多功能防砂專用地面流程轉換裝置的研制與應用

張冰洋鄭 鐸魏慶彩武明鳴李 鵬劉海洲

（1.中石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257000；2.華北油田公司第四采油廠，河北廊坊 065000）

多功能防砂專用地面流程轉換裝置的研制與應用

張冰洋1鄭 鐸1魏慶彩1武明鳴1李 鵬1劉海洲2

（1.中石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營 257000；2.華北油田公司第四采油廠，河北廊坊 065000）

目前防砂作業井口裝置沒有流程轉換功能，礫石充填和循環洗井工序之間轉換時間長，易造成循環通道砂堵，為解決該問題，研制了多功能專用地面流程轉換裝置。該裝置由井口滑動系統、正反循環系統、調節系統系統成。通過對主要部件強度的計算及樣機試壓試驗，驗證了該裝置可以實現地面管線流程的便捷轉換，此外，該裝置通過滑動密封部件還能實現施工過程中提放管柱的功能。在勝利油田現場推廣應用該裝置近百井次，均獲得一次性成功，表現出了良好的可操作性，具有較好的推廣應用前景。

多功能；防砂；流程轉換裝置

目前使用的防砂作業井口裝置在進行充填防砂作業過程中存在以下兩方面問題：一是不具備地面流程轉換功能，需要通過人工倒管線，工序繁瑣；二是無法滿足在充填過程中提放管柱的要求，限制了部分防砂工具的使用。為此，針對油井防砂施工作業特點，從結構上進行優化，研制了多功能防砂專用地面流程轉換裝置，有效解決了上述問題。

1 多功能防砂專用地面流程轉換裝置

1.1 結構

多功能防砂專用地面流程轉換裝置由井口滑動系統、正反循環系統、調節系統組成，結構見圖1。

圖1 多功能防砂專用地面流程轉換裝置結構示意圖

1.2 工作原理

井口滑動系統由提升短節、滑管、密封管、油管短節組成，其工作原理是：使用高壓自封對管柱進行密封，可以不動井口對井內管柱進行上提或下放操作。

正反循環系統由外套總承、油管閥門和—套管閥門組成。正循環時關閉閥門15、18，由閥門16處進液，通過井下工具循環通道經油套環空，由閥門17出液；反循環時關閉閥門15，17，打開閥門18，液體由閥門16進入，經過過液接頭流入油套環空，通過井下工具循環通道進入油管，再通過裝置過液接頭，由閥門18出液，建立循環。

調節系統由活塞套、密封件、調節螺母、活塞組成，通過調節螺母來調整裝置進液口和出液口的水平和徑向位置，使裝置與硬管線連接，調節方便快捷。

1.3 技術特點

（1）通過閥門控制液流方向，解決了井口倒管線問題，井口不排放液流，實現不動管線的正反循環流程轉換。

（2）井口滑動系統施工時提、放管柱與井口連接的進液和出液管線無關，不影響井口施工，極大地方便了井口操作。

（3）調節系統采用可調節式螺旋千斤頂使井口安裝快捷簡便，便于調整。

（4）該裝置具有排空功能，洗井前通過閥門控制進行管線排空，清除多余充填砂和攜砂液。

1.4 技術參數

工作壓力25 MPa，強度試壓35 MPa，過液通道面積大于30 cm2。

2 室內試驗

2.1 強度計算

為了滿足各類防砂充填施工的需要，按照工作壓力p1=2.5 kN/cm2，強度試壓p2=3.5 kN/cm2的條件，對裝置提升短節盲板剪切力、絲扣承載能力、活塞止退臺階抗剪強度進行計算。

2.1.1 提升短節盲板剪切力 盲板受剪切面積

式中，d1為?73mm油管內徑，cm；h為盲板厚度，cm。

盲板受力

盲板材料選用調質硬度為HB250-27的45#鋼，則盲板許用剪切強度

式中，Rm為調質硬度為HB250-27的45#鋼的抗拉強度，kN/cm2；nτ為剪切安全系數。

強度試壓時實際盲板剪切強度

2.1.2 絲扣承載能力 強度試壓時作用于法蘭上部負荷，其中法蘭外徑D=16 cm，內徑d2=7.3 cm，選擇絲扣M160×3，H=8 cm，則

內螺紋剪斷力

式中，m為螺牙根部寬度，cm；d3為內螺紋公稱直徑，cm；k1為外螺紋強度安全系數；δb為許用剪切強度，kN/cm2。

外螺紋剪斷力

式中，m為螺牙根部寬度，cm；d4為外螺紋公稱直徑，cm；k2為外螺紋強度安全系數；δb為許用剪切強度，kN/cm2。

則螺紋參數為M160×3，H=8 cm時，QH=846.44 kN 、QH'=733.58 kN，均大于556.95 kN，滿足承載能力需要。

2.1.3 活塞止退臺階抗剪強度 已知活塞直徑D2=8.7 cm，臺階寬H=0.5 cm，則承載面積為S=13.6 cm2，剪切負荷

臺階抗剪負荷

則止退臺階寬度設置為0.5 cm時，F=353.60 kN＞F= 207.96 kN，滿足裝置工作需要。

2.2 試壓試驗

試壓目的：試驗系統整體承壓能力和調節系統部分的密封及耐壓強度。

試壓步驟：首先關閉所有閥門，從裝置油管短節下部打壓。壓力由0 MPa→5 MPa→10 MPa→15 MPa→20 MPa→25 MPa→30 MPa→35 MPa，各階段停止2 min，觀察有無漏點，當壓力升至35 MPa后穩壓5 min不降為合格。整體試壓完成后，滑動活塞，轉動調節螺母，各部件轉動靈活，無卡阻。

