分注防砂一体化管柱及工艺的制作方法

本发明涉及采油工程技术领域，特别涉及一种分注防砂一体化管柱及工艺。

背景技术

分层注水是目前大多数油田普遍采用的开采技术。在分层注水过程中，由于注入水的溶解、冲刷作用导致泥质分解，使得地层骨架结构和孔隙结构被破坏；聚合物驱后在近井地带残存的聚合物减缓了流体的流动，当注水井快速泄压时，地层深部和近井地带的瞬时高压差会导致地层骨架垮塌，从而使得注水井在注水、洗井和关井停注的过程中由于井筒降压、层间串通等因素而使地层激动返吐出砂。

现有的分层注水管柱不具备防砂功能，注水井出砂后砂子会进入油套环空以及油管内部，导致分层注水管柱被砂埋，影响注水作业的顺利进行，缩短注水管柱的有效工作寿命。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明实施例提供一种集分层注水和防砂功能于一体的分注防砂一体化管柱及工艺。

具体而言，包括以下的技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种分注防砂一体化管柱，所述分注防砂一体化管柱位于套管中，所述分注防砂一体化管柱包括：自井口向下通过油管连接的至少一段注水防砂管柱；

所述注水防砂管柱包括：自上而下依次连接的配水器、上挡砂封隔器、防砂管以及下挡砂封隔器；其中，所述配水器与所述上挡砂封隔器通过油管连接；

所述防砂管包括中心管、外管以及位于外管外侧的金属毡网，所述中心管和所述外管之间具有环形空腔，且所述外管上具有过流孔；

所述上挡砂封隔器和下挡砂封隔器中均设置有用于连通所述防砂管的环形空腔与油套环空的过流通道；

所述上挡砂封隔器和所述下挡砂封隔器分别位于油层的上下两端，所述上挡砂封隔器、所述下挡砂封隔器、所述防砂管的外管与所述套管之间可形成封闭的防砂空间。

进一步地，所述注水防砂管柱还包括：位于所述配水器和所述上挡砂封隔器之间的上扶正器以及位于所述下挡砂封隔器下方的下扶正器。

进一步地，所述分注防砂一体化管柱还包括：位于最上方的所述注水防砂管柱上方以及位于相邻两段所述注水防砂管柱之间的分层封隔器。

进一步地，所述分注防砂一体化管柱还包括：位于最下方的所述注水防砂管柱下方、并通过油管与最下方的所述注水防砂管柱连接的沉砂式单流阀，以及位于所述沉砂式单流阀下方、并通过油管与所述沉砂式单流阀连接的丝堵；

所述沉砂式单流阀的阀体具有沉砂通道、洗井通道以及洗井侧孔；所述沉砂通道与油管内部连通；所述洗井通道通过所述洗井侧孔将所述油套环空与油管内部连通；在所述洗井通道内设置有阀球，所述阀球用于控制油管内部与油套环空之间的连通与断开。

进一步地，所述分注防砂一体化管柱还包括：位于最下方的所述注水防砂管柱和所述沉砂式单流阀之间的水力卡瓦。

进一步地，所述分注防砂一体化管柱还包括：位于最上方的所述注水防砂管柱上方、并且自上而下依次连接的注水单流阀、伸缩管、反扣安全接头以及水力锚。

进一步地，所述分注防砂一体化管柱还包括：位于相邻两段注水防砂管柱之间的液压安全接头。

第二方面，本发明实施例提供了一种分注防砂一体化工艺，所述分注防砂一体化工艺由上述的分注防砂一体化管柱实施，所述分注防砂一体化工艺包括：

将所述分注防砂一体化管柱下放至预设位置后坐封完井，使所述上挡砂封隔器、所述下挡砂封隔器、所述防砂管的外管与所述套管之间形成封闭的防砂空间；

分层注水，将注入水通过所述配水器输出至油套环空，所述注入水进入所述上挡砂封隔器的过流通道以及所述防砂管的外管和中心管之间的环形空腔，再经所述防砂管的外管上的过流孔及所述金属毡网后进入油层；停止注水时，地层砂由油层进入所述上挡砂封隔器、所述下挡砂封隔器、所述防砂管的外管与所述套管之间形成的防砂空间内后，被所述金属毡网阻挡在所述防砂空间内；

