渤海中深層稠油井注熱管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

張彬奇，姬 輝，劉 峰，孫玉豹，胡厚猛

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300450）

稠油在渤海海域的儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)及產(chǎn)能建設(shè)中占據(jù)著重要的地位[1]，然而稠油油藏在冷采開發(fā)方式下開采效果差，部分稠油冷采甚至無開發(fā)效益[2]。渤海油區(qū)稠油熱采現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明熱采可以明顯地提高稠油開采效果[3-5]。渤海某稠油油田埋藏深度在1 000 m以上，管柱長，熱損失大；都是大斜度水平井，經(jīng)驗(yàn)軌跡復(fù)雜，管柱易趟壁，造成溫度損失和溫度集中；油井水平段較長，一般大于300 m，存在水平段油藏動(dòng)用不均甚至局部氣竄的問題。注熱管柱在熱采設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用，不僅要減少溫度損失保證井下蒸汽干度，還擔(dān)負(fù)著分配注入蒸汽，提高熱利用率的作用。注熱管柱對(duì)于注熱效果起著決定性作用。合理的管柱設(shè)計(jì)能解決以上中深層稠油油藏?zé)岵蓡栴}。之前已有對(duì)井筒隔熱和均勻注汽方面的研究，孫玉豹等提出的均勻注汽方式?jīng)]有考慮到長水平井段地層吸氣能力不一的問題，其提出的隔熱方式?jīng)]有考慮接箍散熱以及大斜度井注入管柱與井壁接觸問題[6]。本文對(duì)渤海某中深層油田油井，在以上研究基礎(chǔ)上對(duì)熱采管柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 隔熱設(shè)計(jì)

稠油熱采井筒隔熱方式出發(fā)點(diǎn)都是減少油管及油套環(huán)空的熱損失，注熱段以上使用全隔熱管柱是提高隔熱效果的有效方式。常用的隔熱方式是使用隔熱管柱以及環(huán)空充氮隔熱措施，在渤海已有應(yīng)用，且效果較好[6]。但是該管柱采用的是連續(xù)充氮的方式，可能導(dǎo)致注入氣體太多，導(dǎo)致氣竄風(fēng)險(xiǎn)增大，另外也沒有考慮到注入管柱和油管接觸問題以及接箍散熱問題，需要對(duì)這幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 注入管柱隔熱優(yōu)化

隔熱油管接箍是散熱風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，可以使用隔熱接箍保證管柱隔熱性能，形成全隔熱的注熱管柱。該工具主要由內(nèi)管、外管兩大部分組成，內(nèi)管和外管通過環(huán)形焊縫密閉連接，并對(duì)所形成的夾層進(jìn)行抽真空、填充隔熱材料。推薦使用高真空隔熱油管配合隔熱接箍來達(dá)到較好的隔熱效果（見圖1、表1）。

圖1 隔熱接箍示意圖

表1 隔熱油管及工具參數(shù)

1.2 環(huán)空隔熱方式優(yōu)化

陸地油田普遍使用高真空隔熱油管或者使用光油管加環(huán)空充氮的方式[7]，由于其油井相對(duì)較淺，也能達(dá)到既保證井底干度也節(jié)約成本的目的。海上前期熱采成熟的井筒隔熱方式是隔熱油管+環(huán)空連續(xù)充氮，能大幅度降低熱損失，并在海上試驗(yàn)成功。但是這種方式導(dǎo)致注入地層氮?dú)饬看?，容易造成氣竄。隨著海上熱采封隔器的研發(fā)[8]，海上熱采推薦采用封隔器+高真空隔熱油管+環(huán)空補(bǔ)氮的隔熱方式。

陸地油田常用的封隔器有雙向卡瓦液力坐封的Y441封隔器[9]，目前由于雙向卡瓦大斜度井存在解封問題，不適合海上應(yīng)用，陸地油田應(yīng)用也減少；Y241封隔器單向卡瓦、單向承壓，一般與Y341封隔器組合使用，存在著工具復(fù)雜，可靠性低等問題，陸地油田應(yīng)用也較少；熱敏封隔器，熱力坐封、無卡瓦，高溫密封可靠、低溫解封；綜合來看熱敏封隔器由于其受熱坐封、降溫解封的工作原理，坐封、解封動(dòng)作可靠，基本不受井斜結(jié)構(gòu)影響，較為適合在海上應(yīng)用。

圖2 熱敏封隔器示意圖

表2 熱敏封隔器參數(shù)

