注水注氣單流閥的研制與應(yīng)用

郭銳鋒

（中國(guó)石化江漢石油工程有限公司井下測(cè)試公司，湖北 武漢430040）

按國(guó)內(nèi)通用的稠油分類標(biāo)準(zhǔn)，塔河油田奧陶系大約有80% 的油藏為特稠油、超稠油油藏，由于儲(chǔ)層埋藏深（一般在5 350.00m以上，屬于超深層油藏），有50% 的原油為超稠油，常規(guī)的熱采方式基本上不適用于塔河油田。為了開發(fā)該油藏，塔河油田通過(guò)近10年的開發(fā)實(shí)踐，摸索出一套以摻稀降粘為主的適合超深超稠油藏的開采工藝，主要是根據(jù)油井自身?xiàng)l件以及現(xiàn)場(chǎng)需要，形成了套摻油采的反摻工藝及油摻套采的正摻降粘工藝，并取得了良好的開采效果。超稠油油藏生產(chǎn)一段時(shí)間后，地層壓力衰竭，無(wú)法摻稀自噴，需注水或二氧化碳降低稠油粘度，增加地層能量，之前的作業(yè)管柱只能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)注氣或摻稀一種作業(yè)，要實(shí)現(xiàn)兩種不同的作業(yè)，需反復(fù)起下作業(yè)管柱。因此，為了在起下一趟管柱時(shí)同時(shí)完成注氣、替油多種作業(yè)，提高開采效率，江漢石油工程有限公司井下測(cè)試公司技術(shù)人員經(jīng)過(guò)科研攻關(guān)，研制出注水注氣單流閥，提供了一種可多次開關(guān)循環(huán)通道，且過(guò)流面積較大的工具。

1 注水注氣單流閥結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

1.1 工具結(jié)構(gòu)

注水注氣單流閥（圖1），最大外徑為130.18mm，內(nèi)孔通徑為61.00mm，總長(zhǎng)度為1 391.44mm，連接螺紋為27／8"TP－JC。

圖1 注水注氣單流閥工具示意圖

1.2 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

1.2.1 液體循環(huán)流動(dòng)設(shè)計(jì)思路

在密封筒上設(shè)計(jì)一個(gè)外循環(huán)孔，在滑動(dòng)芯軸上設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)循環(huán)孔，當(dāng)滑動(dòng)芯軸壓縮彈簧向上滑動(dòng)，使兩個(gè)循環(huán)孔連通時(shí)，環(huán)空內(nèi)流體可以通過(guò)循環(huán)孔進(jìn)入油管內(nèi)，完成液體循環(huán)。

1.2.2 打開、關(guān)閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

1）打開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)的滑動(dòng)芯軸可在第一密封擋圈和下接頭之間移動(dòng)。入井時(shí)注水注氣單流閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)外循環(huán)孔由滑動(dòng)芯軸、兩組密封組件封閉；當(dāng)環(huán)空壓力大于油管內(nèi)壓力時(shí)，滑動(dòng)芯軸受到向上的力，達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，剪斷剪切銷釘，在壓力的作用下將滑動(dòng)芯軸向上推動(dòng)，并壓縮彈簧；當(dāng)內(nèi)循環(huán)孔與外循環(huán)孔連通時(shí)，注水注氣單流閥打開。2）關(guān)閉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。當(dāng)循環(huán)孔打開時(shí)，彈簧處于被壓縮的狀態(tài)，積蓄了彈性勢(shì)能；當(dāng)管柱內(nèi)外壓力相同（無(wú)壓差）或內(nèi)壓力大于外壓力時(shí)，彈簧釋放彈性勢(shì)能，推動(dòng)滑動(dòng)心軸下移，密封件與循環(huán)孔接觸，形成初始密封。管柱內(nèi)正打壓，將滑動(dòng)芯軸向下推回原位，關(guān)閉循環(huán)孔。

1.2.3 橡膠件材料選擇與密封組件設(shè)計(jì)思路

1）橡膠件材料選擇。一方面由于西部油田油氣井較深，井底溫度較高，且含有腐蝕性氣體，橡膠件材料的選擇需考慮耐溫、防腐；另一方面需考慮經(jīng)濟(jì)因素，因此選材時(shí)，選用國(guó)產(chǎn)氟膠密封件，其耐溫可達(dá)177℃。

2）密封組件設(shè)計(jì)思路。密封組件1處為靜密封。為確保密封，將其設(shè)計(jì)為支撐環(huán)、V型圈、O型圈和碳圈的組合。其中，V型圈開口方向與受力方向相反。密封組件2為動(dòng)密封。為保證密封組件在多次開關(guān)后保持密封，將其設(shè)計(jì)為支撐環(huán)、V型圈、O型圈和碳圈的組合，并且每組密封組件均包含向上、向下V型圈，保證密封可靠。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