洗井，洗井时油套环空内的洗井液通过所述上挡砂封隔器的过流通道、防砂管的外管和中心管之间的环形空腔以及所述下防砂封隔器的过流通道向下流动。

进一步地，洗井时，当洗井液向下流动至所述沉砂式单流阀的洗井侧孔时，洗井液经所述洗井侧孔进入所述沉砂式单流阀的洗井通道，再经所述洗井通道进入油管内部；

进入油管内的杂质经过所述沉砂式单流阀的沉砂通道沉入位于所述沉砂式单流阀下部的油管内。

进一步地，所述分注防砂一体化工艺还包括：解封起管柱，当管柱起出过程中的拉力超过预设安全载荷值时，使所述分注防砂一体化管柱从位于相邻两段注水防砂管柱之间的液压安全接头处断开。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果：

本发明实施例提供了一种集分层注水和防砂功能于一体的分注防砂一体化管柱，分注防砂一体化管柱中设置有至少一段包括配水器、上挡砂封隔器、防砂管以及下挡砂封隔器的注水防砂管柱，防砂管的中心管和外管之间具有环形空腔，上挡砂封隔器和下挡砂封隔器中均设置有用于连通防砂管的环形空腔与油套环空的过流通道，上挡砂封隔器、下挡砂封隔器、防砂管的外管与套管之间可形成封闭的防砂空间。在分层注水时注入水通过配水器进入油套环空，再进入上挡砂封隔器的过流通道以及防砂管的环形空腔，并经防砂管的外管上的过流孔及金属毡网进入油层；停止注水时，地层砂由油层进入上挡砂封隔器、下挡砂封隔器、防砂管的外管与套管之间形成的防砂空间内后，被金属毡网阻挡在防砂空间内，不能进入油管。

采用本发明实施例提供的分注防砂一体化管柱能够有效避免分层注水管柱被砂埋，保证注水作业的顺利进行，提高注水管柱的有效工作寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的注水井分注防砂一体化管柱的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的注水井分注防砂一体化管柱中上挡砂封隔器、防砂管和下挡砂封隔器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的注水井分注防砂一体化管柱中沉砂式单流阀的结构示意图。

图中附图标记分别表示：

1-伸缩管；

2-反扣安全接头；

3-水力锚；

4-分层封隔器；

100-注水防砂管柱；

10-配水器；

20-上扶正器；

30-上挡砂封隔器；

3001-上挡砂封隔器的中心管；

3002-上挡砂封隔器的外管；

3003-上挡砂封隔器的皮碗；

40-防砂管；

4001-防砂管的中心管；

4002-防砂管的外管；

4003-金属毡网；

50-下防砂封隔器；

5001-下挡砂封隔器的中心管；

5002-下挡砂封隔器的外管；

5003-下挡砂封隔器的皮碗；

5-液压安全接头；

6-水力卡瓦；

7-沉砂式单流阀；

701-沉砂通道；

702-洗井通道；

703-洗井侧孔；

704-阀球；

705-扶正弹簧；

8-丝堵；

9-注水单流阀；

a1-环形空腔；

a2-油套环空；

a3-上挡砂封隔器的过流通道；

a4-下挡砂封隔器的过流通道；

a5-防砂空间；

x-沉砂油管；

y-套管。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

第一方面，本发明实施例提供了一种分注防砂一体化管柱，该分注防砂一体化管柱位于套管中，参见图1，并结合图2和图3，该分注防砂一体化管柱包括：自井口向下通过油管连接的至少一段注水防砂管柱100。

注水防砂管柱包括100：自上而下依次连接的配水器10、上挡砂封隔器30、防砂管40以及下挡砂封隔器50；其中，配水器10与上挡砂封隔器30通过油管连接；

防砂管40包括中心管4001、外管4002以及位于外管4002外侧的金属毡网4003，中心管4001和外管4002之间具有环形空腔a1，且外管4002上具有过流孔；

上挡砂封隔器30和下挡砂封隔器50中均设置有用于连通防砂管40的环形空腔a1与油套环空a2的过流通道；

上挡砂封隔器30和下挡砂封隔器50分别位于油层的上下两端，上挡砂封隔器30、下挡砂封隔器50、防砂管的外管4002与套管y之间可形成封闭的防砂空间a5。

本发明实施例提供的分注防砂一体化管柱中设置有至少一段包括配水器10、上挡砂封隔器30、防砂管40以及下挡砂封隔器50的注水防砂管柱100，防砂管的中心管4001和外管4002之间具有环形空腔a1，上挡砂封隔器30和下挡砂封隔器50中均设置有用于连通防砂管40的环形空腔a1与油套环空a2的过流通道，其中，上挡砂封隔器的过流通道a3将位于上挡砂封隔器30上方的油套环空和防砂管的环形空腔a1连通，下防砂封隔器的过流通道a4将位于下挡砂封隔器50下方的油套环空和防砂管的环形空腔a1连通。

