一种充填、防砂、注汽一体化装置及其作业方法与流程

本发明涉及油气勘探、开发技术领域，特别涉及一种充填、防砂、注汽一体化装置。本发明还涉及使用这种充填、防砂、注汽一体化装置进行作业的作业方法。

背景技术：

在油气田开发过程中，稠油资源作为油田开发中的一种重要资源，由于原油粘度较高，一般采用注蒸汽热采的方式开采，为保障井筒安全、长效及注汽质量，需要有效的井筒封隔密封；同时由于多数的稠油油藏储层疏松，易于出砂，需要在注汽热采前进行充填防砂作业。因此，井筒封隔密封既需要满足常温下25mpa以上高压密封，以实现高压挤压充填防砂；又要满足高温高压注汽封隔密封。

现有技术中，通常采用热采封隔器进行井筒封隔密封，热采封隔器是热流体注入管柱的重要组成部件，其作用是在注入热流体过程中封隔油层以上的油套环空，防止高温流体进入套管和隔热管组成的环形空间，从而达到减少井筒的热损失，且保护油层套管的目的。在注热流体结束，转到采油过程中，封隔器仍能够具有密封作用。目前热采井用封隔器采用常规封隔器的设计理念，由于注汽温度高，为保障井筒安全与注汽质量以及实现在高温高压下对井筒实现封隔，使用的井下密封筒强度比较高，具有高温不软化、高压不变形的特点，由于密封筒这种性能也导致这种常规的封隔器在尺寸有限的井筒条件下存在难以压缩坐封的问题；不能有效满足充填防砂时的常温高压密封要求，导致充填防砂时砂卡管柱，而造成大修作业。

另一方面，目前通常使用的热采充填工具，虽然能满足热采井充填防砂工艺要求，但在注蒸汽时，易发生密封失效情况，不能满足多轮次注汽与生产的高温高压密封要求，注汽时，充填工具易失效，为保障注汽安全，通常需要再次下入桥塞与密插，进行环空密封，既增加了作业工序又增加了作业成本，并且，多次作业又影响热采井注汽开采效果，增加了安全隐患。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在上述技术问题，本发明提出了一种充填、防砂、注汽一体化装置及其作业方法。其不仅能够实现充填、防砂及注汽的一体化施工，而且能够满足在充填、防砂及多轮次蒸汽吞吐过程中的长效密封，既节约了工序，又保证了施工效果。

根据本发明的第一方面，提出了一种充填、防砂、注汽一体化装置，该一体化装置包括充填内管、充填外管、第一密封单元与第二密封单元；

所述充填内管包括依次连接的上接头、连接管、空心阀套及冲管接头，在所述连接管与上接头环空内还设置有第一活塞，该第一活塞套装在所述连接管的外部，其中，所述连接套与空心阀套之间通过销钉连接固定；所述空心阀套内腔还设置有与其配套使用的单流球；

所述充填外管包括设置在所述充填内管外部上外中心管、下外中心管、换向套、连接套及下接头，其中，所述上外中心管一端与下外中心管之间固定连接，其另一端与所述第一活塞通过防转销钉连接固定，所述换向套、连接套及下接头依次连接固定，所述换向套上游端部与所述连接管相连接；

所述第一密封单元包括依次套装在所述上外中心管外部的顶套、第一密封筒、上锥体；

所述第二密封单元包括依次套装在下外中心管外部的下锥体、第二密封筒、隔环、弹性部件、第二活塞、热胀元件及缸套；所述第二活塞、热胀元件位于所述缸套与下外中心管之间的环空内，所述缸套下游端部与下中心管连接固定；在所述下锥体与上锥体之间还套装有卡瓦；所述上锥体的锥面、下锥体的锥面分别与所述卡瓦两端的斜面相贴合。

作为本发明的一种改进，在所述连接管上游还设置有进液口，所述进液口与位于所述第一活塞上端面、上接头之间的环空相连通；与所述空心阀套相接触的连接管内壁上还设置有充填口，当所述空心阀套相对连接管沿下游方向移动时，所述充填口打开，所述连接管的内部与外部相连通。

进一步地，所述第一活塞外壁还设置有返液口，当第一活塞相对上接头沿下游方向移动时，所述返液口打开，所述第一活塞内腔与油套环空相贯通。

作为本发明的又一种改进，在所述换向套与连接管之间的环空内还设置有关门套，所述关门套与所述换向套相接触的表面上还设置有单向扣，所述关门套只能相对换向套沿上游方向单向移动。

优选地，所述第一密封单元还包括第一调节环，该第一调节环位于所述第一密封筒与上锥体之间，该第一调节环可调节第一密封筒的位置。

进一步地，所述第一密封单元还包括设置在所述顶套上游端部且套装在所述上外中心管外部的压环，在所述压环下游端部设置有第一锁环。

作为本发明的再一种改进，所述第二密封单元还包括套装在所述下外中心管外部、位于弹性部件与热胀元件之间且相互抵靠的第二调节环与锁环套，在所述锁环套与下外中心管之间的环空内还设置有第二锁环。

