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防喷注水管柱的结构设计与工作原理分析

摘 要：伴随着石油持续被开采，地层储存的能量持续被耗损，对应油井的产量也持续减少，更有甚者还会面临停喷停产，导致地层残余的大量石油無法被人们开采出来。在传统的分层注水作业过程中，常压作业起下管柱时，井底油管内返水现象很普遍，管柱提升多高，井液就会喷溅多高，难以接收，不仅喷溅油田作业员工一身污油污水，还会给周围环境带来严重污染，严重时甚至还会危及油田工作人员生命安全。结合油田注水作业的实际情况，分析注水管柱内部溢流的原因，针对这一原因，按照“环空流体不喷溅，管内流体不存留”的思路，针对油管、挡球及桥式偏心的结构特点，对防喷管柱的结构进行改进，分别设计上、下封堵泄流器。
关键词：分层注水;封堵泄流器;防喷泄流
为了防止注水作业完成后提升管柱过程中管柱内液体向上喷溅的情况发生，需要针对传统的管柱结构进行改进。按照“环空流体不喷溅，管内流体不存留”的思路，针对油管、挡球及桥式偏心的结构特点，分别对管柱的结构进行了设计。如图1所示，是防喷管柱设计思路示意图。
针对以上的思路分析，本文设计了一种新的防喷注水管柱，该注水管柱与传统的注水管柱相比，不仅可以实现常规泄流，还可以实现防喷功能。该管柱能够实现此功能的主要结构是上部封堵泄流器和下部封堵泄流器。
1.上部封堵泄流器
上部封堵泄流器主要安装在管柱的最上端，即预置在套保级封隔器上部。它采用平衡式滑套内堵做活塞，因此不影响正常注水，作业时实现封堵及油套连通;直接从井口丢入液力送达，实现内堵到达预定位置无需其他工具投送;伞形阀设计具有双向作用，起管柱时既能防喷又能实现管内有效泄流。再次作业前液力投入内堵，利用注水压力开启油套间泄流通道及内堵泄流通道，伞形阀芯既能封堵井下高压溢流，又能使上部存水回落。该结构的设计十分巧妙，无需工具投递就可以达到其指定的位置。起主要作用的是伞型阀和下面的球阀，当伞型阀达到开启压力后，伞型阀打开，油管上面的存水能够回落，通过油套间的泄流通道流出，而底部的返水无法通过伞型阀，只能通过球阀旁边的孔流向油套间的泄流通道，伞型阀起单向阀的作用，因此能够封堵井下高压溢流，又能使上部存水回落。如下图所示：
图2表示的是上部封堵泄流器在整个分层注水结构中的位置，它安装在管柱的最上端，也就是在套保级封隔器上部。图3表示的是上部封堵泄流器的结构简图，它主要由上接头、分流管、外连接套、下接头、卡簧、防喷阀、泄流阀、主体组成，而起主要防喷泄流作用的是它的防喷阀和泄流阀。在该装置中防喷阀起到了单向阀的作用，管柱的上部存水能够回落，而管柱下部的液体则无法向上喷出。图4表示的是上部封堵泄流器的三维示意图。
2.下部封堵泄流器
下部封堵泄流器预置在整个分层注水管柱底部代替挡球。注水管柱下井后打压释放封隔器，同时解除下井保护机构，推动单向阀进入预定位置;当再次注水作业时利用加深工序支撑开启防喷泄流阀;而它的伞形阀芯既能封堵井下高压溢流，又能使上部存水回落。整个的工序过程可以分为如上的三部分。下部封堵泄流器在下井时具有防喷功能，它主要是通过底阀位置的可动，来变换功能区域。当封隔器释放后，它又可以当成常规挡球。伞型阀的设计具有双向作用，当再次作业重新触发机构时可以实现防喷和泄流功能。下部封堵泄流器在注水管柱结构中的安装位置如下图所示：
图5表示的是下部封堵泄流器在整个分层注水结构中的位置，它安装在管柱的最下端，它除了能够实现防喷泄流外还能够代替挡球起到阻挡井内杂质的作用。 图6表示的是下部封堵泄流器的结构简图，它主要由上接头、外套、保护结构、防喷阀芯、泄流阀套、伸缩管、双向阀组成，而起主要防喷泄流作用的是它的防喷阀和泄流阀。在整个注水作业中，下部封堵泄流器一直预置在井底。 图7表示的是下部封堵泄流器的三维示意图。
在整个注水井防喷管柱结构设计中，上部封堵泄流器和下部封堵泄流器是两个至关重要的部件。防喷泄流功能主要是靠它们来实现的，上部封堵泄流器和下部封堵泄流器结构设计的合理性是本章较为关注的问题。在防喷管柱的结构设计中，需对封堵泄流器的安全性、可靠性、使用寿命进行合理性分析与验证。在整个分层注水管柱结构中，各个工具的安放位置见图8。
通过油田现场试验，对上部封堵泄流器和下部封堵泄流器的工作压差、泄流通道开启压差、底阀开启压差、伞形阀承压差能力以及存水回落时间分别进行了试验验证，通过实验结果和仿真结果进行对比，可以知道软件的仿真精度是可靠的，该管柱的设计也是合理的，不仅可以顺利实现分层注水还可以实现防喷和泄流。
参考文献：
[1]何亚斌， 鬲新鹏， 俞忠宝等. 分层注水技术措施[J]. 化工设计通讯， 2018.
[2]蒋敏， 韩宁， 孙聪聪等. 分层注水管柱力学分析研究及应用[J]. 中国石油和化工， 2016.

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