0 引言

目前油田高产大泵抽油机井中，井下丢手防喷工具(如滑套开关、拉簧活门等)二次作业时存在密封不严的问题，但没有专门有效的密封油管和套管环形空间的井下防喷工具，而下完井管柱时所带的油管防喷工具，如活堵开关和抽油泵自封等在二次作业时也都已失效，起不到密封油管的作用。为了满足环保要求，通常的做法是先在起杆柱和管柱前对施工井进行循环压井液压井，然后起出原井杆柱和管柱；接着下刮蜡管柱，替蜡后洗井；最后再次压井，起出刮蜡管柱后，在压井液中下完井管柱和杆柱。另外，投产前还要替出压井液后洗井。多次压井不但增加了施工成本，延长了施工井的占井周期，还对油气层造成了很大的污染。

解决井下作业施工中环保问题的关键是有效控制地层内液体从井筒返出。为了防止井下作业时套管出液对环境造成污染，提高作业井的不压井率，缩短作业井占井周期，研制了不压井防喷管柱。不压井防喷管柱能够密封油套环形空间，实现无溢流作业^[1]，同时不压井防喷管柱随完井管柱一起下入，还省去了下丢手管柱的施工工序，提高了施工效率。

1 不压井防喷管柱 1.1 结构

不压井防喷管柱结构示意图如图 1所示。

1.2 工作原理

不压井防喷管柱随完井管柱下入井内过程中，由于抽油泵内带有防喷脱接器，油管内空间是密封的。当不压井防喷管柱下至设计深度后，上提下放管柱使锚定卡瓦锚定坐封，然后压油管释放封隔器，再上提管柱完成封隔器丢手。封隔器胶筒密封住油套环形空间。封隔器打捞接头以下部分、锚定卡瓦、尾管和死堵等不压井防喷管柱被锚定卡瓦悬挂在套管壁上。最后下完井管柱，抽油杆下完后，对接抽油泵内的防喷脱接器，油管通道被打开后，管柱即能够正常生产。二次作业时上提管柱，捅杆被提出控液开关，控液开关关闭，实现套管内无溢流作业。

1.3 主要技术指标

适用于套管规格为ø140 mm的直井和井斜角小于35°的定向井，工作压力15 MPa，工作温度120 ℃。不压井防喷工具总长度为5 220 mm，可承受最大扭矩为2 780 N·m，工具外径为114 mm，封隔器释放载荷100~120 kN。

2 主要配套工具 2.1 防喷脱接器 2.1.1 结构及原理

防喷脱接器结构如图 2所示^[2]。防喷脱接器对接前依靠防喷工作筒的卡块槽和密封锁套卡块的凸台面接触密封防喷。防喷脱接器密封工作筒上端连接油管，下端连接抽油泵泵套。脱接器上端连接抽油杆，下端连接抽油泵活塞。下完抽油杆后，连接在抽油杆下端的对接爪下放对接防喷脱接器，抽油杆对接后下放使密封锁套下移，定位接头下移进入泵筒，即完成对接。

2.1.2 主要技术参数

工作温度40~150 ℃，工作压力＞60 MPa，对接力1~6 kN，脱锁力4~10 kN，适应抽油泵公称直径70、83和95 mm。

2.2 封隔器 2.2.1 结构

封隔器结构如图 3所示。封隔器主要由上接头、连接杆、中心管、卡瓦及下接头等组成^[3-4]。

2.2.2 工作原理

坐封时，封隔器释放丢手无需水泥车加压，采用了锚定管柱压油管释放封隔器的机械坐封工艺技术。完井管柱下完之后，反压油管，当指重表的载荷增至100 kN时，封隔器上接头带动打捞接头、释放套、连接套、卡瓦挂下行，剪断释放销钉，胶筒胀开，卡簧与连接套锁死，稳定30 s，封隔器释放完成。

封隔器释放结束后，上提管柱带动上接头与连接杆上行，释放套和上中心管爪形锁件脱开，完成封隔器的丢手过程，封隔器的打捞接头处被丢开。封隔器的上接头和捅杆相连，打捞接头部分连同锚定卡瓦、尾管和死堵等不压井防喷管柱被锚定卡瓦悬挂在套管壁上。

解封时，上提解封。管柱打捞时，下入ø62 mm分瓣捞锚，下探到鱼顶后，上提载荷超过管柱正常悬重40~50 kN，打捞接头带动释放套、连接套和卡瓦挂上行，剪断卡簧座上的解封销钉，卡瓦牙和胶筒缩回，完成解封过程。

2.2.3 技术特点

封隔器结构设计合理，安全可靠。其采用机械坐封工艺，释放流程简单，避免了水泥车加高压释放封隔器的安全风险；解封结构便于解封，单向卡瓦牙易于收回，减少了打捞封隔器等繁琐事故。另外，封隔器的单向卡瓦牙可以防止不压井防喷管柱上移。

