井下清潔施工系統的研發與應用

摘要：針對臨盤油田液壓封隔器坐封過程中容易出現液壓通道堵塞的問題，研發了清潔施工系統。該系統主要包括液壓封隔器沉淀過濾裝置和防堵型油套平衡閥兩部分，具有結構簡單、成本低廉、可靠耐用、適用性強、可重復使用、極易推廣等特點。自2012年在臨盤油田投入實際使用至今，平均每年應用80口井左右，均無液壓通道堵塞問題。該系統已成為臨盤油田 Y445型液壓封隔器封層施工必備輔助工具，并形成規范化的施工流程，帶來了豐富的成果應用效益，可以在全國各油田液壓封隔器施工中推廣使用，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：機械卡堵水;液壓封隔器;清潔施工;沉淀過濾裝置;油套平衡閥

中圖分類號：TE934" " " " " 文獻標志碼：A" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.04.009

Research and Application of Cleaning Construction Systems for Oil Wells

WANG Zhaoshan， ZOU Yuanbei， TANG Jun，SONG Xiumei， LI Peng，BI Hongjun

（Technology Research Institute of Linpan Oil Production Plant，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Linyi 251507，China）

Abstract： As a response to the common problem of hydraulic channel clogging during the seating process of hydraulic isolation devices in the Linpan oilfield production operation，a clean construction system has been developed and designed. This system consists of two integral components： a sediment filtration device for hydraulic isolation devices and an anti-blocking oil sleeve balancing valve. Notable features include its simple structural design，cost-effectiveness，robustness，adaptability，reusability，and easy scalability. The system has been put into practical use in the Linpan oilfield in 2012，with an approximate annual application rate of 80 wells，and has not encountered any cases of hydraulic channel blockage. The system has become an indispensable tool for the construction of the sealing layer associated with the “Y445-type hydraulic isolation device” in the Linpan oilfield，thereby establishing a standardized construction protocol. Its implementation has yielded significant application benefits and holds great promise for widespread adoption and use in the construction of hydraulic isolation devices in various oilfields nationwide，underscoring its great potential for widespread application.

Key words： mechanical water blocking;hydraulic isolation device;clean construction;sediment filtration device;oil sleeve balance valve

油井的機械卡堵水一直是油田控水穩油的重要措施，尤其是液壓封隔器，作為卡封補孔上返的主要工具，已經成為機械卡堵水措施的重要手段。該項措施是利用施工管柱內的液體傳遞地面壓力將封隔器膠筒脹封，與套管壁形成過盈密封，從而實現封隔原層、開采新層的目的[1-6]。

而現場實施過程中，打壓時往往由于井筒內的泥砂、鐵銹、垢片等臟物，尤其是重質雜物沉淀至管柱底部，堵塞了液壓通道，導致施工管柱內的液體壓力無法有效傳遞至封隔器，從而影響到卡封施工的順利進行;另外，由于多種因素影響，經常會造成現有施工用油套平衡閥堵塞，大量雜物堆積在閥座以上，造成施工時投下的用于封堵油套通道的鋼球無法落在閥座上，在雜物多的時候甚至造成打壓通道被堵塞，嚴重危及施工安全、影響采油工藝措施施工效果[7-10]。

針對液壓通道堵塞問題，現有的常用解決方法是反洗井[11-12]。但是，反洗井需要耗費較多的時間和成本，且只能清洗出部分臟污，無法徹底解決液壓通道堵塞問題，另外一些地層漏失嚴重的井無法通過反洗井緩解堵塞。針對油套平衡閥堵塞問題，現有的油套平衡閥主要包括彈簧球閥和投球式球閥兩種，實際施工時根據需要選擇某一種球閥使用。其中，彈簧球閥適合大斜度井，應用場景更廣，但是彈簧球閥中途坐封，設計結構復雜，使用過程中容易堵塞，不利于重復使用。投球式球閥因為設計結構簡單、成本低、避免中途坐封等特點，便于重復使用，但是在使用過程中雜物容易沉積在球座上，球閥不能順利到位關閉油套通道，影響液體壓力向下傳遞[13-14]。

因此，有必要研制可靠實用的井液過濾裝置和油套平衡閥裝置，來提高液壓封隔器卡封施工效率，降低施工風險。臨盤油田針對上述問題，研制應用了清潔施工系統，包括井下沉淀過濾裝置和防堵型油套平衡閥，保證了施工安全和質量，提高了施工效率，在全國各油田具有較高的推廣使用價值。

