0 引言

冀东油田具备地质条件复杂、油藏埋藏深和井斜大的特点，其中南堡滩海油田40°以上大斜度井占50%以上，最大井深达到4 500 m，为了治理层间矛盾而提出的细分注水要求造成水井分层级数越来越多，井下作业管柱下入的封隔器也就越来越多。由于井筒出砂、结垢和工具失效等原因，现有常规分注工艺管柱在大斜度井作业过程中出现了一次性起下成功率低以及分注短期失效的问题^[1-10]。鉴于此，开发了适用于大斜度井的长效密封与安全起下技术，同时研制了相应的分注工艺管柱及配套工具。

1 常规分注管柱在大斜度井中存在的问题 1.1 下管作业

据统计，2015年油田分注管柱下井作业累计93井次，其中由于封隔器胶筒受损导致坐封失败的有9井次，占下管作业的9.7%；由于顿钻导致锚定器提前解卡有7井次，占下管作业的7.5%。上述原因造成重复施工，既增加作业成本，又延误工期。

原因分析：目前分瓣式扶正器结构如图 1所示，支撑筋平行于轴线方向焊接在本体的外圆上，圆周方向不连续，扶正效果不佳，并且由于焊接质量问题，工具在运输或下井过程中受到磕碰出现支撑筋脱落现象，失去扶正功能，导致封隔器胶筒与井筒内壁发生摩擦损坏，下井后坐封失败或密封时效短。逐级解卡锚定器结构如图 2所示。尾管重力经过下接头、中心管、隔环、上锥体和连接套传递到解卡剪钉，当下管速度快和顿钻时解卡剪钉易提前剪断，导致逐级解卡锚定器不能锚定分注管柱，注水过程中管柱会发生蠕动，封隔器胶筒因被井筒快速磨损而密封失效。

1.2 起管作业

据统计，2015年起管作业117井次，其中小修作业失败58井次，占起管作业的49.6%；大动力解卡失败造成大修13井次，占起管作业的11.1%。

原因分析：起管时，上提管柱，首先解卡逐级解卡锚定器，继续上提管柱各级封隔器需要同时解封，因此解封载荷较大。另外，由于井斜大、轨迹复杂，在重力和提升力的作用下，管柱与井壁之间偏磨严重，地面设备的提升载荷不能完全有效地传递到各级封隔器上，从而更提高了解封难度，易造成大修。

1.3 分注时效

2010—2014年分注管柱有效期统计资料显示，大斜度井分注管柱平均有效期为20.2个月，低于冀东油田分注管柱有效期24个月的规定，其中封隔器胶筒失效占72.0%。

原因分析：注水管柱压力波动使锚定器以下部分管柱发生振动，导致密封胶筒与套管发生频繁挤压和错动，胶筒因疲劳和磨损而失效。

2 解决大斜度井分注管柱问题的技术方案 2.1 管柱安全下入技术

该技术包括3个方面：①缩小工具外径；②加强对胶筒的保护；③改进锚定器解卡结构。

设计小直径的分注工具，以提高下入可靠性。将与∅139.7和∅177.8 mm套管配套使用的封隔器、锚定器外径由常规的114.0或150.0 mm相应缩至110.0或148.0 mm，以方便工具串在大斜度井中顺利通过。

研制新型扶正器，使其能在圆周方向连续扶正，且避免出现支撑筋脱落现象，消除下入过程中因为扶正效果差而造成的胶筒偏磨与磕碰现象，保证封隔器密封效果。

增加过渡连接件，使管柱下井过程中尾管的重力通过过渡连接件传递到上接头，解卡剪钉不再受力，避免管柱下井过程中锚定器提前解卡，提高作业的可靠性。

2.2 管柱安全起出技术

该技术包括3个方面：①缩小工具外径；②减小工具解封、解卡载荷；③研制逐级解封、分段丢手管柱。

2.2.1 缩小工具外径

管柱安全起出技术中，缩小配套工具外径，同样可以提高起出可靠性。

2.2.2 减小工具解封、解卡载荷

研制解封力小的分注配套工具，封隔器解封力由目前的60 kN降至30 kN、锚定器解卡力由120 kN降至60 kN，降低解封、解卡载荷，可提高一次性解封作业成功率。

2.2.3 研制逐级解封、分段丢手管柱

开发具备伸长和丢手功能的封隔器配套工具，伸长功能为封隔器提供解封距离，使管柱的各级封隔器逐级解封，小修起管动力只需大于封隔器上部管柱重力、管柱受到的摩擦力以及单个封隔器的解封力三者之和就能解封，相对于原分注管柱解封力大幅减小；丢手功能使管柱遇卡时分段丢手，再分段打捞，避免大修作业。

