一種新型井口保護器的研制與應用

王春林， 杜 勛， 劉常清， 張 寧， 劉平禮， 吳 廣

(1中海油田服務股份有限公司油田生產事業部 2油氣藏地質及開發工程”國家重點室驗室·西南石油大學 3中海石油(中國)有限公司天津分公司)

為解除近井地帶傷害，恢復注水井注入能力，中國海上各油田前期大范圍應用酸化解堵措施[1-3]。但常規酸化作業有效期越來越短，增注效果越來越差，作業次數頻繁，措施費用居高不下。針對此問題出現了高壓酸化、增壓注水等一系列注水井高壓解堵措施，現場應用取得了顯著的增注效果，制約這些技術大規模推廣應用的主要問題是海上油田受開發成本限制,井口采油樹耐壓等級一般不高，超過70%采油樹的額定工作壓力為21 MPa，低于高壓解堵設計施工壓力，難以保證措施的有效實施。高耐壓等級的采油樹一般造價很高，若在完井期間選用高壓力級別的采油樹，則生產成本較高。如果在施工前更換耐壓級別更高的壓裂井口裝置，則會延長作業工期，增加額外作業費用。此外經多輪次的酸化作業后，由于酸液腐蝕、維修保養不當等原因，部分采油樹出現本體或閥門滲漏，造成施工安全隱患。

采油樹加裝井口保護器是解決采油樹承壓能力低，保護采油樹不被高壓腐蝕性工作液沖蝕的一種可行方法[4-5]。我國也曾發布過相關工具行業標準[6]，目前使用的井口保護器多據此進行設計。新疆油田公司工程技術研究院研發的壓裂井口保護器現場應用較多，效果相對較好，但使用過程中出現了諸如井口保護器與油管之間密封不可靠、密封皮碗易損壞、施工前難以進行密封試驗等一系列問題[7-9]。江漢石油管理局井下測試公司進一步研發了電液聯控井口保護器，可實現對井口保護器運行狀態的實時監測，但井口保護器結構復雜，需要增加額外的電液控制系統，不利于在海上平臺狹窄的空間場地實施[10]。長城鉆探工程有限公司開發的井口保護器結構簡單，性能可靠，但使用前需拆卸原采油樹主閥以上部分，影響現場作業進度[11]。

針對海上采油平臺實際情況，借鑒現有井口保護器的結構特點研制了一種新型井口保護裝置，現場使用效果良好，能滿足海上施工作業要求。

一、結構設計及技術參數

1. 工具結構

井口保護器由上至下主要包括轉換頭、中心管、外層旋轉筒、螺紋管、連接法蘭五大部分組成，結構如圖1所示，工具安裝示意圖如圖2所示。

圖1 井口保護器工具結構圖

1“O”型密封圈 2雙頭螺栓 3“O”型密封圈 4螺母 5連接法蘭 6“O”型密封圈 7固定銷釘 8螺紋管 9扭矩桿 10軸銷 11固件 12中心管 13外層旋轉筒 14固定銷釘 15“O”型密封圈 16墊片 17固定銷釘 18頭環 19轉換頭

圖2 井口保護器安裝示意圖

(1)轉換頭。轉換頭整體為厚壁圓筒，一端加工成EUB扣，以便與高壓立管相連，另一端通過固定銷釘及“O”型密封圈與井口保護器中心管相連。

(2)中心管。中心管為井口保護器的關鍵部分，通過中心管隔絕施工液體與采油樹內腔，進而達到保護井口采油樹的目的。中心管整體為厚壁圓筒，一端與轉換頭相連，另一端與油管懸掛器相連，油管懸掛器內壁帶有BPV螺紋，螺紋段上部具有密封面，該處結構設計原本用于安裝背壓閥(背壓閥的螺紋段上部的密封圈與該處密封面形成密封，必要時安裝背壓閥后可在不壓井情況下對采油樹及其配件進行更換維修作業)，考慮到此處連接結構的可靠性，中心管與油管懸掛器的連接方式按照背壓閥與油管懸掛器的連接方式設計，即端部加工成BPV螺紋且螺紋上部為“O”型密封圈，螺紋連接到位后，“O”型密封圈起密封作用。

(3)外層旋轉筒。外層旋轉筒為厚壁圓筒，其一端內壁帶有螺紋，另一端限位于轉換頭上，外層旋轉筒上行或下行通過轉換頭帶動中心管上行或下行。

(4)螺紋管。螺紋管外壁均布螺紋，且螺紋形式與外層旋轉筒一致，二者相互旋合，可通過轉動外層旋轉筒使其沿軸向發生位移，進而達到通過改變外層旋轉筒行程控制中心管伸縮長度的目的。

(5)連接法蘭。連接法蘭上部通過固定銷釘與螺紋管相連，法蘭部分與采油樹清蠟閥以上的法蘭連接。其內腔帶有密封圈槽，通過“O”型密封圈實現中心管外壁與連接法蘭內腔之間的密封。