1 液壓封隔器施工概況與技術難點

在油井的機械卡堵水現場施工時，當施工液體里的雜物堵塞液壓通道時，會造成施工壓力超高卻傳遞不到液壓封隔器的作用活塞上，從而無法坐封泄壓丟封，泄壓后不能順利脫開，坐封不可靠等故障。臨盤油田根據已有技術設備和手段調整實施方案，在多口油井施工過程中均遇到較為嚴重的液壓通道堵塞問題，發現液壓通道堵塞是液壓封隔器施工異常的主要原因，此問題嚴重制約油井工藝措施的安全有效實施。

1.1 井例A采用水平井壓裂橋塞

采用FXY445-112型水平井壓裂橋塞，將橋塞下至設計深度2 910 m，從油管打壓施工過程中，由于打壓通道被雜質堵塞，壓力傳遞不到封隔器液壓缸作用腔，使得注水打壓后壓力無法穩定，且反洗井和增大壓力后仍無法解決問題。具體操作為：先注水2 m3起壓力，但穩不住壓力，最高打壓至15 MPa，停泵后壓力迅速下降，后套管反洗10 m3水，油管出水返流程，1 h后連續正打壓5、10 、15 、20 MPa，最高打壓至23 MPa，仍然沒有泄壓，上提管柱360 kN，繼續打壓至25 MPa仍然沒有泄壓，上下活動數次，再次打壓至25 MPa仍然沒有泄壓。繼續上提400 kN數次無效，加一根油管下探加壓，再次上提440 kN無效，停止施工。第二天換用800 kN的井架。第三天使用700型泵車大排量反洗井，反洗井泵壓5 MPa，5 min后從油管正打壓至20 MPa泄壓，直接脫開，上提靜止載荷230 kN，起油管50根，油管內均見液面。起出油管后在橋塞接頭內發現大量大塊臟污如圖1所示。

1.2 井例B采用可取式橋塞

采用QSA-80-35型可取式橋塞，將橋塞下至設計深度2 881 m。從油管打壓施工過程中，注水后分段打壓逐漸提升壓力至25 MPa，均無泄壓。且反洗井1 m3水后，再次注水打壓至23 MPa，依然沒有泄壓。最終起出油管，發現液壓封隔器處出現堵塞，如圖2所示。 上述井例丟封施工累計3 d左右，由于液壓通道堵塞問題，不但消耗了大量時間、人力和物力，而且施工過程存在安全風險、對套管和封隔器也造成了損傷。

1.3 統計概況與初步方案

臨盤油田對施工過程中出現的液壓通道堵塞問題進行了統計分析，歷時2年，如表1所示，共有12口井出現較為嚴重的液壓通道堵塞問題。

進一步分析每一口井的施工情況發現，在施工管柱下井后、施工前的這段時間內，井內雜物隨著時間的推移慢慢沉淀，積存在位于施工管柱底部的封隔器上部的丟封液壓活塞上的進液通道內，造成活塞通道堵塞，管柱上部的壓力傳遞不到液壓活塞內或壓力被減弱，從而造成無法丟封、丟封不可靠等問題。活塞處的雜物沉淀量與多種因素有關，包括井液和入井液、施工油管、井深、施工時間長短以及管柱配置。面對復雜多變的施工現場，根據已有技術難以找到有效解決液壓通道堵塞的統一解決方案。

為此，面向統一、有效解決液壓通道堵塞問題這一應用場景，臨盤油田研制了初代液壓封隔器過濾裝置。在已有液壓封隔器的基礎上加裝可以重復使用的割縫管或者過濾網，如圖3所示。然而，在實際施工中發現，堵塞液壓通道的雜物成分較為復雜，會造成過濾網或割縫管堵塞。并且，垂直內管中加裝的過濾網或割縫管無法過濾大斜度井中的臟污雜質。因此，單純依靠加裝過濾裝置，無法解決雜物堵塞液壓通道的問題，需要設計一款可以普適性應用于各類油井的清潔施工系統。

2 液壓封隔器沉淀過濾裝置

針對上述問題，設計出一款可以應用于各類油井的清潔施工系統，該清潔施工系統由井下沉淀過濾裝置和防堵型油套平衡閥兩部分組成。其中，沉淀過濾裝置是利用液體里雜物沉淀過濾原理，結合施工現場發現的液壓通道堵塞物的統計概況，研究設計出的一種過濾裝置。該過濾裝置可以處理各類油井的各類堵塞液壓通道的雜物成分。