從試驗情況看，該多功能井口能夠滿足各種充填工具的工藝要求，各項指標均達到試驗要求。

3 現場應用

3.1 施工步驟

（1）井口安裝。當充填管柱下入后，將轉換裝置吊起，使油管短節與井下充填管柱相連，下放轉換裝置，使大四通法蘭（或上法蘭）坐于井口法蘭上，上好螺栓即可。

（2）坐封。此步驟適用于封隔式充填工具，投球后根據防砂工具操作規程使封隔器坐封。

（3）驗封。繼續升壓至驗封壓力，并觀察套管閥門是否返液，不返液為合格。

（4）丟手。上提管柱使井口指針表指示負荷大于井下管柱原懸重20～30 kN，正轉提升短節，使封隔式充填工具丟手。

（5）地層充填。由外套總承進液口打砂漿，砂漿經環形空間經過充填工具轉換孔進入充填工具內，再經充填工具的充填口擠入地層。

（6）循環充填。上提提升短節一定距離（其距離根據充填工具結構要求），使工具循環通道打開，此時進行循環充填，砂漿經充填工具—篩套環空—篩管—充填工具循環通道—油套環空—井口套管閥門流至污水池。

（7）反洗。上提提升短節，使井下管柱上移至充填工具充填孔露出，由套管閥門泵入液體，通過充填工具反洗通道進行反洗井，洗凈管內多余礫石，充填完成。

（8）起工具投產。卸開井口法蘭，卸掉轉換裝置的油管短節與井下充填管柱的連接頭即可起出井下充填管柱，再實施下一步投產措施。

3.2 應用情況

該裝置在勝利油田現場推廣應用近百井次，均獲得一次性成功，同時節約了施工時間和勞力，平均單井可以節約施工時間近2 h，施工安全、簡單、易操作，應用效果良好。

4 結論

（1）多功能專用地面流程轉換裝置可以實現防砂施工過程中各工序的快捷轉換，滿足各種充填工具操作的需要，不動井口進行防砂擠壓充填、循環充填和反洗施工，提高了防砂施工效率。

（2）該裝置安裝便捷、安全、環保、可靠，能夠有效降低勞動強度，減少施工事故率，具有良好的推廣應用前景。

［1］羅英俊，萬仁溥.采油技術手冊（3版）［M］ .北京：石油工業出版社，2005-03.

［2］張軍，楊忠清，于順明，等.新型井口裝置—— ST鎖緊式套管頭的應用［J］.石油鉆采工藝，1997，19（2）：26-30.

［3］成大先.機械設計手冊（第1卷）［M］ .北京：化學工業出版社，2008-04.

（修改稿收到日期 2013-12-10）

〔編輯 景 暖〕

Development and application of specific multifunctional ground flow transformation apparatus

ZHANG Bingyang1,ZHENG Duo1,WEI Qingcai1,WU Mingming1,LI Peng1,LIU Haizhou2
（1.Research Institute of Oil Production Technology of Sinopec Shengli Oilfield Company,Dongying257000,China;2.The Fourth Oil Plant of Huabei Oil field Co.,Langfang065000,China）

As the sand control operation well head has no function of flow transformation,the time used for gravel fill and circulation well washing is quite long,and circulation channel may be blocked by sand easily.In order to solve those problems,specific multifunctional ground flow transformation apparatus are developed.The apparatus are composed of well head sliding system,positive and negative circulation system and regulation system.Depending on strength calculation and prototype test of the major components,the experiment result proved that the device can realize convenient surface pipeline flow conversion,Due to the slip sealing section of the apparatus,the well head operation can be performed as usual while raising and lowering strings.The apparatus have been used in Shengli Oilfield for nearly a hundred times,which are all one-time success.This technology shows the good performance and a broad application prospect.

multifunctional;sand control;ground flow transformation apparatus

張冰洋，鄭鐸，魏慶彩，等.多功能防砂專用地面流程轉換裝置的研制與應用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：88-90.

TE931+1

：B

1000-7393（2014）01-0088-03

10.13639/j.odpt.2014.01.023

國家專利：專利名稱：“多功能防砂井口裝置”，專利號：ZL 2007 2 0026498.4。

張冰洋，1981年生。2003年畢業于西南石油大學，現從事采油技術研究工作。電話：13706366925。E-mail：64319495@ qq.com。