鄒遠(yuǎn)北,于昭東,李淑芳,李 鵬,孟 永

(1.中石化勝利油田分公司 臨盤采油廠，山東 德州251507; 2.中石化勝利油田分公司 石油工程技術(shù)研究院， 山東 東營(yíng) 257068)

單獨(dú)開采油井的1個(gè)油層，油井產(chǎn)能不能充分發(fā)揮，油井多層合采是提高油井產(chǎn)量的一般做法，但不同油層的壓力、產(chǎn)液物性不匹配，存在層間干擾問(wèn)題。不動(dòng)管柱換層開采技術(shù)，利用井下?lián)Q層開關(guān)，打開或關(guān)閉井下某一層的生產(chǎn)通道，自動(dòng)或人為控制開采某一油層，臨時(shí)關(guān)閉的油層壓力可以得到一定平衡或恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)油層輪流開采。

換層技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)方法，可以利用不同層位的壓力對(duì)活塞的作用力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打開壓力高層位的通道[1]。液壓換層采油技術(shù)在停井狀態(tài)下通過(guò)油套環(huán)空加壓，推動(dòng)液壓換層開關(guān)活塞，實(shí)現(xiàn)通道的開關(guān)[2-3]；采用油套環(huán)空脈沖式加壓，換層開關(guān)電路對(duì)脈沖壓力信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，開關(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng)換向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)換向[4]，實(shí)現(xiàn)高含水油井的分層測(cè)試。

換層開關(guān)可靠換向是換層工藝能否實(shí)施的關(guān)鍵[5]。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中液壓換層開關(guān)出現(xiàn)換層失敗的情況，研究分析發(fā)現(xiàn)井筒砂粒沉降在換層開關(guān)的活塞處，活塞移動(dòng)受阻[6]是造成換向失敗的主要原因之一。為了提高液壓換層采油技術(shù)適應(yīng)性，開展了防砂型液壓換層采油技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了沉砂型液壓換層管柱，優(yōu)化液壓換層開關(guān)結(jié)構(gòu)，避免了砂粒卡換向活塞，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得明顯效果。

1 工具改進(jìn)

1.1 液壓換層開關(guān)增加防砂功能

液壓換層開關(guān)主要由上接頭、軌道、轉(zhuǎn)環(huán)銷釘、上殼體、分流體、篩管、下殼體、彈簧，下接頭，進(jìn)液口，大活塞和小活塞組成[7]，如圖1～2；軌道左端設(shè)計(jì)有長(zhǎng)軌道和短軌道，右端設(shè)計(jì)有換向軌道[8-9]，如圖3所示。

1-上接頭；2-軌道；3-上殼體；4-轉(zhuǎn)環(huán)銷釘；5-分流體；6-篩管；7-進(jìn)液口；8-大活塞；9-下殼體；10-小活塞；11-彈簧；12-下接頭。

圖3 防砂型液壓換層開關(guān)換層軌道

上殼體內(nèi)徑大于下殼體內(nèi)徑，分流體在上、下殼體內(nèi)的橫截面積不同，類似于大活塞和小活塞，形成面積差，油套環(huán)空加液壓，推動(dòng)分流體壓縮彈簧下行，轉(zhuǎn)環(huán)銷釘在軌道引導(dǎo)下由A到達(dá)軌道換向點(diǎn)B，直至最下端C。液壓下降后，彈簧力克服液壓力，推動(dòng)分流體上行，轉(zhuǎn)環(huán)銷釘進(jìn)入短軌道最上端D，同時(shí)分流體密封圈處在進(jìn)液孔下方，如圖1所示，進(jìn)液口與對(duì)應(yīng)的油層處于導(dǎo)通狀態(tài)；再次在油套環(huán)空加液壓，重復(fù)如上過(guò)程，轉(zhuǎn)環(huán)釘銷再次到達(dá)軌道最下端，液壓下降后，銷釘進(jìn)入長(zhǎng)軌道最上端，此時(shí)分流體密封圈處在進(jìn)液孔上方，如圖2所示狀態(tài)，進(jìn)液口關(guān)閉。

圖2 防砂型液壓換層開關(guān)(關(guān)閉狀態(tài))

與原來(lái)的液壓換層開關(guān)相比，防砂型液壓換層開關(guān)在進(jìn)液孔外設(shè)計(jì)濾砂網(wǎng)，阻擋地層砂進(jìn)入開關(guān)內(nèi)部；另外，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，新設(shè)計(jì)殼體上的進(jìn)液口正對(duì)開關(guān)內(nèi)分流體的進(jìn)液口，這個(gè)結(jié)構(gòu)減少產(chǎn)出液繞流導(dǎo)致砂子沉降。

1.2 沉砂器

油井正常生產(chǎn)時(shí)，砂子隨液流運(yùn)動(dòng)[10]。油井停止生產(chǎn)或液流速度不足以攜帶砂子向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，砂子沉降，其沉降的方向基本上是豎直向下的，按照這個(gè)自然規(guī)律，在砂子沉降的途徑上設(shè)計(jì)接納沉降砂粒的空間，避免砂粒沉降到換向開關(guān)其它部位。

