熱采井套管修復(fù)支撐密封的研制

穆學(xué)杰

（勝利油田長龍橡塑有限責(zé)任公司，山東 東營 257000）

熱采井套管修復(fù)支撐密封的研制

穆學(xué)杰

（勝利油田長龍橡塑有限責(zé)任公司，山東 東營 257000）

通過對熱采井工況的充分研究，確定了支撐密封的具體使用環(huán)境。又根據(jù)實(shí)際的工況條件，對幾種耐高溫和耐油橡膠材料進(jìn)行研究，最終確定以高強(qiáng)度氟橡膠為主體材料，經(jīng)過科學(xué)的配合，研制出高性能的密封材料，達(dá)到了使用要求。

熱采；密封；高溫；氟橡膠

1 概 述

世界常規(guī)石油的總資源估計(jì)為3000億t，此外還有稠油、油砂以及油頁巖等非常規(guī)石油資源。它們的儲量折合為石油估計(jì)有八九千億t之多。這些將是本世紀(jì)石油的重要資源。據(jù)有關(guān)報(bào)道，我國稠油的儲量在世界上居第七位，迄今有9個(gè)大型含油盆地和數(shù)量眾多的稠油區(qū)塊。稠油的主要特點(diǎn)是膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，一般在25%～50%之間。隨著膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量的增高，稠油的密度和黏度也增高，高密度和高黏度是稠油的特點(diǎn)，稠油的輕質(zhì)餾分比較低，一般為10%左右。稠油對溫度非常敏感，隨著溫度的升高，稠油的黏度急劇下降。所以目前對稠油的開采一般采用加熱的方式，即熱力采油，其主要方法是蒸氣吞吐和注蒸氣熱采。注蒸氣方法由于采收率高，是一種發(fā)展趨勢[1]。但注入的蒸氣溫度高達(dá)300℃，對套管以及其他采油設(shè)備是一種考驗(yàn)。注蒸氣時(shí)由于注氣管線、水泥隔熱管的作用，到達(dá)套管時(shí)溫度大致在230～270℃。由于長時(shí)間的開采，油井的套管在各種化學(xué)藥劑以及硫化氫氣體的侵蝕下，又隨著石油井吞吐輪次的增加，井內(nèi)套管損害現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，對套管的修復(fù)是大家面臨的一大課題?，F(xiàn)在的套管修復(fù)技術(shù)主要是依靠脹管器或銑錐工具進(jìn)行修理，即膨脹管修復(fù)技術(shù)。膨脹管技術(shù)就是把鋼管的冷擴(kuò)工藝從工廠車間轉(zhuǎn)移到在井下數(shù)千米深處的復(fù)雜工況條件下，通過機(jī)械或液壓，把井下的鋼管及其連接螺紋膨脹到預(yù)定的設(shè)計(jì)直徑，從而達(dá)到石油工程目的。膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)可用于大井段套管修復(fù),完全不同于現(xiàn)有的波紋管套管補(bǔ)貼技術(shù)及補(bǔ)貼加固技術(shù)，在套管修復(fù)后其內(nèi)徑減小量很小，能承受的抗壓強(qiáng)度是其他方法不能比擬的。膨脹管密封懸掛技術(shù)采用耐高溫、高強(qiáng)度的橡膠材料,膨脹后緊密地與原套管內(nèi)壁接觸，從而達(dá)到密封與懸掛的目的。該技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)石油鉆采行業(yè)的核心技術(shù)之一。但對于這種高溫井套管的修復(fù)，對膨脹套管的密封支撐是一個(gè)難題。密封材料一般都選用橡膠材料，既要耐油又要耐270℃的高溫，在材料的選用和配比上是比較困難的。本課題對此展開研究，通過原材料的篩選和科學(xué)的配比，經(jīng)過大量的試驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的效果，并在淺海和新疆進(jìn)行施工，取得了成功。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

