液压换层开关力学特性分析与防砂功能改进

2021-07-29邹远北于昭东李淑芳

石油矿场机械 2021年4期

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。