超深井采注安全工具设计及应用

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１环空安全控制装置———环空液压双通道控制阀

同心双管同井采注管柱具有管柱结构简单、风险低的优点，但目前同心双管同井采注技术因没有环空安全控制技术及配套工具，无法满足海上超深井完井作业要求。因此，需要一种具有双通道的环空安全控制装置来满足深井及特殊作业安全需求，该工具要与生产油管之间形成环空出油通道，生产油管为注水通道，可通过地面控制液控管线加压打开控制阀，实现环空采油；当需要关闭采油通道时，液控管线泄压，控制阀自动关闭，并实现正反向高压密封。

１.１工具结构

根据海上油田超深井安全生产要求，设计出适用于同心双管同井采注管柱封隔环空通道的环空液压双通道控制阀，通过增加弹性套设计，解决了由于长时间生产中出液孔杂质堆积、无法正常关闭问题。工具本体外设２道管线通道，一道可放置电泵的扁电缆；另一道可放置化学药剂注入阀、放气阀等液控管线，并通过绑带固定在本体上，避免管柱起下过程中受损。

１.２工作原理

环空液压双通道控制阀是一种地面控制、井下安装的装置，通过油管下入和回收，由连接到地面控制系统的液压管线进行操作。其工作原理是将此控制阀下入到设计深度后，密封插杆随油管下入到此环空安全控制装置中的密封筒位置，通过密封插杆上设有的密封件密封。此时形成２个过液通道，密封插杆内通道和密封插杆及环空液压双通道控制阀的环空通道，实现注水工艺与采油工艺两用。油气井正常生产时，地面控制系统通过泵给控制阀提供液压油并使其自动保持在设定的打开压力下，液压力推动活塞移动，同时压缩弹簧，活塞继续下移，带动关门套移动到弹性套上端，与弹性套接触，关门套与内衬套上的出液孔上下连通，内衬套与９８.５ｍｍ（３.８８英寸）插入密封的环空通道导通，实现油井正常生产，如图４所示。当需要关闭密封插杆与控制阀的环空通道时，地面控制系统可泄掉控制管线内的压力。泄压之后主轴和关门套在弹簧的作用下上移恢复到起始位置，关门套与内衬套上的出液孔上下密封，封隔采油通道。

１.３主要性能及技术参数

１）采用滑套式结构设计，与生产油管环空形成过流通道，实现同心双管管柱之间环空的液气隔断控制。２）大通径液控滑套，能够实现大尺寸中心管（２■8英寸ＮＵ油管）下入。３）操作简单、可靠，方法与常规井下安全阀一样，无需配备特殊设备，易于推广。

１.４性能试验

１）液压腔密封与关闭、开启试验。液压腔密封试验：稳定液压控制压力１０ｍｉｎ，压力从３５ＭＰａ降至３４.９ＭＰａ，稳定后测得的压力下降小于５％的施加压力，试压合格。关闭、开启性能测试：在推荐保持的开启压力２０ＭＰａ下重复进行５次全开、全关控制阀阀门，其完全开启压力的误差均未超过平均值的±５％，符合ＡＰＩ１４Ａ标准要求，环空液压双通道控制阀开关试验数据如表２。２）带循环压力关闭试验。控制阀循环压力增加至２０ＭＰａ，关闭并打开控制阀５次合格。３）密封试验。关闭控制阀，干燥整体表面，调整并稳定整个试压部分至５０ＭＰａ，稳压１５ｍｉｎ，整个液压控制管线部分及控制阀外表面无泄漏。４）插入密封筒后密封性能测试。插入９８.５ｍｍ（３.８８英寸）密封筒，关闭控制阀，连接下端加压。液体介质状态下加压５０ＭＰａ，稳压１０ｍｉｎ试压合格；气体介质状态下加压１.４ＭＰａ，稳压１０ｍｉｎ试压合格。

２中心管控制装置———小尺寸安全阀

同心双管同井采注管柱中心管柱由于有大排量注入要求的注入通道，需要采用阀板式的井下安全阀来实现安全控制，阀板设计结构克服了球阀在更换密封部件时必须将球体与配合的球座同时更换的缺点［１９］，其密封由阀板环形面与阀板座环形面之间的装配关系来实现［２０］，在井口出现重大故障时能自动关井，防止井喷事故的发生。

