吉 洋 劉 敏 王立蘋 楊萬有 羅昌華 沈 瓊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300457）

海上油田分層注水反洗井技術(shù)研究與應(yīng)用＊

吉 洋 劉 敏 王立蘋 楊萬有 羅昌華 沈 瓊

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300457）

為了解決海上油田分層注水井管柱結(jié)垢、腐蝕，油層污染、堵塞，注水壓力上升等問題，結(jié)合海上油田注水井地層條件、完井方式和生產(chǎn)管柱型式等特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了提升式、液控膨脹式、插入密封式等3種反洗井管柱，進(jìn)而提出了3種海上油田分層注水反洗井技術(shù)。闡述了提升式、液控膨脹式、插入密封式等3種反洗井管柱的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)和管柱組成，以及3種海上油田分層注水反洗井技術(shù)的技術(shù)原理、技術(shù)參數(shù)和使用條件。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，本文提出的3種反洗井注水管柱技術(shù)能夠在不動(dòng)注水管柱條件下實(shí)施反洗井作業(yè)，達(dá)到維護(hù)注水井井筒、清洗注水管柱、提高分層注水效果的目的，目前已在綏中、渤西、渤中、遼東、蓬萊等作業(yè)區(qū)取得成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

海上油田；分層注水；管柱；提升式反洗井；液控膨脹式反洗井；插入密封式反洗井

隨著海上油田開發(fā)的深入，注水井?dāng)?shù)量及單井配注量不斷增加，長(zhǎng)期注水開發(fā)使污垢、有機(jī)沉積、腐蝕物質(zhì)、雜質(zhì)等堆積、堵塞注水管柱以及注入地層，使得注水壓力上升、注水量降低，嚴(yán)重影響到注水效果，長(zhǎng)時(shí)間不洗井會(huì)出現(xiàn)管柱上提困難，容易造成大修作業(yè)，進(jìn)而增加注水井作業(yè)成本［1－4］。注水井洗井是陸地油田日常管理的常規(guī)手段之一［5－9］，是保持井筒及附近地層清潔、增強(qiáng)地層吸水能力的經(jīng)濟(jì)而有效的辦法。海上油田注水井注水管柱不具有洗井功能，如果洗井則須提出管柱，因此海上油田注水井很少進(jìn)行洗井作業(yè)。隨著海上油田細(xì)分開采、精細(xì)開采措施方案的提出，加強(qiáng)注水井井筒管理和維護(hù)，提高注水工藝效果顯得尤為迫切與重要［10－11］。

針對(duì)上述問題，結(jié)合海上油田注水井地層條件、完井方式和生產(chǎn)管柱型式等特點(diǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)出了提升式、液控膨脹式、插入密封式等3種適合于海上油田注水井的反洗井管柱，并形成了3種反洗井技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了全井筒洗井，解決了油管里注入水滋生雜質(zhì)被注入地層造成地層堵塞而影響地層注入能力、雜質(zhì)沉積到油管里影響分層注水鋼絲投撈作業(yè)而可能導(dǎo)致起管柱作業(yè)困難、井筒內(nèi)腐蝕結(jié)垢和插入密封處結(jié)垢影響管柱壽命和整個(gè)管柱起出作業(yè)等問題，提高了海上油田注水開發(fā)效果。

1 反洗井管柱設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

鑒于海上油田注水井的復(fù)雜性和多樣性，在注水井反洗井管柱設(shè)計(jì)時(shí)主要遵循了以下原則：

1）管柱的設(shè)計(jì)既要滿足施工要求，又要使工序簡(jiǎn)化，達(dá)到注水要求與提高實(shí)效的目的。

2）優(yōu)化配套工具，達(dá)到工具配套齊全、性能可靠、無洗井短路、摩阻盡量小等要求。

3）分析管柱受力，保證工具的強(qiáng)度要求。

4）保證密封工具的可靠性，實(shí)現(xiàn)洗井后可正常分隔各層。

1.2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

1.2.1 提升式反洗井管柱

針對(duì)出砂嚴(yán)重、生產(chǎn)管柱因經(jīng)常無法拔動(dòng)而造成大修作業(yè)的防砂完井區(qū)塊，設(shè)計(jì)了提升式反洗井管柱，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)包括：