上挡砂封隔器30、下挡砂封隔器50、防砂管的外管4002与套管y之间可形成封闭的防砂空间a5。

在分层注水时注入水通过配水器10进入油套环空a2，再进入上挡砂封隔器的过流通道a3以及防砂管的的环形空腔a1，并经防砂管的外管4002上的过流孔及金属毡网4003进入油层(套管上开设有射孔)；停止注水时，地层砂由油层进入上挡砂封隔器30、下挡砂封隔器50、防砂管的外管4002与套管y之间形成的防砂空间a5内后，被金属毡网4003阻挡在防砂空间a5内，不能进入油管，在进行下一次注水时，将防砂空间a5内的地层砂带回地层。进行洗井时，洗井液通过上挡砂封隔器的过流通道a3、防砂管40的环形空腔a1以及下挡砂封隔器的过流通道a4向下流动。

综上，本发明实施例提供了一种集分层注水和防砂挡砂功能于一体的分层注水防砂一体化管柱，采用该管柱能够有效避免分层注水管柱被砂埋，保证注水作业的顺利进行，提高注水管柱的有效工作寿命。

本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例中，防砂管40除包括中心管4001、外管4002和金属毡网4003外，还包括上下接头、密封件等井下工具常用的部件，以便于防砂管在管柱中的连接。

参见图1和图2，在本发明实施例的一种可选的实施方式中，上挡砂封隔器30包括中心管3001、外管3002以及套设在外管3002外的皮碗3003，上挡砂封隔器的中心管3001和外管3002之间形成上挡砂封隔器的过流通道a3。下挡砂封隔器50包括中心管5001、外管5002以及套设在外管5002外的皮碗5003，下挡砂封隔器的中心管5001和外管5002之间形成下挡砂封隔器的过流通道a4。上挡砂封隔器的皮碗3003、下挡砂封隔器的皮碗5003、防砂管的外管4002以套管y之间形成防砂空间a5。

此外，上挡砂封隔器30和下挡砂封隔器50均还包括上下接头、坐封机构、密封件等部件，通过坐封机构使上挡砂封隔器30和下挡砂封隔器50坐封以形成防砂空间a5。上挡砂封隔器30、下挡砂封隔器50通过各自的上下接头与管柱中其他部件连接。其中，上挡砂封隔器30的上接头与油管连接，上挡砂封隔器30的下接头与防砂管40的上接头连接，下挡砂封隔器50的上接头与防砂管40的下接头连接，下挡砂封隔器50的下接头与油管连接。上挡砂封隔器30和下挡砂封隔器50可以为楔入式封隔器，上挡砂封隔器30和下挡砂封隔器50的作用是防砂，并不需要承受很大的压力。

本发明实施例中，配水器10优选采用防返吐配水器，以防止停注时地层流体进入油管内。

进一步地，参见图1，本发明实施例中，注水防砂管柱100还包括位于配水器10和上挡砂封隔器30之间的上扶正器20以及位于下挡砂封隔器50下方的下扶正器60。通过上扶正器20和下扶正器60来保证管柱的稳定。

进一步地，参见图1，本发明实施例中，分注防砂一体化管柱还包括：位于最上方的注水防砂管柱100上方以及位于相邻两段注水防砂管柱100之间的分层封隔器4。通过分层封隔器4将不同油层之间隔开，以保证分层注水的顺利进行。本发明实施例中，对于一般出砂井封隔器选用y341型封隔器，对于出砂严重的封隔选用k341(4)封隔器。

进一步地，参见图1和图3，本发明实施例提供的分注防砂一体化管柱还包括：位于最下方的注水防砂管柱100下方、并通过油管与最下方的注水防砂管柱100连接的沉砂式单流阀7，以及位于沉砂式单流阀7下方、并通过油管与沉砂式单流阀连接7的丝堵8。

其中，沉砂式单流阀7的阀体具有沉砂通道701、洗井通道702以及洗井侧孔703；沉砂通道701与油管内部连通；洗井通道702通过洗井侧孔703将油套环空与油管内部连通；在洗井通道702内设置有阀球704，阀球704用于控制油管内部与油套环空之间的连通与断开。

沉砂通道701和洗井通道702偏心分布(即分别位于沉砂式单流阀阀体中心线的两侧)。因各种原因进入油管的杂质经过沉砂通道701沉入下部连接的油管(即图中的沉砂油管x)内。洗井通道702内设置有限位台阶，通过该限位台阶将阀球704卡住。洗井侧孔703位于限位台阶的下方。当阀球704受到自下而上的作用力时，洗井通道703开启，使油管内部与油套环空连通，在洗井时使洗井液由油套环空进入油管；当阀球704仅受自身重力或者受到自上而下的作用力时，洗井通道703关闭，使油管内部与油套环空断开。