氟橡膠1（F1），三愛富；氟橡膠2（F2），美國陶氏；氟橡膠3（F3），日本旭哨子；氟橡膠4（F4），意大利Mоntеfluоs公司；氧化鎂-150，山東；氫氧化鈣，日本產(chǎn)；其他均為市售產(chǎn)品。

2.2 設(shè)備與儀器

開煉機(jī)XK-160，青島第三橡膠機(jī)械廠；材料試驗(yàn)機(jī)，中鐵產(chǎn)品；邵氏硬度計(jì)，遼寧營口產(chǎn)品；老化試驗(yàn)箱401B，上海實(shí)驗(yàn)儀器廠。

2.3 試樣制備

先將氟橡膠塑煉兩段，在開煉機(jī)上混煉。先加入氧化鎂、氫氧化鈣等小配合劑，再加入炭黑，最后加入交聯(lián)劑。薄通三次下片?；鞜捘z停放24h后返煉進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)檢測。

粘合性能測試試樣制備：金屬片用0.8mm鋼丸在拋丸清理機(jī)上處理5min，用丙酮洗凈，晾干2h后，涂覆膠粘劑，待溶劑揮發(fā)徹底后進(jìn)行粘合試片的制備。

試片和粘合測試試樣硫化條件均為170℃×15min。

3 結(jié)果與討論

3.1 主體材料的選擇

表1為采用四種不同牌號氟橡膠，制成試片后的物理性能測試結(jié)果。

總量控制能夠?qū)崿F(xiàn)循序漸進(jìn)與代際公平。在當(dāng)前水質(zhì)較差的情況下，“入河污染物總量”較往年下降就是治理業(yè)績，鼓勵采取綜合治理措施，逐步治污減排，不下陡坎、不“一刀切”，不因往屆前任的問題而“代人受過”。

表1 采用不同牌號氟橡膠的試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，F(xiàn)3和F4的各項(xiàng)指標(biāo)最好。對常溫和較高溫度支撐密封的研制而言，采用高強(qiáng)度的材料是防止修復(fù)套管脫落的重要保證，因此優(yōu)先選擇這兩種材料。修復(fù)套管在井下要在膨脹錐的作用下產(chǎn)生膨脹，使管徑變大，緊緊地貼在外層套管上，所以一定的伸長率是保證管體在膨脹過程中不至于將橡膠密封材料拉斷的重要指標(biāo)。再就是270℃×168h老化后強(qiáng)度的保持方面，F(xiàn)3要好于F4。綜上所述，主體材料優(yōu)先選用F3。

3.2 交聯(lián)劑的選擇

我們選用了DСP、BIBP以及3號硫化劑進(jìn)行比較，其中DСP硫化時(shí)需時(shí)較長，正硫化時(shí)間為170℃×25min；使用BIBP硫化時(shí)正硫化時(shí)間為170℃×12min；3號硫化劑無法進(jìn)行交聯(lián)?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)的效率和防止金屬管體在高溫下發(fā)生變化，以及BIBP的環(huán)保因素，我們采用了BIBP作為交聯(lián)劑。

3.3 膠粘劑的選擇

選用三種膠粘劑進(jìn)行比對試驗(yàn)，開姆洛克和羅門哈斯系列膠粘劑采用雙涂方法，K-160為單涂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，K-160系列粘合強(qiáng)度高，并且附膠率可以達(dá)到100%。所以我們選用K-160系列膠粘劑。

表2 剝離強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 工藝設(shè)計(jì)

4.1 制作前的準(zhǔn)備工作

管體的覆膠部分首先要進(jìn)行噴砂除銹，目的是除去表面的銹跡和油污，同時(shí)增加比表面積，大大增強(qiáng)金屬殼體與橡膠層的粘接強(qiáng)度。然后對噴砂除銹的部位進(jìn)行脫脂處理。我們采用了酮類溶劑進(jìn)行處理，待溶劑揮發(fā)完全后，涂覆膠粘劑K-160，然后在90℃的溫度條件下進(jìn)行預(yù)交聯(lián)。