其主要原理為：坐封時(shí)，注熱時(shí)隨著井筒溫度的升高，液缸內(nèi)部的熱脹劑受熱氣化膨脹，推動(dòng)液缸、脹環(huán)上行，使密封件擴(kuò)張，貼緊套管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)密封油套環(huán)空；解封時(shí)，注熱結(jié)束后，隨著井筒溫度的降低（≤80℃），液缸內(nèi)的熱脹劑冷卻收縮形成負(fù)壓，使脹環(huán)、液缸回縮，密封件產(chǎn)生一定程度的收縮，上提管柱即可完成解封（見圖2、表2）。

注熱流體時(shí)，井下溫度迅速升高，必然會(huì)引起管柱大幅度伸長，而注熱結(jié)束時(shí)，溫度降低下來又會(huì)引起管柱縮短，因此使用封隔器時(shí)，管柱下端的封隔器已經(jīng)坐封，管柱從井口到封隔器處是固定的，管柱無處伸長，就會(huì)發(fā)生管柱被壓彎，或引起封隔器位置發(fā)生變化，失去密封作用；因此需要井下隔熱補(bǔ)償器來調(diào)節(jié)和補(bǔ)償。同時(shí)隔熱型補(bǔ)償器具有隔熱和傳遞扭矩的功能[8]，可以減少整體管柱的熱量損失，滿足其他作業(yè)需求。

1.3 管柱接觸點(diǎn)隔熱設(shè)計(jì)

海上稠油井筒大部分為大斜度水平井，注熱管柱在下入井中過程中，注熱管柱與套管不可避免相互接觸，特別是隔熱管接箍位置，屬于裸管段，沒有隔熱，當(dāng)與套管相接觸時(shí)，給套管及外部水泥固層帶來危害。

隔熱型扶正器主要用來扶正注熱管柱，確保注熱管柱不與套管內(nèi)壁接觸，能夠有效的降低注熱過程中的熱量散失，最大限度的降低上述危害的程度。該工具主要由連接部分、隔熱部分和扶正機(jī)構(gòu)三大部分組成。隔熱扶正器通過扶正體上的扶正塊支撐套管壁面，使得扶正器和注熱管柱居于套管的軸線處，防止或減少注熱管柱直接接觸套管內(nèi)壁，減小熱損失，同時(shí)工具本身具有優(yōu)良的隔熱性能（見圖3、表3）。

2 均勻注汽設(shè)計(jì)

水平均勻注汽也是影響熱采效果的一個(gè)重要方面，根據(jù)陸地油田經(jīng)驗(yàn)，可以說采用常規(guī)注熱管柱，水平段動(dòng)用程度較低?；\統(tǒng)注汽方式存在水平段動(dòng)用不均，統(tǒng)計(jì)300多口井，水平段動(dòng)用不均的井占80%；水平井段動(dòng)用較好的井段占 1/3～1/2[10，11]。

2.1 均勻注汽方式

均勻注汽分為水平井雙管注汽技術(shù)、水平井多點(diǎn)注汽技術(shù)、水平井分段注汽技術(shù)。通過均勻注汽技術(shù)的實(shí)施，水平段動(dòng)用程度平均能提高24%。雙管注汽適用于水平段小于300 m的油井，推薦在井筒允許的情況下采用分段注汽（見表4）。

2.2 注汽工具

均勻注汽工具主要是配注閥、水平段分段封隔密封器和水平段油管扶正器。

圖3 隔熱扶正器示意圖

表3 隔熱扶正器參數(shù)

在陸地油田常用的帶孔管及常規(guī)配注閥的基礎(chǔ)上研制了均衡配注閥，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在防止熱流體沖擊保護(hù)篩管及配注量可調(diào)。其耐溫可達(dá)350℃，連接螺紋為EU，不會(huì)造成井下下入困難，滿足熱采要求。其工作原理為通過注熱管柱下入到設(shè)計(jì)位置，在注熱過程中，熱流體通過均衡注熱閥內(nèi)的配注孔進(jìn)入到中心管與換向套之間的環(huán)空，流向改變，沿著中心管方向流出，進(jìn)入篩管。注熱閥的位置、數(shù)量、型號(hào)需要根據(jù)地質(zhì)油藏資料、熱流體注入的壓力和流量來設(shè)計(jì)（見圖4）。

表4 均勻注汽方式對(duì)比

圖4 配注閥結(jié)構(gòu)

水平段分段封隔密封器將長水平段分隔成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的注熱流體單元，相對(duì)獨(dú)立的注熱流體單元能夠分別進(jìn)行獨(dú)立的注熱，防止層間干擾、改善籠統(tǒng)注熱，提高油藏的采收率。