为了保证在水平井、斜井中沉砂式单流阀的密封可靠，在阀球704的上端还设置有扶正弹簧705，当阀球不受其他外力作用的时候，依靠扶正弹簧705的作用力使阀球704强制复位。

进一步地，参见图1，本发明实施例提供的分注防砂一体化管柱还包括位于最下方的注水防砂管柱100和沉砂式单流阀7之间的水力卡瓦6(即最下方的注水防砂管柱100的下扶正器60和沉砂式单流阀7之间)。水力卡瓦6主要包括卡瓦锚定部分、坐封机构和控制机构三部分。通过水力卡瓦6可有效支撑管柱，使各分层封隔器4、各挡砂封隔器位置保持固定，保持其密封压力，延长管柱的使用寿命。

进一步地，参见图1，本发明实施例提供的分注防砂一体化管柱还包括位于最上方的注水防砂管柱上方、并且自上而下依次连接的注水单流阀9、伸缩管1、反扣安全接头2以及水力锚3。

其中，注水单流阀9设置为井筒与外部注水管线方向截止，防止油管内液体向地面返吐。

伸缩管1主要包括补偿部分、密封机构和控制机构三部分。伸缩管1可有效补偿管柱因温度和压力效应造成的伸缩，改善管柱的受力条件，延长管柱的使用寿命。

反扣安全接头2主要包括上下接头及密封件。反扣安全接头连接于易卡注水工具上部，当后期作业管柱遇卡时时，调整反扣接头在中和点附近，正转油管实现倒扣，起出反扣接头上部管柱，便于下一步处理，提高管柱解卡安全性。

水力锚3主要包括锚体、锚爪、弹簧和防垢衬套。锚体开槽，增加反洗过流面积，内部设计进液割缝防垢衬套，衬管内部填充黄油，由于结垢是流动水所至，防垢衬套把锚爪空间和流动水有效隔离，防止锚爪空间结垢，保证了水力锚解卡顺利。在注水过程中由于油管内压力大于油管外压力，液压力推动锚爪伸出锚体，锚定在套管上，并使油管始终保持中心位置。当油管泄压，油套不存在压差时，在弹簧的作用下，锚爪复位，即可起出水力锚。

进一步地，参见图1，本发明实施例提供的分注防砂一体化管柱还包括：位于相邻两段注水防砂管柱100之间的液压安全接头5。液压安全接头5主要包括上接头、控制活塞、安全剪钉、下接头。在使用时，将液压安全接头组装好和管柱一起下井，下至设计位置。当分层封隔器4坐封锚定后继续升压，液压力把控制活塞的剪钉剪断，推动控制活塞下行释放连接锁块，这时只有安全剪钉连接上、下接头，从而使其起到安全作用。起出管柱时，当下面的管柱遇卡，拉力超过其安全载荷(例如120kn)时，安全剪钉将被拉断，可顺利起出管柱。然后根据井下的实际遇卡情况继续对井下管柱进行处理。

本发明实施例提供的分注防砂一体化管柱中，除各段注水防砂管柱中的上挡砂封隔器30、防砂管40和下挡砂封隔器50之间直接连接，其余各部件之间均通过油管连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种分注防砂一体化工艺，该分注防砂一体化工艺由上述的分注防砂一体化管柱实施，该分注防砂一体化工艺包括：

将分注防砂一体化管柱下放至预设位置后坐封完井，使上挡砂封隔器30、下挡砂封隔器50、防砂管的外管4002与套管y之间形成封闭的防砂空间a5；

分层注水，将注入水通过配水器10输出至油套环空a2，注入水进入上挡砂封隔器的过流通道a3以及防砂管的外管4002和中心管4001之间的环形空腔a1，再经防砂管的外管4002上的过流孔及金属毡网4003后进入油层；停止注水时，地层砂由油层进入上挡砂封隔器30、下挡砂封隔器50、防砂管的外管4002与套管y之间形成的防砂空间a5内后，被金属毡网4003阻挡在防砂空间a5内；

洗井，洗井时油套环空a2内的洗井液通过上挡砂封隔器的过流通道a3、防砂管的外管4002和中心管4001之间的环形空腔a1以及下防砂封隔器的过流通道a4向下流动。

进一步地，在洗井时，当洗井液向下流动至沉砂式单流阀的洗井侧孔703时，洗井液经洗井侧孔进入沉砂式单流阀的洗井通道702，再经洗井通道702进入油管内部，之后洗井液继续上行至水罐，清除油套环空及油管内各种杂质。进入油管内的杂质经过沉砂式单流阀的沉砂通道沉入位于沉砂式单流阀下部的油管内。