2.3 长效密封技术

该技术包括3个方面：①改善胶筒服役工况；②提高胶筒性能指标；③改进胶筒肩保结构。

2.3.1 改善胶筒服役工况

通过锚定器的双向卡瓦锚定并扶正管柱，消除管柱因温压效应产生的蠕动和振动，改善封隔器在大斜度井中的工作条件，延长封隔寿命。

2.3.2 提高胶筒性能指标

优选高温高压封隔器胶筒，耐温135/150 ℃、耐压35/50 MPa，提高材质性能指标。

2.3.3 改进胶筒肩部保护结构

在套管内径一定的情况下，胶筒所承受的压差随其外径增大而增大，但是胶筒外径并不能无限增大，因此通过肩部保护结构间接增大胶筒外径，提高密封性能。

3 主要配套工具及分注管柱的研制 3.1 螺旋扶正器

螺旋扶正器采用一体式结构设计，由单件构成，其结构如图 3所示。

螺旋扶正器与封隔器连接，使封隔器在套管内居中，保护胶筒免受摩擦、磨损。该工具内通径62 mm，长度200 mm，额定工作压力50 MPa，外径有116和152 mm 2种规格，分别适用于∅139.7 mm套管和∅177.8 mm套管。

螺旋扶正器的主要技术创新点如下：①支撑筋优化为螺旋结构，各个支撑筋在圆周方向形成连续支撑，提高扶正效果；②采用一体式结构设计，避免了支撑筋松动或脱落的问题；③过流大通道设计，可防止砂埋、砂卡。

3.2 锁块式锚定器

锁块式锚定器主要由上接头、压帽、锁块、解卡销钉、外套、坐卡销钉、坐卡活塞、锥体、卡瓦、中心管和下接头等^[11]组成，其结构如图 4所示。

该工具安装在工具串的最上方，用于锚定并扶正管柱。与原工具相比，锁块式锚定器增设了锁块结构，在管柱下井过程中，其下面尾管的重力经过下接头传递到中心管、锁块、上接头及上部油管，解卡销钉不再承受尾管的重力，避免了下管作业时解卡销钉提前被剪断造成工具解卡。

锁块式锚定器坐卡压力15 MPa，解卡力60 kN，额定工作压力有35和50 MPa 2种规格，额定工作温度135和150 ℃，内通径50和62 mm，外径110和148 mm，分别适用于∅139.7 mm套管和∅177.8 mm套管。

锁块式锚定器的主要技术创新点如下：

(1) 增加锁块机构，使管柱下入过程中解卡销钉不受力，解决了提前解卡问题；

(2) 上提管柱时工具实现独立解卡和油套连通，减小了解封载荷。

3.3 解封连通丢手接头

解封连通丢手接头由上接头、外套、密封圈、丢手销钉、启动销钉、销钉套、中心管、滑销及螺帽组成，其结构如图 5所示。

该工具连接在两级封隔器之间。起管时，上提管柱，启动销钉被剪断，上接头、外套、滑销和螺帽上行，实现油套连通的同时工具伸长，为上级封隔器解封提供解封行程，使上级封隔器单独解封；当管柱遇卡时，继续上提管柱，上接头、外套、滑销和螺帽继续上行，带动销钉套上行，丢手销钉和滑销被剪断，螺帽与中心管脱开，实现丢手，提出上部管柱，再下入打捞工具起出下部管柱。

解封连通丢手接头伸长启动力200～250 kN，丢手力250～300 kN，额定工作压力有35和50 MPa 2种规格，额定工作温度135和150 ℃，内通径60 mm，外径108 mm，∅139.7 mm套管和∅177.8 mm套管均可用。

解封连通丢手接头的主要技术创新点如下：

(1) 接头采用滑道结构，使工具启动后伸长，为上级封隔器提供了解封距离；

(2) 管柱遇卡时，工具可丢手，再分段打捞管柱。

3.4 长效密封封隔器

长效密封封隔器主要由上接头、中心管、保护碗、上胶筒、隔环、中胶筒、下胶筒和下接头等^[6]组成，其结构如图 6所示。

该工具用于封隔注水层段，与原工具相比，将密封胶筒材料升级为氟橡胶，提高了其在高温高压工况下的耐压性能；将胶筒端部的垫片式保护结构改为碗式保护结构，当胶筒被轴向压缩而发生径向膨胀时，碗状部位同时向外扩展，密封间隙变小，例如外径110 mm胶筒原有保护垫外径为112 mm，改为保护碗后，受压后完全展开外径为124 mm，密封间隙较原结构减小了12 mm，有效提高了封隔器密封性能，同时延长了密封有效期。