其工作原理為：當(dāng)注入熱蒸汽時(shí)，由于溫度升高，熱敏金屬開始動(dòng)作，當(dāng)溫度達(dá)到200℃時(shí)，熱敏金屬件即可推動(dòng)密封膠筒擴(kuò)張直至與套管內(nèi)壁接觸，實(shí)現(xiàn)初步坐封。初步坐封后，套管內(nèi)封隔器的上下兩端形成壓力差，通過平衡氣孔的熱蒸汽繼續(xù)推動(dòng)密封膠筒向外擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)坐封。注汽壓力越大，密封壓力也越大，保證了密封的持久性與可靠性。停止注汽后，密封件自動(dòng)回收，實(shí)現(xiàn)解封（見圖5、表5）。

水平井油管扶正器主要是配合水平段分段封隔密封器使用，用于水平井分段注熱保證管柱居中，使水平段分段封隔密封器坐封時(shí)密封膠筒均勻膨脹，達(dá)到更好的密封效果。

3 設(shè)計(jì)案例

針對(duì)渤海某中深層稠油油田A井進(jìn)行了管柱設(shè)計(jì)。該井井深2 400 m，垂深1 400 m，水平段長310 m，根據(jù)油藏和ODP要求，注入?yún)?shù)為：注汽干度0.9，注汽速度：12.5 t/h；注汽壓力：18 MPa。應(yīng)用管柱受力分析軟件分析管柱與井壁的接觸點(diǎn)，設(shè)計(jì)隔熱扶正器的數(shù)量和位置；根據(jù)地質(zhì)分析將地層分為三段，應(yīng)用均勻注汽設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行配注閥設(shè)計(jì)；熱敏封隔器設(shè)置在水平段入口，隔熱補(bǔ)償器設(shè)置在封隔器上部20 m左右位置。管柱結(jié)構(gòu)和工具設(shè)計(jì)結(jié)果（見圖6、表6、表7）。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)比隔熱油管和隔熱套管，優(yōu)選隔熱油管和環(huán)空隔熱方式，推薦注熱管柱使用高真空隔熱油管和隔熱工具，配合環(huán)空補(bǔ)氮工藝的隔熱工藝，能達(dá)到較好的隔熱效果。

（2）渤海中深層稠油油井水平段長，且不均質(zhì)性強(qiáng)，推薦使用分段注熱方式進(jìn)行均質(zhì)注汽設(shè)計(jì)，水平段封隔器采用膨脹金屬密封，配合扶正器，密封性和下入性都得到保障。

（3）通過理論計(jì)算，該套注熱管柱熱損失從46.3%降到17.6%，水平段入口干度從0升高到56.96%，能夠保證注熱效果。

圖5 水平段分段封隔密封器示意圖

表5 均勻注熱工具參數(shù)

表6 工具設(shè)計(jì)結(jié)果

（4）由于修井漏失會(huì)造成嚴(yán)重地層冷傷害，建議在管柱上使用防污染封工具[12]，進(jìn)一步提高注熱效果。

圖6 注熱管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

表7 隔熱管柱隔熱效果計(jì)算

遼陽石化研發(fā)出可替代進(jìn)口異構(gòu)化催化劑

10月5日，經(jīng)過6年的艱苦努力，遼陽石化的科研人員終于研發(fā)出可替代進(jìn)口的異構(gòu)化催化劑及工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中國石油此類催化劑從無到有的新跨越。

遼陽石化芳烴生產(chǎn)線的263萬噸/年異構(gòu)化處理裝置（含循環(huán)量）所需催化劑一直以來都需要從國外進(jìn)口。一次裝填這樣的催化劑需要5 160萬元。為此，遼陽石化的科研人員決心通過自主創(chuàng)新，研發(fā)出屬于自己的異構(gòu)化催化劑及工藝技術(shù)來替代進(jìn)口產(chǎn)品。

據(jù)介紹，遼陽石化研發(fā)的復(fù)合催化劑無需負(fù)載貴金屬即可實(shí)現(xiàn)與貴金屬催化劑相同的催化功能，成本僅為同類進(jìn)口劑的一半，且能在更高的反應(yīng)空速下運(yùn)行，使乙苯轉(zhuǎn)化率在60%以上，大大降低了乙苯循環(huán)量。遼陽石化這一自主創(chuàng)新的研發(fā)課題從小試研究至今，已申請(qǐng)國家發(fā)明專利5項(xiàng)，2項(xiàng)已獲授權(quán)。

（摘自中國石油報(bào)第7195期）