2.3 锚定卡瓦

锚定卡瓦结构如图 4所示。锚定卡瓦^[5]由下撑接头、中心管、卡瓦、固定环、弹簧、隔环、挡环、摩擦块、摩擦体、导向环、导向钉及导向套等组成。锚定卡瓦的作用主要是释放封隔器前，锚定支撑不压井防喷管柱，用于反压油管释放丢手封隔器。封隔器释放丢手后，锚定卡瓦支撑丢手后的不压井防喷管柱，防止不压井防喷管柱下移。

2.4 控液开关^[6-8] 2.4.1 结构及原理

控液开关结构如图 5所示。控液开关和捅杆配套使用，控液开关里有防喷浮子，控制控液开关的进液。当捅杆提出控液开关时，浮子依靠地层流体浮力上浮到上接头位置，在开关上接头密封实现防喷。当捅杆下压防喷浮子下行，控液开关被打开，井底液体从开关的侧壁进液孔进到不压井防喷管柱的上部。二次作业时，当捅杆提出控液开关，防喷浮子上移到上接头处，密封管柱实现防喷作业。

2.4.2 技术特点

(1) 控液开关结构设计简单，防喷浮子材质耐磨耐腐蚀，密封性能良好，能长期在井内使用。

(2) 控液开关采用浮球结构，打开和关闭易于实现。

(3) 捅杆结构尺寸通用性强，其长度范围2 150~3 100 mm、直径范围30~48 mm，均可满足工作要求。

3 模拟计算

为了保证不压井防喷管柱能够顺利通过定向井的造斜井段，利用工具通过造斜井段计算公式进行了工具通过性模拟计算。

2017年2月，选取12-斜21井进行了通过性模拟计算^[9]。该井井眼轨迹示意图如图 6所示，造斜段工具通过示意图如图 7所示。图 6中：A为第一造斜段起点；B为第一造斜段终点；O₁为曲率半径圆心；R₁为造斜点曲率半径，m；C为第二造斜段起点；D为第二造斜段终点；O₂为曲率半径圆心；R₂为造斜点曲率半径，m。

图 7中，根据工具通过斜井段，则有计算公式：

(1)

式中：CD为工具长度，m；EF为油层套管半径，m；EG为下井工具直径，m。

通过计算得到的具体数据见表 1。

从表 1可知，ø114 mm工具通过该井曲率最大的造斜井段的最大长度为8.45 m，而工具总长度为5.22 m，可见该工具可以顺利通过此井的造斜井段。因此，对于最大井斜角小于35°的造斜井段，不压井防喷管柱可以顺利通过。

4 现场应用

2017年2月至2018年5月，在15口抽油机井中应用了不压井防喷管柱，其中11口井为直井，4口井为定向井，工艺成功率达到100%。不压井防喷管柱的成功应用，实现了不压井检泵作业，平均单井缩短检泵期间2.5 d，有效地保护了油气层。

4.1 典型井例一

2017年2月4日，13-斜29井检泵作业，刮蜡洗井后随完井管柱下入不压井防喷管柱。封隔器下至设计深度后，上提管柱1.2 m后再下放管柱锚定，反压油管，大钩的载荷增至102 kN，稳定30 s。管柱瞬间向下移位、井口溢流变小证明不压井防喷管柱已释放。上提油管，完成封隔器丢手。继续下完井管柱，对接防喷脱接器，油管通道被打开后，油管见溢流，然后上提管柱2 m，捅杆被提出控液开关，防喷浮子密封控液开关，油管和油套环空溢流逐渐变小至无，说明不压井防喷管柱释放成功。

13-斜29井封隔器坐封、丢手均一次性成功，封隔器坐封位置最大井斜27.47°，井深1 004 m，经现场检验，不压井防喷管柱取得了较好的试验效果，作业施工周期较上次施工缩短了2.5 d。不压井防喷管柱的应用，实现了油井的不压井检泵作业，缩短了施工井的占井周期，保护了油气层，有效提高了施工效率。

4.2 典型井例二

2017年8月19日，9-3527井措施补孔，需打捞不压井防喷丢手管柱。下入ø62 mm分瓣捞矛，下探到鱼顶后，上提载荷超正常管柱悬重45 kN，完成封隔器解封，打捞成功。现场应用证明，不压井防喷丢手管柱封隔器解封结构设计简单，解卡力小，易于打捞，降低了打捞事故风险。

5 结论

(1) 应用不压井防喷管柱，达到了不压井作业的目的，减少了井下作业对环境的污染。

(2) 封隔器释放丢手工艺简单，省去了灌水加高压释放封隔器的工序，同时也降低了水泥车加高压释放丢手的安全风险。

(3) 不压井防喷管柱和完井管柱一起下入，降低了作业成本，减少了作业占井时间，减轻了劳动强度，提高了施工效率。

(4) 不压井防喷管柱结构设计合理，施工操作简单，打捞方便可靠，能满足大泵抽油机井不压井作业的要求，可以在油田推广应用。

(5) 不压井防喷管柱在应用中见到了较好效果，但还需要进一步完善释放丢手工艺技术。