沉砂器主要由上下接頭、頂帽、外管、內(nèi)管等組成。內(nèi)管為生產(chǎn)、換層時(shí)提供液流通道，液體經(jīng)下接頭、內(nèi)管內(nèi)部、從頂帽側(cè)孔繞流至上部油管內(nèi)部，如圖4箭頭所示。內(nèi)外管環(huán)空為沉降空間，停泵時(shí)上部砂粒沉降至環(huán)空。

1-上接頭；2-頂帽；3-外管；4-沉降砂粒；5-內(nèi)管；6-下接頭。

2 換層開關(guān)力學(xué)特性分析

2.1 換層開關(guān)受力分析模型

換層開關(guān)進(jìn)行換向時(shí)，由油套環(huán)空加液壓，液壓作用在分流體的大柱塞、小柱塞及其端面上，其下行受力分析簡(jiǎn)圖如圖5。

圖5 換層開關(guān)下行受力分析簡(jiǎn)圖

圖5中，大活塞液壓力與其截面積和液壓力相關(guān)，即：

(1)

式中：F1為大活塞受到的向下液壓力，N;D1為大活塞直徑，可由上殼體內(nèi)徑計(jì)算，m;p1為換層開關(guān)上部壓力，Pa。

小活塞液壓力按相似公式計(jì)算：

(2)

式中：F2為小活塞受到的向上液壓力，N;D1為小活塞直徑，可由下殼體內(nèi)徑計(jì)算，m;p1為換層開關(guān)下部壓力，Pa。

分流體內(nèi)部有橋式過(guò)流結(jié)構(gòu)，連通了其上部和下部空間，也就是換層開關(guān)上部與下部始終是連通的，忽略通過(guò)分流體的壓力損失，上下壓力相等，p1=p2。上下壓力相等是式(1)和式(2)可以用殼體內(nèi)徑計(jì)算活塞受力截面積的原因。

環(huán)形截面積是大、小活塞面積差，其液壓力為：

(3)

式中：F3為環(huán)形截面受到的向上液壓力，N;p3為進(jìn)液口壓力，Pa。

推動(dòng)大、小活塞向下運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)環(huán)銷釘在軌道引導(dǎo)向下運(yùn)動(dòng)的合力：

Fd=F1-F2-F3-Fs-Ff1-Ff2

(4)

式中，F(xiàn)d為向下運(yùn)動(dòng)的合力，N；Fs為彈簧力，N;Ff1為大活塞受到的摩擦力，N;Ff2為小活塞受到的摩擦力，N。

當(dāng)Fd>0時(shí)，分流體能夠向下運(yùn)動(dòng)。

彈簧力由胡克定律計(jì)算：

Fs=kx

(5)

式中：x為彈簧壓縮量,m;k為彈簧倔強(qiáng)系數(shù)，N/m。

與分析下行換向受力相似，建立推動(dòng)大、小活塞向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)環(huán)銷釘沿軌道上行的合力：

Fu=F1-F2-F3-Fs+Ff1+Ff2

(6)

式中：Fu為向上運(yùn)動(dòng)的合力，N。

當(dāng)Fu<0時(shí)，分流體能夠向上運(yùn)動(dòng)。

由式(4)和(6)可知，大、小活塞摩擦力，始終是影響活塞運(yùn)動(dòng)的阻力。正常情況下，F(xiàn)f1和Ff2都較小，忽略不計(jì)。在換層開關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸已定的情況下，換向取決于活塞上施加的壓力。如果有砂子進(jìn)入殼體與活塞、密封圈之間，造成砂卡，其摩擦力將大幅度上升[11]，并且不可預(yù)測(cè)，難以清除[12]，造成活塞向上或向下運(yùn)動(dòng)受阻。

2.2 換層開關(guān)受力敏感性分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

按照換層開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理，初始狀態(tài)下，2個(gè)換層開關(guān)一開一關(guān)，例如上層開、下層關(guān)。油套環(huán)空加壓進(jìn)行換向操作時(shí)，2個(gè)換層開關(guān)都進(jìn)行了開關(guān)動(dòng)作，變?yōu)樯蠈雨P(guān)、下層開。

2個(gè)換層開關(guān)，按照各自下入深度，油層壓力，設(shè)置換向所需壓力，在油套環(huán)空打壓時(shí)，同步實(shí)現(xiàn)換向動(dòng)作。如果大、小活塞發(fā)生砂卡，摩擦力發(fā)生變化，將顯著影響換層動(dòng)作所需壓力，2個(gè)換層開關(guān)不能同步，造成換向失敗。

某井設(shè)置2個(gè)換層開關(guān)，下入深度分別是1 565 m和1 603 m，參數(shù)如表1。

表1 換層開關(guān)參數(shù)

根據(jù)式(1)～(2)，計(jì)算換向時(shí)施加的壓力p1，如表2。

表2 油井壓力參數(shù)與換層開關(guān)受力

在忽略大、小活塞摩擦力時(shí)，換向壓力分別為22.0 MPa和22.3 MPa，換層器相距38 m，在井口套壓升壓時(shí)，2個(gè)換層開關(guān)可以同步達(dá)到換向。