进一步地，所述第一密封单元还包括环绕设置在所述顶套两端且紧邻顶套的限位环。

优选地，所述弹性部件为碟簧，所述单向扣为马牙扣或锁牙。

根据本发明的第二方面，提出了使用充填、防砂、注汽一体化装置进行作业的作业方法，包括以下步骤：

步骤1：充填工具锚定和坐封

从井口投入封堵球，泵入液体加压，在液压作用下，防转销钉被剪断，第一活塞推动顶套移动，进一步压缩第一密封筒，胀封第一坐封单元；

在压力作用下推动上锥体，打开卡瓦上游部分，实现锚定。

步骤2：充填防砂

继续打压至销钉被剪断，空心阀套释放；

泵入充填砂，充填砂通过连接管向地层进行充填；

充填后的携砂液经过充填工具下部的滤砂管过滤后，通过冲管接头下部的冲管返至单流球33处，顶开单流球，经过连接管和上外中心管、下外中心管之间的环形空间进入油套环空；

进行反洗，注入洗井液，洗井液通过连接管和上外中心管、下外中心管之间的环形空间，进入空心阀套上的过水槽，通过连接管返至油管，最终返至地面。

步骤3：丢手

拆井口，转动管柱，实现管柱丢手；并起出充填内管。

步骤4：注蒸汽

下入注汽管柱进行蒸汽吞吐，热胀元件受热膨胀，推动第二活塞向上运动，压缩弹性部件，进一步压缩第二密封筒，胀封第二坐封单元；

同时在压力作用下推动下锥体，进一步锚定卡瓦，实现了高温环境下的坐封与锚定。

与现有技术相比，本发明的优点在于，首先通过充填、防砂、注汽装置的一体化设计，实现了一套管柱就可以进行充填、防砂及注汽作业，不仅简化了工艺程序，降低了施工周期与作业成本，而且又避免了复杂情况的发生；其次，通过第一密封单元与第二密封单元的配合设置，有效解决了充填、防砂、多轮次注蒸汽过程中的井筒密封问题，保证了在充填、防砂及多轮次蒸汽吞吐过程中能够长期保持密封，具有持久、高效的密封性能，既有效保障热采井的充填防砂质量与施工安全，又能保障热采井安全长效生产。

附图说明

图1为本发明充填、防砂、注汽一体化装置的结构示意图。

图2为本发明充填、防砂、注汽一体化装置在充填施工时的机构状态示意图。

图3为本发明充填、防砂、注汽一体化装置在注蒸汽施工时的结构状态示意图。

图中：1-上接头，2-第一活塞，3-返液口，4-防转销钉，5-连接管，6-压环，7-第一锁环，8-顶套，9-第一密封筒，10-第一调节环，11-上外中心管，12-上锥体，13-卡瓦，14-下锥体，15-第二密封筒，16-隔环，17-弹性部件，18-第二调节环，19-锁环套，20-第二锁环，21-下外中心管，22-第二活塞，23-热胀元件，24-缸套，25-换向套，26-充填口，27-关门套，28-单向扣，29-销钉，30-连接套，31-下接头，32-空心阀套，33-单流球，34-冲管接头，35-封堵球。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

在本申请中，用语“上游”是指朝向上接头1的方向，“下游”是指朝向冲管接头34的方向。

图1是本发明的充填、防砂、注汽一体化装置的机构示意图。一种充填、防砂、注汽一体化装置，包括充填内管、充填外管、第一密封单元与第二密封单元；

充填内管包括依次连接的上接头1、连接管5、空心阀套32及冲管接头34，在连接管5与上接头1环空内还设置有第一活塞2，该第一活塞2套装在连接管5的外部，其中，连接管5与空心阀套32之间通过销钉29连接固定；空心阀套32内腔还设置有与其配套使用的单流球33，单流球33坐落在空心阀套32内腔，该单流球33只能允许流体沿下游到上游的方向流动；其中，连接管5置于上接头1内部，上接头1下游端部内侧与连接管5通过螺纹连接。

充填外管包括设置在充填内管外部的上外中心管11、下外中心管21、换向套25、连接套30及下接头31，其中，上外中心管11一端与下外中心管21之间固定连接，其另一端与第一活塞2通过防转销钉4连接固定，换向套25、连接套30及下接头31依次连接固定，换向套25安置于缸套24内部，换向套25上游端部与连接管5相连接；充填外管整体套装在充填内管的外部；