采用兩段混煉法制備混煉膠。由于氟橡膠生膠強(qiáng)度大，同時(shí)塑煉效果又差。所以先把小料、補(bǔ)強(qiáng)劑和生膠混煉，停放24h后再進(jìn)行第二次混煉，將交聯(lián)劑加入，停放8h后待用。由于氟橡膠自粘性非常差，每次使用前必須進(jìn)行熱煉，并且薄通次數(shù)不能少于10次，再根據(jù)施工表的要求下片進(jìn)行包覆作業(yè)。

4.2 成型硫化

成型方法分直包成型和纏繞成型兩種，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)纏繞成型膠片的搭接過多，又由于氟橡膠自粘性差，容易造成質(zhì)量缺陷。而直包成型只有一個(gè)搭接面，所以不易造成質(zhì)量缺陷，因此選用直包成型。

硫化分為模壓硫化和水包布加壓蒸氣硫化兩種。模壓硫化產(chǎn)品的致密性好，表面光滑，并且與金屬的粘合性好。但是我們在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于在硫化中給管體施加壓力，造成了管體的收縮變形。這可能是管體材料要適應(yīng)膨脹變形，因而材質(zhì)較軟、延展性好造成的。水包布加壓蒸氣硫化存在的缺點(diǎn)是：給制品提供的壓力小，制品的致密性差，與金屬的粘合性比模壓硫化要小，蒸氣容易進(jìn)入膠料和金屬的粘合界面，從而造成粘合失效。針對這些問題我們進(jìn)行了多次試驗(yàn)。采用預(yù)封堵法成功解決了水蒸氣的滲入問題。同時(shí)對模壓硫化和水包布加壓蒸氣硫化的膠料進(jìn)行了測試，結(jié)果表明后者的強(qiáng)度更大，原因是氟橡膠需要二次硫化，但制品太長無法進(jìn)行，我們只能采用延長硫化時(shí)間的方法進(jìn)行補(bǔ)救。而二次硫化是一個(gè)補(bǔ)充硫化和使小分子易揮發(fā)物揮發(fā)掉的過程，模壓硫化由于是密閉的，小分子易揮發(fā)物肯定揮發(fā)不出來。水包布加壓蒸氣硫化時(shí)小分子易揮發(fā)物可以通過包布層直接進(jìn)入硫化罐中，這樣既保證了膠料的強(qiáng)度，又能保證與金屬管體的粘接性能。又由于水包布加壓蒸氣硫化不需要加工昂貴的模具，而且可多條產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行硫化，大量節(jié)約了能源。綜上分析，我們最后選擇了水包布加壓蒸氣硫化法進(jìn)行生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

（1） 經(jīng)過試驗(yàn)比較，F(xiàn)3氟橡膠更適用于高溫高壓熱采井的修復(fù)套管支撐密封。

（2） 選用BIBP作硫化劑，硫化時(shí)間短，并且環(huán)保。

（3） 膠粘劑K-160適用于這種氟橡膠的粘合。

（4） 采用水包布加壓蒸氣硫化法既經(jīng)濟(jì)，又能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1] 萬仁溥主編.采油工程手冊[M].北京：石油工程出版社, 2000.

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Study on Supporting and Sealing Material Used in Repairing Thermal Production Well Casing

Mu Xuejie
(Shengli Oil Field Changlong Rubber & Plastic Co., Ltd., Dongying 257000)

In this paper, the specific supporting and sealing environments were determined after sufficient research on thermal production well conditions. Аccording to the studies on several hightemperature resistant rubber and oil resistant rubber in practical working conditions, a high property sealing material was developed to meet the application requirements, of which high strength fluorine rubber was the main material and with scientif c formula.

Thermal Production; Sealing; High Temperature; Fluorine Rubber

TQ 336.4+2

B

1671-8232(2014)03-0036-03

2013-11-19