1）提升裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。提升裝置上部為由鍵與滑道組成的扭矩傳遞結(jié)構(gòu)，保證中心管在上下移動(dòng)過程中可以全程傳遞扭矩。中心管下部設(shè)有由定位卡爪及限位活塞組成的限位機(jī)構(gòu)，當(dāng)提升裝置隨管柱一起下井時(shí)，提升裝置處于最長(zhǎng)伸長(zhǎng)狀態(tài)，定位卡爪定位端與下殼體內(nèi)的定位臺(tái)肩配合，鎖定相對(duì)位置，防止提升裝置因中心管受向上的力而自然收縮。當(dāng)需要提升管柱時(shí)，通過地面壓力控制裝置經(jīng)收縮注壓管線對(duì)提升裝置下腔增壓，定位活塞向下移動(dòng)到一定距離時(shí)完全脫離開定位卡爪，同時(shí)中心管在壓力的作用下向上移動(dòng)，帶動(dòng)定位卡爪脫離下殼體內(nèi)的定位臺(tái)肩，從而帶動(dòng)下部活動(dòng)管柱上升。當(dāng)完成作業(yè)后，需要恢復(fù)管柱至生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，通過地面壓力控制裝置經(jīng)下放注壓管線向提升裝置上腔注入壓力向下移動(dòng)恢復(fù)原位。

2）防返吐工作筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。防返吐工作筒注水時(shí)，通過壓差打開工作筒的開啟閥，形成注水通道；反洗井時(shí)彈簧復(fù)位關(guān)閉注水通道，從而避免洗井短路現(xiàn)象的發(fā)生。液控膨脹式和插入密封式反洗井管柱設(shè)計(jì)均采用此種工作筒。

1.2.2 液控膨脹式反洗井管柱

針對(duì)套管完井和防砂完井密封筒失效的注水井，設(shè)計(jì)了液控膨脹式反洗井管柱，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)是液控膨脹式封隔器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。正常注水時(shí)，地面液壓控制柜工作，對(duì)整個(gè)液控管路進(jìn)行打壓，使封隔器膠筒充分膨脹，從而密封防砂工作筒或套管。洗井作業(yè)時(shí)，需地面液壓控制柜停止工作，并對(duì)整個(gè)液控管路進(jìn)行泄壓。系統(tǒng)泄壓后，膨脹封隔器膠筒在自身彈性力的作用下自動(dòng)回縮，實(shí)現(xiàn)封隔器解封。封隔器膠筒回縮后，注水管柱與套管及防砂井筒之間形成洗井通道。

1.2.3 插入密封式反洗井管柱

1.3 管柱組成

1.3.1 提升式反洗井管柱

提升式反洗井管柱是將提升裝置連接在原注水管柱油管掛下20 m左右處，由地面控制器與其上2根液控管線控制其中心管的提、放，實(shí)現(xiàn)整體管柱上提、下放，建立洗井通道；防砂段中一個(gè)配水工作筒對(duì)應(yīng)一個(gè)油層，內(nèi)徑逐級(jí)遞減并配合相應(yīng)的配水器，實(shí)現(xiàn)分層配注，洗井時(shí)關(guān)閉注水通道，避免出現(xiàn)洗井短路；管柱底部設(shè)有單流閥，注水時(shí)相當(dāng)于圓堵作用，洗井時(shí)用于建立反洗通道；管柱中的密封工具實(shí)現(xiàn)層間密封分隔。提升式反洗井管柱組成如圖1所示。

1.3.2 液控膨脹式反洗井管柱

液控膨脹式反洗井管柱主要由座封控制閥、液控膨脹封隔器、防返吐配水器、可反洗單流閥和液控管線（包括液控管線保護(hù)器）等工具組成（圖2）。該管柱負(fù)責(zé)封隔各注水層，建立注水、反洗井通道，實(shí)現(xiàn)定量向各地層注水、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組成（圖3），通過液壓力與彈簧力實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱注水、反洗作業(yè)轉(zhuǎn)換。在120.65 mm防砂完井注水管柱中，頂部采用152.40 mm反洗定位密封，相鄰防砂注水層段之間采用一個(gè)120.65 mm反洗井插入密封作為層間封隔，與工作筒連接的注水管柱采用88.90 mm油管。

圖2 液控膨脹式反洗井管柱組成Fig.2 Constitution of backwashing strings for the hydraulically－controlled expansion mode

圖3 插入密封式反洗井管柱組成Fig.3 Constitution of backwashing strings for the insert sealing mode

2 反洗井技術(shù)原理、參數(shù)及使用條件

2.1 提升式反洗井技術(shù)