第一密封单元包括依次套装在上外中心管11外部的顶套8、第一密封筒9、上锥体12；第一密封筒9位于顶套8的凹槽内；

第二密封单元包括依次套装在下外中心管21外部的下锥体14、第二密封筒15、隔环16、弹性部件17、第二活塞22、热胀元件23及缸套24；第二活塞22、热胀元件23位于缸套24与下外中心管21之间的环空内，缸套24下游端部与下中心管21连接固定；在下锥体14与上锥体12之间还套装有卡瓦13；上锥体12的锥面、下锥体14的锥面分别与卡瓦13两端的斜面相贴合，在外力作用下，上锥体12及下锥体14能沿锥面将卡瓦13顶出，通过卡瓦13上的卡瓦爪将管柱锚定；

在一具体实施例中，连接管5与上外中心管11为反向螺纹连接。在连接管5上游还设置有进液口，进液口与位于第一活塞2上端面、上接头1之间的环空相连通；与空心阀套32相接触的连接管5内壁上还设置有充填口26，当空心阀套32相对连接管5沿下游方向移动时，充填口26打开，此时，连接管5的内部与外部相连通。

第一活塞2外壁还设置有返液口3，当第一活塞2相对上接头1沿下游方向移动时，返液口3打开，第一活塞2内腔与油套环空相贯通。

在换向套25与连接管5之间的环空内还设置有关门套27，关门套27与换向套25相接触的表面上还设置有单向扣28，关门套27只能相对换向套25沿上游方向单向移动。在一优选的实施例中，单向扣28为马牙扣或锁牙。

在又一具体实施例中，第一密封单元还包括第一调节环10，该第一调节环10位于第一密封筒9与上锥体12之间，该第一调节环10可调节第一密封筒9的位置。

第一密封单元还包括设置在顶套8上游端部且套装在所上外中心管11外部的压环6，在压环6下游端部设置有第一锁环7，第一锁环7与上外中心管11外表面通过螺纹相互啮合，从而保证第一锁环7只能沿上游到下游的方向作单向移动。

第二密封单元还包括套装在下外中心管21外部、位于弹性部件17与热胀元件23之间且相互抵靠的第二调节环18与锁环套19，在锁环套19与下外中心管21之间的环空内还设置有第二锁环20，第二锁环20与下上外中心管21外表面通过螺纹相互啮合，从而保证第二锁环20只能沿下游到上游的方向作单向移动。

在又一具体实施例中，第一密封单元还包括环绕设置在第一密封筒9两端且紧邻第一密封筒9的限位环。限位环用以限制第一密封筒9沿管柱轴向方向上的膨胀，确保第一密封筒9仅在横向方向上发生膨胀。

第二密封单元也可以包括环绕设置在第二密封筒15两端且紧邻第二密封筒15的限位装置。限位装置用以限制第二密封筒15沿管柱轴向方向上的膨胀，确保第二密封筒15仅在横向方向上发生膨胀。

此外，在另一优选实施例中，弹性部件17为碟簧。第一密封筒9为常规胶筒，材质为普通耐油橡胶，能实现250℃以内25mpa以上的高压密封，第二密封筒15为高温密封胶筒，可耐高温300℃--350℃。在第一活塞2、第二活塞22与各自的配合结合面上均分别设有密封圈，以确保密封效果。

充填、防砂、注汽一体化装置在充填防砂施工过程中第一密封筒9和卡瓦13上游部分的卡瓦爪起到密封和锚定的作用，当注蒸汽过程中，第一密封筒9失效，但是在蒸汽的作用下，第二密封筒15胀开，并打开卡瓦13下游部分的卡瓦爪，保证了注蒸汽过程中油套环空的密封，保证充填工具在多轮次蒸汽吞吐过程中的使用寿命。

下面将根据图1到3来描述使用充填、防砂、注汽一体化装置进行作业的作业方法，包括以下步骤：

步骤1：充填工具锚定和坐封

从井口投入封堵球35，泵入液体加压，在液压作用下，防转销钉4被剪断，第一活塞2推动顶套8移动，进一步压缩第一密封筒9，胀封第一坐封单元；

在压力作用下推动上锥体12，打开卡瓦13上游部分，实现锚定。

步骤2：充填防砂

继续打压至销钉29被剪断，空心阀套32释放；

泵入充填砂，充填砂通过连接管5向地层进行充填；

充填后的携砂液经过充填工具下部的滤砂管过滤后，通过冲管接头34下部的冲管返至单流球33处，顶开单流球33，经过连接管5和上外中心管11、下外中心管21之间的环形空间进入油套环空；

进行反洗，注入洗井液，洗井液通过连接管5和上外中心管11、下外中心管21之间的环形空间，进入空心阀套32上的过水槽，通过连接管5返至油管，最终返至地面。

步骤3：丢手

拆井口，转动管柱，实现管柱丢手；并起出充填内管。

步骤4：注蒸汽

下入注汽管柱进行蒸汽吞吐，热胀元件23受热膨胀，推动第二活塞22向上运动，压缩弹性部件17，进一步压缩第二密封筒15，胀封第二坐封单元；

同时在压力作用下推动下锥体14，进一步锚定卡瓦13，实现了高温环境下的坐封与锚定。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。