超稠油井隔熱套管完井工藝技術(shù)及現(xiàn)場試驗(yàn)

許冬進(jìn)，張凡，徐海民，孫星云，丁崇飛

（1.長江大學(xué)教育部油氣資源與勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊州434023；2.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 武漢430033；3.中油國際曼格什套有限責(zé)任公司，哈薩克斯坦 阿克套130000；4.中國石油吐哈油田公司魯克沁采油廠，新疆 鄯善838206）

0 引言

特稠油和超稠油油藏由于原油黏度高、密度大，開采中流動阻力大，造成驅(qū)動效率和體積掃油效率低，一般采用注蒸汽熱采方式。大量的室內(nèi)試驗(yàn)表明，超稠油黏度雖然比較高，但對溫度極為敏感，每增加10 ℃，黏度即下降約一半；因此，提高注入蒸汽熱焓是超稠油熱采開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)［1-4］。在注蒸汽開采的過程中，為了保證蒸汽注入過程中的熱焓（干度），最大限度地降低熱損失，同時防止高溫蒸汽的熱脹冷縮作用損壞套管及水泥環(huán)，進(jìn)而引起管外竄，故須對井筒進(jìn)行隔熱處理。

常規(guī)的普通套管完井，需要配套熱采隔熱工藝技術(shù)，一般采用封隔器隔熱效果較好，但封隔器隔熱工藝復(fù)雜，可靠性差。采用隔熱套管完井隔熱，配套注汽和生產(chǎn)一體化普通油管生產(chǎn)管柱，突破了傳統(tǒng)的稠油隔熱工藝技術(shù)瓶頸，不但能有效地解決井筒隔熱問題，提高套管和水泥環(huán)的安全性和蒸汽熱能的利用率，而且能在放噴后馬上轉(zhuǎn)抽，簡化了注采工藝，有效降低了人工成本和作業(yè)費(fèi)用。該技術(shù)在河南油田的超稠油區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用中效果顯著。

1 常規(guī)稠油隔熱技術(shù)

目前，油田常用的注蒸汽井筒隔熱方式有利用隔熱油管、井下隔熱封隔器、環(huán)空注氮?dú)飧魺?，以及幾種隔熱方式組合等等［5-10］，這些隔熱方式都是通過提高井筒的熱阻來降低注汽過程中的熱損失。

常規(guī)普通套管完井，一般采用井筒封隔器隔熱注汽，但管柱隔熱可靠性差，如封隔器失效易造成隔熱失敗、管柱卡阻等，同時還對常規(guī)的油井洗井、測液面等工藝有影響。隔熱油管注汽工藝，放噴后采用普通油管轉(zhuǎn)抽，導(dǎo)致生產(chǎn)中頻繁作業(yè)，配套下入井下工具多，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，生產(chǎn)成本高。環(huán)空注氮?dú)飧魺峁に嚫魺嵝Ч话?，且每輪次注汽都需要向環(huán)空注入氮?dú)猓柙O(shè)備多（如配備制氮車和氮?dú)庠鰤很嚕?、時間長、成本高。

2 隔熱套管完井技術(shù)

2.1 原理

隔熱套管不同于普通套管，采用內(nèi)外套管（鋼級N80）結(jié)構(gòu)。內(nèi)外套管之間填充隔熱材料，安裝扶正環(huán)，同時將內(nèi)外套管環(huán)隙內(nèi)抽成真空（見圖1）。

圖1 隔熱套管結(jié)構(gòu)示意

這種隔熱套管內(nèi)管采用預(yù)應(yīng)力，大約為392 kN，內(nèi)外管焊接，隔熱套管之間接箍連接，采用偏梯扣螺紋（BCSG），但接箍沒有隔熱性能［11-14］。隔熱套管的平均視導(dǎo)熱系數(shù)為0.010 4 W/（m·℃）。

常規(guī)稠油熱采井主要通過改變井筒的總熱阻來實(shí)現(xiàn)隔熱注采，減少注汽和生產(chǎn)過程中的熱量損失。井筒總熱阻等于油管熱阻、環(huán)空熱阻、套管、水泥環(huán)熱阻之和（見圖2）。

圖2 稠油注蒸汽井眼徑向溫度分布

如圖2所示，井筒流體向地層傳熱必須克服油管壁、油管隔熱層、油套環(huán)空、套管壁、水泥環(huán)等產(chǎn)生的熱阻。由于各部分傳熱系數(shù)差別很大，井眼溫度分布呈非線性（圖中T1為注汽井筒起始溫度，T2為到達(dá)地層的溫度）。井眼總傳熱系數(shù)Uto等于各部分熱阻的總和［2］，則由傳熱機(jī)理推導(dǎo)其計(jì)算表達(dá)式為

式（1）包括了油管壁、油管隔熱層、油管與套管間的環(huán)空、套管壁、水泥環(huán)所產(chǎn)生的總熱阻。由于鋼材熱阻較小，在計(jì)算中可忽略油管、套管和管壁對井眼總傳熱系數(shù)的影響，因此，式（1）可簡化為

式中：ktub，kcas，kcem分別為油管、 套管和水泥環(huán)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；rti，rto分別為油管內(nèi)、外徑，m；rci，rco分別為套管內(nèi)、外徑，m；rins為油管隔熱層外徑，m；rh為水泥環(huán)外徑，m；hc，ht分別為環(huán)空流體和管壁熱對流系數(shù)，W/（m2·℃）；hr為環(huán)空流體輻射傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

由水泥環(huán)外壁到地層的傳熱可根據(jù)Ramey 的近似解得到［15］。結(jié)合式（2）建立熱平衡方程，采用迭代計(jì)算求解，最后可得到在注汽過程中整個井筒的溫度剖面和熱損失。

