏且均无压降现象发生，说明各级工作筒密封模块和反洗阀密封性能良好，试验取得理想效果，满足设计要求。

2．3 反洗阀开启压力实验及“反洗排量-压力”关系实验

可反洗空心集成工作筒上接头接3-1/2"NUP堵头，下接头放空。将可反洗空心集成工作筒插入475密封筒，密封筒上、下接头各接5-1/2"试压接头，475密封筒下试压接头放空（如图7所示），上试压接头打压，缓慢提高压力，待压力突然下降，反洗阀开启，注意记录反洗阀的开启压力。多次进行反洗阀开启实验，记录反洗阀的开启压力。

小排量起泵，确认反洗阀开启后，逐渐增大泵的排量，观察反洗排量与压力之间的变化关系。

图7 反洗阀开启压力工装示意图

图8 反洗阀开启压力表示数

图9 密封筒试压接头液体流出

经试验，反洗阀在较小压差下即可打开，大小约为0.3 MPa（如图8所示）,密封筒下试压接头有液体流出（如图9所示），说明反洗阀打开后液体绕过工作筒密封模块到达下端从下试压接头流出；并且随着反洗排量的增大压力基本不变，由此表明设计工具的各项性能指标基本满足使用要求。

3 现场应用情况

新型防返吐配水工作筒先后在绥中36-1、旅大10-1、渤南29-4和渤南34-1油田现场实施共计22口井，有效清洗了管柱及防砂段内的脏物，延长水井酸化有效期，从而缓解了注水井结垢、腐蚀等不利影响，有效保护了注水井管柱。该工艺的成功实施，实现了在完全不动井下管柱的情况下，对防砂段附近垢及污泥等杂质进行大排量冲洗，可有效减少水井解堵次数，延长解堵有效期，在渤海油田具有广阔的应用前景。

4 结语

1）新型防返吐分层配水工作筒注水时能封隔注水层段，建立分层注水通道；停注时，在弹簧力、液压力作用下，注水通道自动关闭，避免地层液体返入注水管道，具有防返吐功能，兼具层间验封功能。

2）新型防返吐分层配水工作筒具有反洗通道，不改变现有测试和调配工艺，在原有正常注水、调配测试的基础上，实现不动注水管柱下的反洗井作业，降低反洗井成本，缩短施工周期。

3）新型防返吐分层配水工作筒反洗阀启动压力低（套、油环空压差0.2～0.5 MPa即可打开反洗通道），且密封可靠性高，采用合金和橡胶双重密封。

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