2.1 基本原理

在實際施工過程中，向液壓封隔器打壓前，封隔器內沒有液體過流，此時堵塞雜物是上部液體中懸浮的異物沉淀累積帶來的。為此，設計倒U型內管結構，在保證打壓通道暢通的同時，無過濾網實現凈污分流，解決了過濾網堵塞的問題。

如圖4a所示，在施工用封隔器上部管柱內，通過堵頭和與堵頭相連的內管與外部油管人為制造一個用于沉淀儲存雜物的U型空腔，并將內管的上部設計成開口向下的U型。液體可以在壓力作用下從開口向下的U型入口流入內管，但是大塊臟污雜質被U型管上部阻攔，在重力作用下落入內管與外部油管之間的U型空腔中，無法通過內管開口進入內管，進而實現液體與大塊臟污雜質的空間分離。

如圖4b所示，在內管U型向下的開口上再加裝上過濾網或割縫管，利用過濾網或割縫管過濾液體中攜帶的細小雜質，使得進入內管的液體最終達到施工純凈度要求。并且，大塊臟污雜質已經通過U型內管分離、落入U型空腔之中，液體中攜帶的細小雜質不會造成過濾網或割縫管堵塞，有效保證了施工效率與成功率。

2.2 參數設計

上述U型內管設計在實際構造中有兩種實現方案，分別為并排管方案和套管方案，如圖5所示。并排管方案將原有單一垂直內管的頭部向下彎折，形成U型向下入口。套管方案則是在原有單一垂直內管的頭部套裝一個大尺寸、向下開口的管道，通過兩個管道套裝的方式形成U型向下入口。

兩種實施方案的俯視截面示意圖如圖6所示，通過俯視截面示意圖計算內管面積、空腔面積和空腔最大直徑，可以確定最終設計方案與參數。

假設施工油管尺寸一定，半徑為R，對于并排管方案，原有單一垂直內管的半徑為r，彎折后U型入口部分等效為兩個并排放置的內管，如圖6a所示。用無色圓形表示油管橫截面，用兩個深色圓形表示U型入口部分的內管橫截面。由于并排管方案中，空腔尺寸最大為R，可以通過此處收集大塊臟污雜質，所以當兩個內管半徑之和等于油管半徑時，可以獲得最大的內管面積。此時，內管半徑r、內管面積Sn和空腔面積Sk分別為：

" " " " "r = R （1）

Sn = πr2 = πR2（2）

Sk = πR2 - 2πr2 = πR2（3）

對于套管方案，如圖6b所示，無色圓形表示油管橫截面，深色圓形表示原有單一垂直內管的橫截面，淺色圓形表示原有內管外側套裝的向下開口管道，液體經淺色區域流入深色內管中，大塊臟污雜質落入無色區域中。為便于對比，深色區域內管的半徑也為r，從而獲得與并排管方案相同的內管面積。淺色區域的套管半徑為q，淺色區域面積也應與內管面積一致，計算可得：

πq2 - πr2 = πr2

q = ·r = ·R（4）

此時空腔面積Sk 和空腔尺寸Dk分別為

Sk = πR2 - πq2 = πR2（5）

Dk = R - q ≈ 0.3R（6）

由式（5）～（6）可知，空腔面積與并排管方案一致。但是空腔尺寸僅為0.3R，小于并排管方案的空腔尺寸。因此，在內管面積與空腔面積相同的情況下，并排管方案具有更大的空腔尺寸、更簡單的加工工藝、更低的制造成本，被確定為最終設計方案。并排管方案的內管設計參數根據臨盤油田采油管道的實際尺寸R與上述公式（1）～（3）計算得到。

3 防堵型油套平衡閥

液壓封隔器沉淀過濾裝置可以較好地解決封下采上工藝措施中液壓封隔器處堵塞的問題，但在實際施工過程中，由于多種因素影響經常會造成配合液壓封隔器使用的油套平衡閥堵塞。該油套平衡閥位于液壓封隔器上部，無法通過上述沉淀過濾裝置進行凈污分離。如果大量雜物堆積在閥座以上，會造成施工時投下的、用于封堵油套通道的鋼球無法落在閥座上，在雜物較多時會堵塞打壓通道。因此，為提高施工效率、施工安全和施工質量，臨盤油田對現有油套平衡閥進行優化改進，研究設計出一款防堵型油套平衡閥。

