2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室
2. National Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development
0 引 言
随着水平井应用和储层改造规模的不断加大，水平井出砂问题日益凸显。传统的水平井水力循环作业技术接单根时需停泵，容易形成二次沉淀，不利于循环液将砂粒和钻屑等携走，而且有可能造成砂卡管柱事故[1-5]。加之水平井井身结构特殊，地层出砂比直井更加严重[6]，尤其是低压储层漏失等因素会给水平井水平段冲砂、井筒内胶结物处理和桥塞钻磨等带来很多困难。为了提高水平井水力循环作业效率，国内外油田研究了一些连续循环作业技术[7-13]，但这些技术只能实现连续反循环作业，作业时液流冲击力不足，对于一些较硬的砂垢等沉积物无法冲破，而且还存在密封胶筒频繁失效以及上返通道较小的问题。鉴于此，笔者研制了一种正反水力连续循环作业装置。该装置采用机械与液压双补偿密封，可实现正、反循环方式的灵活转换，性能可靠，易于操作。
1 技术分析 1.1 结构正反水力连续循环作业装置主要由换向井口和换向短节组成。换向井口主要由胶筒注水接头、自封胶筒、换向井口旁通和换向井口法兰等组成。该井口配合换向短节可不停泵接单根，具有机械和液压自封相结合的功能，其结构如图 1所示。换向井口内上、下自封胶筒处均有压力平衡通道，可使胶筒外表面充满动力液，自动平衡胶筒内表面的压力，使上、下胶筒之间形成一个独立可靠的密封空间。
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| 图 1 换向井口 Fig.1 Diverting wellhead 1、2—胶筒注水接头；3、5—自封胶筒；4—换向井口旁通；6—换向井口法兰。 |
换向短节主要由上接头、中心管、弹簧座、弹簧、滑套和下接头等组成，其结构如图 2所示。它是实现井口液流换向的关键组件，在连续循环冲砂接单根过程中，与换向井口配合可实现液流换向。
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| 图 2 换向短节 Fig.2 Diverting joint 1—上接头；2—中心管；3—弹簧座；4—弹簧；5—滑套；6—下接头。 |
正反水力连续循环作业装置可在各部件的协调作用下实现正、反水力连续循环作业，在地面管线和水龙带的配合下灵活切换正、反作业方式，其结构图如3所示。
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| 图 3 正反水力连续循环作业装置结构示意图 Fig.3 Structural schematic of normal and reverse 1—井口接头；2—井口法兰；3—胶筒注水接头；4—换向短节；5—吊卡；6—自封胶筒；7—换向井口接头；8—换向井口法兰。 |
1.2 工作原理
反循环时，换向短节上接头和换向井口上接头连接出水水龙带，下接头连接油管，井口接头和胶筒注水接头连接注水管线。开泵循环时，胶筒注水接头进水，水力压缩换向井口内2个自封胶筒，使自封胶筒紧贴油管形成密封，井口接头注水，进入油套环空；当下完一根油管换下一根油管时，吊卡卡住换向短节接头，此时在换向井口中的胶筒推动作用下，换向短节上的滑套打开，返出的循环液从换向井口上接头流出，换好下一根油管后，下放换向短节，换向短节上的滑套通过换向井口中的胶筒，在弹簧弹力的作用下换向短节上的滑套回到原位，关闭旁通，实现不停泵连续循环作业。
正循环时，换向短节上接头、换向井口上接头和胶筒注水接头均连接注水管线，下接头连接油管，井口接头连接出水水龙带。开泵循环时，胶筒注水接头注水，水力压缩换向井口内2个自封胶筒，使其紧贴油管形成密封；换向阀上接头注水，进入油套环空，当下完一根油管换下一根油管时，吊卡卡住换向短节接头，此时在换向井口中的胶筒推动作用下，换向短节上的滑套打开，清水从换向井口上接头注入，换好下一根油管后，下放换向短节，换向短节上的滑套通过换向井口中的胶筒，在弹簧弹力的作用下回到原位，关闭旁通，实现不停泵连续循环作业。