２.１工具结构

根据海上油田同心双管同井抽注管柱结构特征，设计出了满足大排量注入要求的小尺寸安全阀，工具结构如图５所示。该工具随Ｙ接头上部同心内管柱下入井内，在生产注入过程中，不仅满足控制Ｙ接头上部同心内管大排量注入要求，同时也满足Ｙ接头上部同心内、外管环空的采油过流要求。

２.２工作原理

当油气井需要开启进行生产时，地面液压控制系统通过液压控制管线向井下安全阀注入液压油，液压油产生的液压力通过推动安全阀内的柱塞与中心管向下移动，同时柱塞压缩圆柱形弹簧，中心管逐渐推开阀板，直到完全打开。为保持井下安全阀处于常开状态，地面液压控制系统控制管线内的压力需保持在额定的工作压力之上，图５所示为油气井正常生产时井下安全阀工作状态。当出现紧急情况需要切断生产通道时，通过地面控制系统泄掉液压控制管线内的液压油压力，中心管和柱塞在圆柱形弹簧回复力的作用下回到原位，阀板在扭簧的作用下关闭封隔住油管的液体通道，此时井下安全阀处于关闭状态［２０］。

２.３主要技术参数

小尺寸安全阀主要技术参数。

２.４性能试验

１）整体密封试验。关闭安全阀，保持整体外表面干燥，调整并稳定整个试压部分至３５ＭＰａ，保压１５ｍｉｎ，整个液压控制管线部分及安全阀外表面无泄漏。２）阀板开关试验。重复进行５次全开、全关安全阀阀门，其完全开启压力的误差均未超过平均值的±５％，符合ＡＰＩ１４Ａ标准要求，小尺寸安全阀阀板开关试验数据如表４。３）流体漏失试验。打开安全阀，液体介质状态下加压３５ＭＰａ后关闭安全阀，稳压１０ｍｉｎ，测得泄漏率为０.５ｃｍ３／ｍｉｎ，满足不大于１０ｃｍ３／ｍｉｎ的ＡＰＩ１４Ａ标准泄漏量要求。

３现场应用

海上某油田Ａ５井为一口采油井，井深３９８３ｍ，单采Ｗ２Ⅰ油组，由于Ｗ３Ⅰ油组能量不足，Ｗ３Ⅳ油组水驱不均，需要该井对Ｗ２Ⅰ油组采油的同时对Ｗ３Ⅰ、Ｗ３Ⅳ油组注水。考虑到平台井槽有限，且再部署注水井成本较高，因此对该井进行更换同井采注管柱作业。由于设计泵挂深度为２６５０ｍ，因此深井安全阀不适用，采用环空液压双通道控制阀控制Ｙ接头上部同心内管及下部电泵环空组成的采油通道，小尺寸安全阀则控制Ｙ接头上部同心内、外管环空与其下部的管柱组成的注入通道。生产通道组成：通过产液油套环空、电潜泵、ø１１４.３ｍｍ（４■2英寸）油管与ø７３ｍｍ（２■8英寸）油管环空、环空液压双通道控制阀、ø１３９.７ｍｍ（５■2英寸）套管与ø７３ｍｍ（２■8英寸）油管环空举升至地面。注水通道组成：通过ø７３ｍｍ（２■8英寸）油管、小尺寸安全阀、Ｙ管旁通管、测调工作筒注水至层位，由分层封隔器与测调工作筒实现分层。安全控制工具在入井前地面试压开关工作正常，下入过程中液压控制管线压力保持稳定，工具性能满足注水和采油通道的安全控制技术要求。经过近２个月的生产跟踪监测，采油量６０ｍ３／ｄ，注水量３００ｍ３／ｄ，同井采注双管工作正常，实现了超深井同井采注安全控制作业要求，充分体现了该配套安全控制工具的有效性、可靠性与实用性。

４结论

１）同心双管同井采注工艺在超深井中使用时深井安全阀存在打不开等不确定性安全风险。通过工艺改进和完善，研制出了环空液压双通道控制阀、小尺寸安全阀等快速关断工具，实现超深井及特殊井作业安全控制目的。２）该安全控制技术具有１个环空采油通道和１个同心大通径（２■8英寸ＮＵ油管通径）注水通道，满足超深井同井采油及大排量分层注水需求。３）该安全控制工具通过地面功能试验，符合ＡＰＩ标准要求，满足超深井现场作业施工技术要求。４）通过在超深井中的成功应用，验证了该配套安全控制工具的有效性、可靠性与实用性，为同井采注工艺技术在超深井的推广应用提供了技术支撑。

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作者:谢新华 冼甲豪 梁玉斌 李志达 冯殿阁 李晓军 单位:中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司