如圖7a所示，相比于常規油套平衡閥上下統一的入口設計，防堵型油套平衡閥采用喇叭口設計，增大側向通道面積，利于油管內的沉淀雜物從側向槽通道進入油套環空。沒有進入油套環空的剩余沉淀雜物會繼續堆積在閥座上，從而造成堵塞，為解決此問題，防堵型油套平衡閥采用月牙形軸向大通道設計，如圖7b所示，使得沒有進入油套環空的剩余沉淀雜物繼續下沉，有效解決了雜物在閥座上堆積帶來的堵塞問題。進一步面向大斜度井的應用場景，防堵型油套平衡閥采用大斜度閥座和導向罩結構，如圖7c所示，引導鋼球的運行軌跡，從而保證鋼球在超大斜度井也可以可靠到位。

4 現場應用

將上述防堵型油套平衡閥與液壓封隔器沉淀過濾裝置（后文簡稱“沉污管”）配合使用，如圖8a 所示。在實際施工時，為防止封隔器下井過程中膠筒損傷，在沉污管和封隔器之間加入彈性扶正器，如圖8b 所示。

4.1 施工過程

井下清潔施工系統現場施工步驟如下：

1） 檢查沉污管內孔是否暢通。

2） 檢查防堵型油套平衡閥螺紋是否完好、本體是否有裂紋、閥座及其它部位是否泄漏。

3） 檢查彈性扶正器螺紋是否完好、本體是否有裂紋。

4） 參照示意圖8b ，按照自下而上的順序安裝部件：①封隔器，封隔器自身需要投球，必須在安裝時攜帶其自身的鋼球下井，封隔器本身無球的嚴禁投球;② 彈性扶正器，連接時管鉗只能咬合端部且扭矩不能過大，以免造成損壞;③油管短節（1～2 m），油管短節下端安裝沉污管下堵頭處內壁必須光滑無磨損無溝槽;④沉污管，其堵頭帶兩道O形橡膠密封圈，安裝時密封圈的“堵頭”在下、“回形彎頭”在上，從油管短節尾部插入油管短節內;⑤一根以上油管，根據井深和雜物多少調整;⑥防堵型油套平衡閥（球閥座朝上），防堵型油套平衡閥上帶的球不能一起帶下，需要在施工前投下。

5） 根據實際井深和井況預估是否需要沉污管加長管，以及沉污管加長管的長度。

6） 防堵型油套平衡閥、沉污管、彈性扶正器為重復使用輔助施工工具，施工完成后，清潔防堵型油套平衡閥、沉污管、彈性扶正器和鋼球并送至工藝所注采室。

4.2 應用效果

沉污管自2012-09-12開始在施工現場投入使用至今，防堵型油套平衡閥自2018-04-10加工完成投入使用至今。平均每年累計應用80口井左右，均無液壓通道堵塞問題。圖9展示了應用清潔施工系統前后的封隔器臟污殘留照片，應用清潔施工系統輔助施工后的封隔器無任何臟污殘留，施工過程中無液壓通道堵塞問題。

典型井例：2017-06-19施工，液壓封隔器打壓前位于2 770.01 m，油管投防堵型油套平衡閥鋼球，打壓5、8、12、15 MPa各穩壓3 min，繼續打壓至20 MPa泄壓，上提脫開。起出的封隔器上接頭內部清潔無臟物，起出的井下沉淀過濾裝置沉積環空積滿了大量臟物。

該系統已成為臨盤油田“Y445型液壓封隔器”封層施工必備輔助工具，并形成規范化的施工流程，帶來了豐富的成果應用效益。

1） 避免施工洗井污染油層。

2） 減少洗井費用。

3） 縮短施工周期。

4） 減少無效排液。

5） 避免雜物堵塞施工管柱從而造成管柱起噴污染井場。

6） 避免了異常高壓施工造成的施工安全隱患。

7） 避免了封隔器坐封不可靠而影響措施效果及壽命。

8） 避免了封隔器不能坐封造成不必要的重復下封施工。

5 結論

1） 針對封下采上工藝措施中液壓通道堵塞問題，研發設計了清潔施工系統，該系統包括液壓封隔器沉淀過濾裝置和防堵型油套平衡閥兩部分。

2） 清潔施工系統結構簡單、成本低廉、可靠耐用、適用性強、可重復使用、極易推廣，能夠很好地解決封隔器措施施工中必須徹底洗井才能安全可靠施工的技術難題，尤其適用于各種因素制約不能洗井狀況下的封隔器措施施工。

3） 實際應用證明，可以在全國各油田的液壓封隔器施工中推廣使用，具有廣闊的應用前景。

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收稿日期： 2024-02-28

基金項目： 國家科技重大專項“特高含水油田高效采油工程技術”（2016ZX0511-004）。

作者簡介： 王照善（1969-），男， 河南鎮平人，工程師，現從事機械采油相關生產及研究工作，E-mail：875935241@qq.com。