在循环过程中，该装置利用胶筒注水接头连接动力液管线，使连续换向井口自封胶筒内、外压力处于动态平衡状态，实现机械与液压双补偿密封。液压自平衡密封连接图见图 4。该循环装置正、反循环方式切换时不需要更换换向井口，只需根据循环方式重新连接井口接头和换向井口旁通的注水管线和接水管线即可。
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| 图 4 正、反循环井口液压自平衡密封连接图 Fig.4 Connection diagram of hydraulic self-equilibrium |
1.3 主要技术参数
工作温度：0~90 ℃；
工作压力：6~8 MPa；
换向井口高度：600 mm；
换向短节最小通径：50 mm；
适用套管：139.7 mm。
1.4 性能特点(1) 利用动力液压力使井口自封胶筒外表面与内表面处于液压自平衡状态，实现机械与液压双补偿自封，显著增强自封胶筒的密封效果。
(2) 在连续循环过程中可以根据实际情况实现正、反循环切换，切换过程简单、用时少，便于通过排量改变井底液体冲力和液体返排速度。
2 施工工艺过程 2.1 工艺管柱正反水力连续循环冲砂工艺管柱自下而上主要由冲砂工具、外加厚倒角油管、普通油管+连续换向短节等组成，冲砂工具可根据施工井的具体情况进行选择。正反循环连续作业管柱如图 5所示。
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| 图 5 正反循环连续作业管柱示意图 Fig.5 Schematic of working string for normal and 1—连续循环自封井口；2—换向短节；3—套管；4—外加厚倒角油管；5—冲砂工具。 |
2.2 施工工艺步骤
(1) 通井、探砂面。
(2) 根据预冲砂面的高度，准备足够数量的外加厚倒角油管，并在每根油管的上端连接 1 个换向短节。
(3) 下冲砂管柱及更换井口。管柱下至砂面以上10 m前，采用的井口组合(自下而上)为：井口+单闸板防喷器+自封封井器；管柱下至砂面以上10 m时，采用的井口组合(自下而上)为：井口+单闸板防喷器+连续换向井口。下冲砂管柱至井斜45°井段以后，管柱下放速度应小于5 m/min，距砂面10 m时，停止下放，卸掉自封封井器，然后安装连续换向井口，并按照反循环作业要求连接相关管线。
(4) 开始作业时采用反循环方式，待循环正常后再进尺，当冲砂进尺困难时，充分循环至进、出口冲砂液含砂基本一致，切换为正循环冲砂模式，以增强冲砂液的冲击力度；待进尺正常后再切换至反循环模式，避免长时间正循环造成砂卡管柱事故。
(5) 冲至设计深度后，充分循环洗井，当出口含砂质量分数小于0.2%时视冲砂达到要求，停泵、泄压，拆卸地面管线，起出管柱。
3 现场试验情况2015年8—9月在长庆油田江平11-19井和固平17-62井利用正反水力连续循环作业装置成功进行了2次冲砂试验，平均水平段长度600 m，冲砂进尺332 m，冲砂后日增油1.98 m3。与斜尖“停泵接单根”相比，使用该装置后施工周期缩短了6.1 d，进尺速度提高了32 m/h，返排率提高了57.6%。整个试验过程实现了连续不停泵冲砂，连续循环装置运行良好，换向短节灵敏自如，井口胶筒密封可靠，极大地降低了密封胶筒的更换频率，提高了冲砂效率，基本实现预期功能。
4 结论及建议(1) 正反水力连续循环作业装置将连续正循环和连续反循环的功能集于一身，便于作业过程中根据具体情况灵活选择循环方式，很好地解决了作业过程中循环方式单一以及遇阻时处理手段有限的问题，应用前景广阔。
(2) 现场试验结果表明，正反水力连续循环作业装置作业过程中密封井口密封效果较好，换向短节换向过程灵活自如，密封效果达到设计要求，极大地降低了密封胶筒的更换频率。
(3) 建议下一步扩大现场试验范围，对该装置不断地优化改进，并进一步推广应用到螺杆马达连续钻磨等领域。
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