2. 主要技術參數

井口保護器主要技術參數如表1所示。

表1 井口保護器主要技術參數

二、工作原理與操作步驟

1. 工作原理

施工前，井口保護器轉換頭上端與施工管匯相連，井口保護器下端連接法蘭與采油樹清蠟閥上部法蘭連接，轉動外層旋轉筒使中心管下行，中心管下行至油管懸掛器BPV螺紋處時轉動轉換頭，使中心管下端與油管懸掛器BPV螺紋連接，“O”型密封圈進入油管懸掛器密封段坐封。施工過程中，入井工作液經過施工管匯、井口保護器轉換頭、中心管、油管懸掛器、油管直至井下而不與采油樹內腔接觸，入井工作液與采油樹完全隔絕，采油樹不承壓，這樣低耐壓等級采油樹可以進行高于其額定工作壓力的作業，同時酸液等腐蝕性液體不與采油樹內腔接觸，進而起到保護采油樹的目的。

2. 操作步驟

(1)根據作業甲板與采油樹距離將高壓立管與井口保護器連接，對井口保護器及高壓立管試壓。

(2)關閉采油樹主閥，打開清蠟閥，拆采油樹清蠟閥以上法蘭，吊車配合吊裝井口保護器，連接井口保護器連接法蘭與采油樹法蘭，油管翼閥打壓對法蘭連接處試壓。

(3)試壓合格后打開主閥，轉動外層旋轉筒，使中心管下行，中心管下行到位后旋轉轉換頭帶動中心管旋轉，使中心管與油管懸掛器連接，連接到位后油管翼閥打壓對中心管與油管懸掛器連接處試壓。

(4)對高壓擠注管線試壓，試壓合格后方可進行高壓作業，擠注過程中，油管翼閥開啟且通過高壓管匯連接至遠端放空，若擠注過程中放空端出液，認為中心管與油管懸掛器密封失效，施工停止，否則正常進行作業。

(5)擠注完畢停泵，待壓力降至采油樹耐壓等級以下，旋轉轉換頭帶動中心管旋轉，使中心管與油管懸掛器脫開，確認脫開后轉動外層旋轉筒使中心管上行，當中心管上行至主閥以上時關閉主閥放壓，吊車配合拆卸井口保護器，安裝采油樹清蠟閥以上法蘭，油管翼閥打壓對法蘭連接處試壓合格交井。

三、技術特點

(1)新型井口保護器針對海上平臺特殊作業環境研制，工具結構簡單，純機械控制，維修保養方便，易損件更換快速便捷。

(2)新型井口保護器能克服作業空間狹小限制，吊車配合與采油樹法蘭連接完成后，完全為人工操作，無需動用平臺其他資源，操作簡便。

(3)正式施工前可進行法蘭連接處密封試驗、中心管與油管掛連接處密封試驗，試驗合格后再進行施工，具有安全保障。

(4)井口保護器中心管伸縮長度可調，這樣就可以適用于不同高度的采油樹，通用性強。

(5)與油管懸掛器通過BPV螺紋連接，靠“O”型密封圈密封，坐封可靠。

四、現場試驗

新型井口保護器在渤海某油田海上平臺使用共計6井次，其中增壓注水5井次，高壓酸化作業1井次，表2為施工簡況統計表。

表2 井口保護器現場使用情況

6口井采油樹壓力等級均為21 MPa，施工時最高泵壓均超過采油樹額定工作壓力，施工過程中井口保護器運轉正常，密封良好，施工結束恢復井口后，采油樹試壓合格。

典型井例：F-8井于2016年9月進行增壓注水作業，采油樹耐壓等級21 MPa，安裝井口保護器后，對井口保護器與采油樹連接法蘭試壓至18 MPa，穩壓15 min合格，對中心管與油管懸掛器連接處試壓，打壓至18 MPa穩壓15 min合格，井口保護器安裝完畢。施工過程中入井液體類型為平臺注入水，施工最高壓力為27.6 MPa，最高排量0.37 m3/min，一般泵壓23.5～24.6 MPa，一般排量0.37 m3/min，泵注施工歷時3 h，累積注入液體80 m3。施工曲線如圖3所示，施工過程中井口保護器密封良好，施工完畢后取出井口保護器，保護器本體及“O”型密封圈完好，恢復采油樹后對采油樹整體試壓至18 MPa穩壓15 min合格。

圖3 F-8井增壓注水施工曲線

五、結論

(1)新型井口保護器能有效保護采油樹，通過將高壓液流與采油樹隔絕，使得高于采油樹耐壓等級作業得以實施，同時也能避免腐蝕性液體對采油樹造成腐蝕。

(2)使用新型井口保護器能有效降低高壓下更換井口裝置、修井等一系列生產成本，經濟效益顯著。

(3)考慮到海上采油平臺作業空間狹小，物資取用不便，新型井口保護器結構簡單，現場操作和維修保養方便，人工操作，幾乎不動用平臺物資，尤其適用于海上油田作業。

(4)新型井口保護器使用前可進行各項功能試驗，且針對可能存在的問題提前采取相應的控制措施，為現場順利施工提供安全保障。

(5)根據作業現場需求，后續研究可從簡化井口保護器結構上做工作，并在密封件的材質和密封方式方面提高工具的性能參數。