2.1.1 技術(shù)原理

提升式反洗井技術(shù)是通過井下液控提升裝置上提、下放整體管柱，達(dá)到密封工具與密封筒分離的目的，從而建立洗井通道，實(shí)現(xiàn)洗井作業(yè)。該技術(shù)反洗井原理可以概括為“兩過程、兩環(huán)節(jié)”?！皟蛇^程”是指整個(gè)洗井管柱上提和下放，“兩環(huán)節(jié)”是指洗井和注水。有2根液控管線分別與提升裝置上下腔連接，液控管線另一端與地面控制泵的2個(gè)出口連接，管柱處于正常注水狀態(tài)（圖4a）。啟動(dòng)地面控制泵，泵的出口往提升裝置下腔打壓，中心管向上移動(dòng)，整個(gè)洗井管柱上提一段距離，使防砂段內(nèi)各級(jí)插入密封（包括最上定位密封）脫離所在的密封筒，建立防砂管柱和洗井管柱之間的反洗通道，即可進(jìn)行反洗井作業(yè)（圖4b）。首先小排量（5 m3/h）正洗，替出套管中保護(hù)提升裝置的柴油（1 m3），共正洗返出2 m3液體；然后進(jìn)行大排量（排量視具體情況而定）反洗，返出油管內(nèi)注入水后，改小排量（5 m3/h）返出防砂段內(nèi)注入水；最后進(jìn)行大排量（30 m3/h）反循環(huán)洗井，循環(huán)洗井2周，直到進(jìn)口水質(zhì)與出口水質(zhì)相同即為合格，返出液體進(jìn)入生產(chǎn)流程，洗井結(jié)束后環(huán)空注入1 m3柴油。完成注水井反洗井作業(yè)后，使連接提升裝置的2根液控管線均處于通路狀態(tài)，洗井管柱在管柱自重的作用下向下移動(dòng)，帶動(dòng)提升裝置的中心管下移，直至管柱處于重力和摩擦力的平衡狀態(tài)時(shí)不再下移。為確保管柱下放到位，并能回到起初注水狀態(tài)時(shí)所在的位置，啟動(dòng)地面控制泵，為提升裝置上腔打低壓，之后進(jìn)行油套環(huán)空驗(yàn)封成功，即可進(jìn)入注水環(huán)節(jié)。

圖4 提升式反洗井技術(shù)原理Fig.4 Principle of backwashing technology for the lifting mode

2.1.2 技術(shù)參數(shù)及使用條件

1）技術(shù)參數(shù)：洗井通道最小處當(dāng)量直徑為43、49、82 mm，對(duì)應(yīng)注水井防砂完井管柱的最小內(nèi)通徑分別為98.55、101.60、120.65 mm。

2）使用條件：分注層段數(shù)≤4；單層最大注入量700 m3/d；適用井斜≤60°；層間壓差≤12 MPa。

此技術(shù)重點(diǎn)推薦用于出砂及結(jié)垢嚴(yán)重的水井。

2.2 液控膨脹式反洗井技術(shù)

2.2.1 技術(shù)原理

液控膨脹式反洗井技術(shù)是通過井下液控膨脹式封隔器膠筒的收縮，達(dá)到封隔器膠筒和密封筒形成間隙的目的，從而建立洗井通道，實(shí)現(xiàn)洗井作業(yè)。該技術(shù)由液壓控制系統(tǒng)和分層注水管柱2部分組成，其中液壓控制系統(tǒng)主要包括地面液壓控制柜、座封控制閥、液控管線及管線保護(hù)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為井下分層工具提供安全、持續(xù)、穩(wěn)定的液控壓力，使其能夠完成座封、解封過程，達(dá)到注水、反洗工序切換；而分層注水管柱是在不動(dòng)管柱前提下通過地面壓力控制裝置調(diào)節(jié)控制，完成井下膨脹式封隔器座封、解封，實(shí)現(xiàn)管柱的注水、洗井功能。

液控管線打壓時(shí)，封隔器座封，各注水層間有效隔離實(shí)施注水作業(yè)；液控管線泄壓時(shí)，封隔器解封，注水管柱和防砂管柱之間的環(huán)空實(shí)現(xiàn)貫通，建立反洗通道，即可進(jìn)行反洗井作業(yè)。首先進(jìn)行大排量（排量視具體情況而定）反洗，返出油管內(nèi)注入水；然后改小排量（5 m3/h）反洗，返出防砂段內(nèi)注入水；最后進(jìn)行大排量（30 m3/h）反循環(huán)洗井，循環(huán)洗井2周，直到進(jìn)口水質(zhì)與出口水質(zhì)相同即為合格，返出液體進(jìn)入生產(chǎn)流程，洗井結(jié)束。整個(gè)過程與油管本身管柱結(jié)構(gòu)無關(guān)，不用下入專門座封工具，如圖5所示。

圖5 液控膨脹式反洗井技術(shù)原理Fig.5 Principle of backwashing technology for the hydraulically－controlled expansion mode