以一口井深800 m、 井口注汽蒸汽干度為85%的稠油熱采井為例，注汽時分別采用光油管、光油管+隔熱封隔器、隔熱封隔器+隔熱油管等3 種方式，對其注汽過程中井底蒸汽干度進(jìn)行對比（見圖3）。

圖3 不同隔熱方式注蒸汽隔熱效果對比

通過不同隔熱方式對比可以看出，采用隔熱封隔器+隔熱油管注汽，井底的蒸汽干度要比光油管注汽高40%，提高了注汽效率，減少了熱損失，同時還能有效降低套管和水泥環(huán)的熱應(yīng)力，防止套管高溫?fù)p壞。隔熱套管完井工藝的熱阻等于隔熱套管熱阻和固井水泥環(huán)熱阻之和，與普通油管和隔熱油管注汽相比，井筒過流面積大，流動阻力小，熱阻大，隔熱效果更明顯。

2.2 完井工藝

河南井樓油田一區(qū)，主力層埋藏淺，壓實(shí)及成巖作用差，油層膠結(jié)疏松，物性較好，平均孔隙度為32%，平均滲透率為1.67 μm2。油層溫度下脫氣原油黏度為15.039～107.091 Pa·s，屬淺層超稠油。原油黏度對溫度反應(yīng)敏感，隨著溫度升高，黏度迅速下降，當(dāng)溫度由50℃升高到90 ℃后，原油黏度降幅達(dá)到90%以上，有利于注蒸汽開采。為了實(shí)現(xiàn)對該區(qū)塊超稠油的有效動用，提高注汽效率和開采效果，在2 口直井采用隔熱套管完井技術(shù)進(jìn)行了先導(dǎo)試驗(yàn)。

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開發(fā)方案確定采用直井開發(fā)，鉆井設(shè)計(jì)采取二開井身結(jié)構(gòu)（見圖4），表層套管外徑273.05 mm，壁厚10.16 mm，鋼級為J55；油層套管選用的隔熱套管（外徑139.70 mm，內(nèi)徑101.60 mm）下至油層以上5～10 m，油層部位采用N80 鋼級套管（外徑114.30 mm，壁厚為6.35 mm），保持所有套管相同的內(nèi)通徑, 均為101.60 mm，以保證順利固井。

2.2.2 完井工藝設(shè)計(jì)

隔熱套管完井在固井工藝方面和常規(guī)的固井類似［15］。但是由于隔熱套管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，在接箍處存在間隙（見圖1），傳統(tǒng)的固井膠塞不能滿足現(xiàn)場要求，需要特制加長膠塞（加長200 mm），以保證固井的成功率。為了保證超稠油井的固井質(zhì)量，在油層段套管配備了大直徑的彈性扶正器，保證固井工具管串的井眼高度居中。在整個固井工具管串中，因各管串之間的接頭類型不一樣，需要自行設(shè)計(jì)和加工不同類型的變扣接頭，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。

由于隔熱套管的雙層真空結(jié)構(gòu)不能傳播聲波，整個隔熱套管井段不能用常規(guī)方法進(jìn)行固井質(zhì)量評價，只能對油層段進(jìn)行固井質(zhì)量評估，同時要求固井水泥返高到地面。

圖4 超稠油隔熱套管完井井身結(jié)構(gòu)示意

2.2.3 注采配套技術(shù)

由于該儲層屬于疏松砂巖超稠油油藏，為防止地層出砂影響生產(chǎn)，射孔打開油層后配套了小直徑防砂工具，在外徑114.30 mm 套管內(nèi)采用懸掛濾砂管防砂或擠壓充填防砂工藝，以減少出砂，保證熱采效果；在注采方面，采用了套管注汽、油管采油的注采一體化方式，便于生產(chǎn)管理。生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 完井管柱示意

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為了驗(yàn)證隔熱套管對熱采井的隔熱效果，選取該區(qū)塊4 口新投井的前4 輪次注汽和生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行對比。4 口井中，L2834 和L2814 采用隔熱套管完井，L2835 和LZ50 采用普通套管完井。該區(qū)塊的4 口井生產(chǎn)層位都在同一主力層，注汽參數(shù)差別不大；但對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隔熱套管完井注汽套管平均伸長量比普通套管完井注汽套管短，說明隔熱套管隔熱效果明顯，且在生產(chǎn)時平均日產(chǎn)油量是參照井的2 倍左右（見表1）。

表1 隔熱套管和普通套管完井前4 輪次產(chǎn)量對比

4 結(jié)論

1）隔熱套管完井工藝技術(shù)通過完井工藝創(chuàng)新性地解決了超稠油井筒隔熱的問題，極大地減少了井下復(fù)雜的配套隔熱工具的下入，降低了作業(yè)強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)。該工藝中研制了特殊的固井膠塞和配套工具，保證了固井質(zhì)量。

2）使用隔熱套管完井技術(shù)開采超稠油藏，可減少注蒸汽過程中的熱損失，降低了固井水泥環(huán)被熱脹冷縮作用損壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高了可注入深度和注入油層的蒸汽干度，注采管柱安全性好。該技術(shù)不但解決了超稠油舉升時井筒保溫問題，還可以通過環(huán)空注汽對井筒進(jìn)行熱處理，延長生產(chǎn)周期，提高井筒溫度，改善超稠油的開發(fā)效果。

3）隔熱套管完井技術(shù)在超稠油直井上的成功應(yīng)用，是進(jìn)一步開展超稠油水平井先導(dǎo)試驗(yàn)的有益嘗試。

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