27／8"單流閥的最大工作壓力為70MPa，最高工作溫度為177℃，額定軸向載荷為800kN，屈服內(nèi)壓為130MPa，外循環(huán)孔過(guò)流面積為2 211mm2，內(nèi)循環(huán)孔過(guò)流面積為2 190mm2，單只剪切銷環(huán)空開啟壓力為3.2MPa。

2 工作原理

環(huán)空壓力上升，當(dāng)內(nèi)外壓差達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，滑動(dòng)芯軸上剪切銷釘被剪斷，滑動(dòng)芯軸壓縮彈簧向上滑動(dòng)，循環(huán)孔打開；當(dāng)內(nèi)外壓差相同或內(nèi)壓力大于外壓力，彈簧推動(dòng)滑動(dòng)芯軸向下滑動(dòng)，循環(huán)孔關(guān)閉?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整剪切銷釘?shù)膫€(gè)數(shù)，設(shè)定不同的打開壓力，共可安裝6顆銷釘。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 注水注氣單流閥開啟、關(guān)閉試驗(yàn)

將試驗(yàn)工裝套入單流閥，連接700型水泥車，模擬環(huán)空打壓，進(jìn)行了5次開啟試驗(yàn)。其中，4次開啟壓力為0MPa，1次開啟壓力顯示2MPa（未安裝剪切銷釘），單流閥開啟正常。采用正打壓方式（模擬注水注氣狀態(tài)），使心軸繼續(xù)下行至單流閥完全關(guān)閉。進(jìn)行關(guān)閉試驗(yàn)5次，泵車快速起壓8～10MPa（管線空間小，起壓快），說(shuō)明單流閥關(guān)閉正常。

3.2 注水注氣單流閥銷釘剪切值試驗(yàn)（氣動(dòng)泵打壓）

單流閥安裝3顆剪切銷釘，模擬反打壓進(jìn)行開啟試驗(yàn)。2輪打壓試驗(yàn)，開啟壓力依次為9.6，10MPa。安裝的銷釘理論剪切值單顆3.2MPa。

3.3 注水注氣單流閥整體水密封性能試驗(yàn)

單流閥經(jīng)過(guò)多次開啟、關(guān)閉試驗(yàn)，整體密封性能良好，關(guān)閉后正打壓60MPa，壓降小于0.2MPa／30min，密封良好。單流閥整體水密封性能符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 注水注氣單流閥整體氣密封性能試驗(yàn)

將試驗(yàn)用絲堵、試壓接頭與27／8"單流閥兩端絲扣進(jìn)行連接，并將試壓管線與試壓接頭進(jìn)行連接，此時(shí)，單流閥內(nèi)滑套呈關(guān)閉狀態(tài)。將單流閥放入試壓水池中進(jìn)行氣密封試驗(yàn)。采用正打壓方式，對(duì)單流閥整體試氣壓，試氣壓分別至30，55.2，60.2MPa，各穩(wěn)壓15min，觀察壓降情況分別為0.1，0.4，0.4MPa，判斷單流閥是否存在泄漏。

3.5 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論

單流閥開啟關(guān)閉動(dòng)作可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求；注水注氣單流閥剪切銷釘剪切值誤差較小，整體水密封性能及氣密封性能均滿足施工要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

TKX－XX井施工層段4 943.80～6 096.00m，地層溫度152℃，作業(yè)目的：下入7"MCHR＋注水注氣單流閥多功能完井管柱，若能摻稀自噴則打開單流閥進(jìn)行摻稀求產(chǎn)；若需向地層注入水或氣，則關(guān)閉單流閥進(jìn)行注水注氣。

施工時(shí)，首先下入7"MCHR封隔器＋注水注氣單流閥一體化完井管柱（圖2）；然后拆封井器，安裝一號(hào)主閥并試壓合格；投Φ28mm鋼球，候球入座，連接管線至采油樹試壓，穩(wěn)壓15min不降，合格。分級(jí)正打壓7，14，17，21MPa，各穩(wěn)壓5min，封隔器坐封；然后反打壓15MPa，穩(wěn)壓30min，無(wú)壓降，驗(yàn)封合格。驗(yàn)封后正打壓至29MPa壓力突降至0MPa，擊落球座；環(huán)空打壓至19 MPa壓力突降至0MPa，打開注水、注氣單流閥。

圖2 注水注氣單流閥多功能完井管柱

5 結(jié)束語(yǔ)

注水注氣單流閥在西北油田分公司采油三廠首次投入使用并獲得成功，截至2015年1月，已在采油二廠等單位應(yīng)用10余井次，施工成功率100%。根據(jù)后期跟蹤，注水注氣單流閥開啟、關(guān)閉操作基本一次成功，多次開關(guān)后密封嚴(yán)密，可以在起下一趟管柱時(shí)完成注氣、替油等多種作業(yè)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，減少了作業(yè)工序，降低了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了開采效率。

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