2.2.2 技術(shù)參數(shù)及使用條件

1）技術(shù)參數(shù)：洗井通道最小處當(dāng)量直徑為39 mm，對(duì)應(yīng)注水井防砂完井管柱的最小內(nèi)通徑為120.65 mm。

2）使用條件：分注層段數(shù)≤4；單層最大注入量為700 m3/d；適用井斜≤60°；層間壓差≤20 MPa。

2.3 插入密封式反洗井技術(shù)

2.3.1 技術(shù)原理

插入密封式洗井技術(shù)是通過套管注水達(dá)到密封工具的外壓大于內(nèi)壓，從而打開單流閥，建立洗井通道，實(shí)現(xiàn)洗井作業(yè)。注水時(shí)，反洗插入密封工具、防返吐配水工作筒在注入液體壓力的作用下推動(dòng)各自工具上的活塞，關(guān)閉插入密封工具的旁通反洗通道，打開防返吐工作筒旁通注水孔，實(shí)施注水作業(yè)。反洗時(shí)，反洗液由環(huán)空進(jìn)入，當(dāng)注入液體壓力大于反洗開啟閥啟動(dòng)壓力時(shí)，插入密封工具反洗通道打開，防返吐工作筒注水旁通孔在彈簧力及液壓力作用下推動(dòng)活塞關(guān)閉通道，反洗液通過環(huán)空通道從井底返出，避免了洗井液短路而造成洗井不徹底現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了注水井全井筒徹底反洗井作業(yè)，如圖6所示。其洗井作業(yè)與液控膨脹式洗井相同。

圖6 插入密封式反洗井技術(shù)原理Fig.6 Principle of backwashing technology for the insert sealing mode

2.3.2 技術(shù)參數(shù)及使用條件

1）技術(shù)參數(shù)：洗井通道最小處當(dāng)量直徑為50 mm，對(duì)應(yīng)注水井防砂完井管柱的最小內(nèi)通徑為120.65 mm。

2）使用條件：分注層段數(shù)≤4；單層最大注入量為700 m3/d；適用井斜≤60°。

3 應(yīng)用效果

本文研究設(shè)計(jì)的3種海上油田分層注水反洗井技術(shù)已在渤海油田進(jìn)行了成功應(yīng)用，均取得了良好洗井效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2013年12月，提升式反洗井工藝技術(shù)在綏中、渤西、渤中、遼東等作業(yè)區(qū)共應(yīng)用17口井，完成了28次洗井作業(yè)；液控膨脹式反洗井工藝技術(shù)已在蓬萊19－3油田成功應(yīng)用9口井；插入密封反洗工藝技術(shù)已在綏中、旅大、渤中等作業(yè)區(qū)共應(yīng)用14口井，完成了24次洗井作業(yè)。

以提升式反洗井技術(shù)在渤海油田A井洗井為例，對(duì)洗井作業(yè)效果進(jìn)行分析。表1、圖7分別為該井洗井前后的試注數(shù)據(jù)和吸水指數(shù)曲線，可以得出：洗井后各個(gè)壓力下的注入量均高于洗井前的注入量，說明洗井效果明顯；圖7中3個(gè)0點(diǎn)為洗井時(shí)的吸水指數(shù)值，0點(diǎn)前后的數(shù)值為洗井前后的吸水指數(shù)，可見洗井后吸水指數(shù)高并且穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，說明洗井效果良好。

表1 渤海油田A井試注對(duì)比數(shù)據(jù)Table 1 Comparison of testing data while injection process in well A，Bohai oilfield

圖7 渤海油田A井吸水指數(shù)曲線圖Fig.7 Diagram of water injectivity index curve in well A，Bohai oilfield

4 結(jié)束語

結(jié)合海上油田注水井地層條件、完井方式和生產(chǎn)管柱型式等特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了提升式、液控膨脹式、插入密封式等3種適合于海上油田注水井的反洗井管柱，進(jìn)而提出了提升式反洗井技術(shù)、液控膨脹式反洗井技術(shù)和插入密封反洗井技術(shù)。目前本文所提出的3種反洗井技術(shù)已在綏中、渤西、渤中、遼東、蓬萊等作業(yè)區(qū)取得成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)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

（編輯：孫豐成）

吉洋，劉敏，王立蘋，等.海上油田分層注水反洗井技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)海上油氣，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”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大斜度定向井可洗井分層注水工藝技術(shù)研究（編號(hào)：2011ZX05024－002－011）”部分研究成果。

吉洋，男，工程師，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事海上采油注水工藝研究工作。地址：天津市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第四大街洞庭一街與微山路交口科技發(fā)展中心2號(hào)樓（郵編：300457）。電話：022－66907208。E－mail：jiyang2＠cnooc.com.cn。