进一步地，本发明实施例提供的分注防砂一体化工艺还包括解封起管柱的步骤。如果解卡顺利，封隔器可以逐级解卡，一次性将分注防砂一体化管柱起出；如果解卡力过大，管柱起出过程中的拉力超过预设安全载荷值时，使分注防砂一体化管柱从位于相邻两段注水防砂管柱100之间的液压安全接头5处断开，实现管柱的分段处理，降低打捞难度，提高解卡成功率，从而完成管柱解卡过程。

下面，以两级两段分注防砂一体化管柱为例，对本发明实施例提供的分注防砂一体化管柱及工艺做进一步说明。

参见图1、图2和图3，两级两段分注防砂一体化管柱包括：自井口向下依次连接的伸缩管1、反扣安全接头2、水力锚3、第一分层封隔器、第一段注水防砂管柱、第二分层封隔器、液压安全接头5、第二段注水防砂管柱、水力卡瓦6、沉砂式单流阀7以及丝堵8。在井口安装井口注水单流阀9。

其中，第一段注水防砂管柱和第二段注水防砂管柱均包括自上而下依次连接的配水器10、上扶正器20、上挡砂封隔器30、防砂管40、下挡砂封隔器50以及下扶正器60。

该分注防砂一体化管柱中，两段注水防砂管柱中的上挡砂封隔器30、防砂管40和下挡砂封隔器50直接连接，其他各部件通过油管连接。

上挡砂封隔器的过流通道a3将防砂管的环形空腔a1与上挡砂封隔器上方的油套环空连通，下挡砂封隔器的过流通道a4将防砂管的环形空腔a1与下挡砂封隔器下方的油套环空连通。上挡砂封隔器的皮碗3003、下挡砂封隔器的皮碗5003、防砂管的外管4002和套管y之间可形成封闭的防砂空间a5。

基于以上分注防砂一体化管柱的分注防砂一体化工艺包括

(1)坐封完井：管柱下到设计位置后，油管打压5、10、15、20mpa，在各每个压力状态下各稳压3min，坐封水力卡瓦支撑固定管柱，并使上挡砂封隔器30和下挡砂封隔器50坐封卡在相应油层上下端部的套管上，各分层封隔器同步坐封。其中，水力锚启动压力0.3mpa、y341型封隔器启动压力8mpa、k344型封隔器启动压力0.4mpa、伸缩管启动压力20mpa、水力卡瓦启动压力6mpa。各个工具启动坐封顺序是k344型封隔器、水力锚、水力卡瓦、y341型封隔器和伸缩管。

(2)投捞测试：利用测调联动技术验封和测调，按照配注方案调整各段注水防砂管柱中的配水器10的配注量，达到配注要求。

(3)分层注水：注水时，注入水从配水器10进入油套环空a2后沿上挡砂封隔器的过流通道a3、防砂管的环形空腔a1，经防砂管的外管4002的过流孔以及金属毡网4003进入防砂管的外管4002与套管y之间的空间后，再进入油层，各层注水量由配水器10的水嘴控制。

停注时，地层返吐液体通过防砂管进入油套环空内，地层砂被防砂管的金属毡网4003挡在上挡砂封隔器的皮碗3003、下挡砂封隔器的皮碗5003、防砂管的外管4002和套管y之间可形成封闭的防砂空间a5内。再次注水时，地层砂随注入水回到地层。

(4)洗井：洗井时，洗井液从油套环空经过上挡砂封隔器的过流通道a3、防砂管的环形空腔a1以及下挡砂封隔器的过流通道a4下行，当下行至沉砂式单流阀的洗井侧孔703时，洗井液经沉砂式单流阀的洗井侧孔703进入沉砂式单流阀的洗井通道702，经洗井通道702上行至油管内部，继续上行至水罐，清除油套环空及油管内各种杂质。因各种原因进入油管的杂质经过沉砂式单流阀的沉砂通道701沉入下部的油管(即沉砂油管x)内，避免因砂埋单流阀造成的注水管柱无法洗井问题。

(5)解封起管柱：直接上提管柱起出注水井分注防砂一体化管柱。

如果解卡顺利，封隔器可以逐级解卡，则可一次性安全起出管柱；如果解卡力过大，则使管柱从反扣安全接头2、液压安全接头5等处断开，实现管柱的分段处理，降低打捞难度，提高解卡成功率，从而完成管柱解卡过程。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。