长效密封封隔器坐封压力15 MPa，解封力20～30 kN，额定工作压力35 MPa，额定工作温度170 ℃，内通径48 mm，外径110 mm，适用于∅139.7 mm套管。

长效密封封隔器的主要技术创新点如下：①氟橡胶代替丁腈橡胶，可实现高温高压长效密封。②胶筒端部碗式保护结构代替垫片式保护结构，提高了密封性能。

按照工程设计要求，将分注管柱下井至设计位置，油管内按5 MPa→10 MPa→15 MPa→20 MPa压力等级加压，每个压力点稳压5 min，坐封封隔器和锚定器；验封合格后，按地质配注要求进行分层注水；需要起出管柱时，直接上提管柱先解卡锁块式锚定器，实现油套连通，平衡油套压差，继续上提管柱，解封连通丢手接头启动伸长功能，为上一级封隔器提供解封行程，从而使上一级封隔器单独解封，继续上提管柱，逐级解封其余封隔器，起管；如果管柱遇卡，则解封连通丢手接头先伸长再丢手，起出上部管柱，再打捞下部管柱，实现分段起管。

3.5 大斜度井分注管柱

大斜度井分注管柱主要由螺旋扶正器、锁块式锚定器、解封连通丢手接头、长效密封封隔器、配水器、洗井阀、筛管和丝堵等组成，其结构如图 7所示。

该分注管柱坐封压力15 MPa，额定工作压力有35和50 MPa 2种规格；额定工作温度135和150 ℃，内通径48和60 mm，外径110和148 mm，分别适用于∅139.7 mm套管和∅177.8 mm套管。

大斜度井分注管柱的主要技术创新点如下：①缩小分注工具外径，提高大斜度井的下入和起出成功率；②螺旋扶正器圆周方向360°连续扶正，有效保护了封隔器胶筒；③逐级解封设计，有效降低解封载荷；④遇卡丢手设计，方便管柱遇卡分段打捞起管，避免大修作业。

4 现场应用情况

2015年11月至2017年12月，大斜度井分注管柱现场应用33井次，最大井深4 445 m，最大井斜48.09°，最高段数5段，管柱下井作业一次性成功率100%，无重复作业，封隔器一次性验封合格率100%，注水运行正常，最大注水压力41 MPa，验证了该分注管柱下井工艺的可靠性。到目前为止，该工艺管柱起管作业2井次。

NP43-4961井于2016年6月6日完井投注，为2级2段，由于实施压裂，2016年12月起出原井管柱，上提管柱大钩载荷570 kN，封隔器解封，起出锁块式锚定器1个、JDY341-110长效密封封隔器2个、螺旋扶正器3个、偏心配水器2个、解封连通丢手接头1个及其他附件。经检查，解封连通丢手接头启动伸长，长效密封封隔器保护碗展开接近平面。

G76-60井于2017年3月18日完井投注，为2级3段，由于2017年7月29日投捞时仪器遇卡，2017年9月15日带压起出原井管柱，上提管柱560 kN活动解卡，上封隔器解封，起出锁块式锚定器1个、偏Ⅰ配水器1个、螺旋扶正器2个、JDY341-110长效密封封隔器1个、解封连通丢手接头上部。经检查，解封连通丢手接头已丢手，螺帽以上的部分被起出，鱼顶为解封连通丢手接头的中心管；长效密封封隔器保护碗展开接近平面。

NP43-4961井和G76-60井起管作业情况表明：该管柱具备逐级解封和遇卡丢手功能，小修作业能够顺利起管，验证了该分注管柱起管工艺的可靠性；另外，封隔器保护碗展开接近平面，说明肩部保护结构起到了间接增大胶筒外径而提高密封性能的作用。

其余31口井的分注管柱仍处于正常服役状态，其中9口井服役期超过24个月，验证了该分注管柱封隔器密封时效得到延长，满足了冀东油田的开采要求。

5 结论

(1) 针对大斜度井分注工艺存在的起下管柱作业风险，改进和研发了一系列配套工具，工具结构设计合理，技术性能可靠，还可根据具体情况对各个工具尺寸进行调整。

(2) 研制的分注工艺管柱现场应用结果表明：管柱下井顺利，无重复作业现象，起管可实现逐级解封、遇卡丢手，有效降低了起管大修率，特别适用于大斜度井多级分注工艺。

(3) 该管柱采用锚定技术和长效密封技术，延长了注水封隔时效，满足了大斜度井长期分层注水工艺需求。