在假設(shè)砂卡造成大、小活塞摩擦力為1 000 N時(shí)，換向壓力升高了3 MPa，分別為25.0 MPa和25.3 MPa。如果仍以22 MPa施加換向壓力，不能實(shí)現(xiàn)換向。

如果2個(gè)換向開關(guān)只有1個(gè)砂卡，仍以22 MPa施加換向壓力，會(huì)造成一個(gè)換向了，另外一個(gè)沒(méi)換向，造成換向錯(cuò)亂。

可以對(duì)換層開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以應(yīng)對(duì)砂卡的影響。適當(dāng)優(yōu)化大、小活塞直徑差，可以獲得合適的液壓作用力；調(diào)整彈簧倔強(qiáng)系數(shù)，改變上行力。結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以克服輕微砂卡造成的影響，但砂卡較嚴(yán)重時(shí)就會(huì)造成換向故障。

由此可見(jiàn)，大、小活塞摩擦力是造成換向失敗的重要影響因素。采用防止砂粒進(jìn)入活塞和密封圈間隙，消除或減小摩擦力，是保障換層開關(guān)按設(shè)計(jì)的換向液壓力實(shí)現(xiàn)換向的關(guān)鍵。

3 沉砂型液壓換層管柱

管柱由防砂型液壓換層開關(guān)、Y441型封隔器、Y341型封隔器、沉砂器、丟手等配套工具組成。

3.1 工藝原理

1) 管柱下入。將管柱下入井內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖6所示，油管內(nèi)加液壓坐封Y441型和Y341型封隔器[13]，繼續(xù)升壓直至壓力突降，實(shí)現(xiàn)丟手，下入泵掛管柱，即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)某一層。

圖6 防砂型液壓換層采油管柱

2) 液壓換層。換層生產(chǎn)時(shí)，套管內(nèi)加液壓，液壓作用在換層開關(guān)的活塞上，推動(dòng)活塞移動(dòng)，打開或者關(guān)閉所在油層的通道。

3) 換層開關(guān)進(jìn)液口處濾砂管阻擋大顆粒地層砂進(jìn)入開關(guān)內(nèi)部，進(jìn)入開關(guān)內(nèi)部的粉細(xì)砂可隨液流舉升至地面；停泵時(shí)粉細(xì)砂沉降，到達(dá)沉砂器時(shí)，進(jìn)入接砂環(huán)空，避免砂子進(jìn)入換層開關(guān)內(nèi)部。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

1) 實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱換層采油。

2) 檢泵時(shí)，只需要提出泵掛管柱即可。

3) 換層簡(jiǎn)單方便，套管打液壓即可實(shí)現(xiàn)更換采油層。

4) 工作溫度≤150 ℃。

5) 沉砂型液壓換層管柱可以與分層擋砂管柱配套使用[14-15]。

4 工程應(yīng)用

2018年以來(lái)，沉砂型液壓換層采油技術(shù)在臨盤油田臨58、盤一、盤二等斷塊油藏應(yīng)用10口井，換層成功率90%，比配套前提升23%，提升了管柱對(duì)井筒砂粒適應(yīng)性。

以P1-2井為例，生產(chǎn)井段1 575.2～1 741.8 m，共13個(gè)小層，油層厚度共28.4 m，油層輕微出砂，合采生產(chǎn)時(shí)日產(chǎn)液13.7 t/d，日產(chǎn)油0.8 t/d，含水95.3%，動(dòng)液面854 m。產(chǎn)液剖面資料顯示該井層間動(dòng)用不均衡，為加強(qiáng)次動(dòng)層動(dòng)用，應(yīng)用液壓換層采油技術(shù)。

將1 575.2～1 587.8 m的3個(gè)小層合采，1 684.1～1 741.9 m的10個(gè)小層合采。應(yīng)用沉砂型液壓換層采油管柱，換層開關(guān)1下入深度1 565 m，換層開關(guān)2下入深度1 603 m。2018-08開井，生產(chǎn)上層日產(chǎn)液11.5 t/d，日產(chǎn)油2.9 t/d，含水75%，油井產(chǎn)液含水大幅度下降。為測(cè)試下部層位產(chǎn)液情況，進(jìn)行換層操作，換層后日產(chǎn)液9.8 t/d，日產(chǎn)油0.3 t/d，含水97.0%。根據(jù)換層生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以看出，上層含水較低，適合生產(chǎn)，因此在下層生產(chǎn)15 d后，通過(guò)套管加液壓，更換到上層生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1)液壓換層開關(guān)力學(xué)特性研究與受力分析表明，大、小活塞摩擦力異常增大是造成換向失敗的原因，產(chǎn)出液攜帶的砂粒在活塞間隙的沉積是造成摩擦力增大的主要因素之一。

2)通過(guò)優(yōu)化液壓換層開關(guān)結(jié)構(gòu)，設(shè)置濾砂網(wǎng)和沉砂器，避免砂粒在活塞間隙沉積，能夠提高液壓換層開關(guān)對(duì)產(chǎn)出液含砂的適應(yīng)性，避免砂卡，提高換層成功率。