海上熱采井筒隔熱工藝管柱研制與應(yīng)用

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(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中海油服 油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459)

在熱采井中，由于井筒和周圍環(huán)境存在較大的溫度差，井筒中熱流體攜帶的熱量會(huì)向周圍散失。大量的熱量損失一方面會(huì)降低蒸汽干度，影響注汽效果；另一方面可能會(huì)使套管發(fā)生熱應(yīng)力損壞，甚至影響到水泥環(huán)[1]。為了提高注汽效果，降低開采成本，保護(hù)套管和水泥環(huán)，需采取一定的技術(shù)和工藝對(duì)熱采井井筒進(jìn)行隔熱處理。

渤海海域稠油儲(chǔ)量十分豐富，對(duì)渤海油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)具有十分重要的作用[2]。目前采用熱采開發(fā)的油田，例如南堡35-2油田、旅大27-2油田等，油藏埋深多在900m以上，埋藏深且多為水平井，主要采用隔熱油管+環(huán)空注氮?dú)獾木哺魺峁に嘯3]，存在以下不足：①向環(huán)空中注入氮?dú)?，一方面?huì)增加作業(yè)成本，另一方面會(huì)增加氣竄的風(fēng)險(xiǎn)[4]，進(jìn)而影響到熱采效果；②使用的隔熱油管接箍不具有隔熱功能，在接箍處的熱損失大[5-6]；③在井斜大的井段，注汽管柱存在“貼壁”現(xiàn)象，和套管內(nèi)壁直接接觸，使熱損失增加。為了進(jìn)一步提高海上熱采井注汽管柱的整體隔熱性能，降低熱損失，提高熱采效果，研制了海上熱采井筒隔熱工藝管柱，可提高海上稠油蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)開采的安全性及有效性。

1 工藝管柱結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)思路

1) 注汽管柱的隔熱。采用高真空隔熱油管作為蒸汽的注入通道，減少熱損失；隔熱油管之間采用隔熱型接箍連接，降低接箍處的熱能損失，確保注汽管柱整體具有良好的隔熱性能[7-8]。

2) 油套環(huán)空的密封。在防砂段上部采用熱采封隔器將油套環(huán)空密封，封隔器上部油套環(huán)空充滿氮?dú)?，防止高溫高壓流體竄入上部油套環(huán)空，保護(hù)套管和水泥環(huán)，延長(zhǎng)油井的使用壽命。

3) 注汽管柱的熱補(bǔ)償。采用隔熱型伸縮管補(bǔ)償注汽管柱的伸長(zhǎng)或縮短[9]，避免注汽管柱彎曲變形，并確保封隔器的密封位置和效果。

4) 注汽管柱的扶正。采用隔熱型扶正器扶正注汽管柱，有效減少注汽管柱與套管內(nèi)壁的接觸面積，降低熱損失，保護(hù)套管和水泥環(huán)。

1.2 管柱結(jié)構(gòu)

該工藝管柱主要由高真空隔熱油管、隔熱型油管接箍、熱敏封隔器、隔熱型伸縮管以及隔熱型扶正器等組成,如圖1所示。隔熱型工具能有效減少井筒熱損失，提高井底注汽干度，熱敏封隔器密封油套環(huán)空，減少氮?dú)獾淖⑷肓俊?/p>

圖1 海上熱采井筒隔熱工藝管柱結(jié)構(gòu)示意

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 管柱適用于套管外徑為?244.5 mm的中深層大斜度熱采井。

2) 管柱選用外徑為?114.3 mm的高真空隔熱油管，隔熱等級(jí)為E級(jí)，隔熱油管之間通過隔熱型接箍連接[9]，井斜程度大的井段安裝隔熱型扶正器，提高管柱整體的隔熱性能，有效減少井筒沿程熱損失。

3) 采用熱敏封隔器密封油套環(huán)空，封隔器以上油套環(huán)空充滿氮?dú)猓鳂I(yè)安全、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)且密封可靠、持久。

4) 管柱采用隔熱型伸縮管,具有良好的滑動(dòng)密封性能和隔熱性能。

5) 管柱耐溫350 ℃,耐壓21 MPa。

2 主要配套工具

2.1 熱敏封隔器

2.1.1結(jié)構(gòu)及工作原理

該封隔器主要由中心管、鎖緊機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、坐封機(jī)構(gòu)與液體膨脹劑等組成，如圖2所示。其工作原理是將封隔器下到設(shè)計(jì)位置，注汽開始后，在高溫流體的加熱作用下，熱脹劑汽化膨脹，推動(dòng)密封件擴(kuò)張，密封油套環(huán)形空間，同時(shí)鎖環(huán)與中心管鎖緊，防止密封件回彈，封隔器實(shí)現(xiàn)坐封；注汽結(jié)束后，隨著井筒溫度的降低密封件收縮，上提管柱實(shí)現(xiàn)解封[3]。

1—中心管；2—鎖緊機(jī)構(gòu)；3—密封機(jī)構(gòu)；4—坐封機(jī)構(gòu)；5—液體膨脹劑。

2.1.2技術(shù)特點(diǎn)

1) 利用熱脹劑受熱體積膨脹完成坐封，不需要地面坐封操作，坐封簡(jiǎn)便。

2) 密封件采用特種耐高溫材料，兩端加有保護(hù)裝置，且具有鎖緊裝置，從而提高了封隔器的密封效果和使用壽命。

3) 無錨定機(jī)構(gòu)，不會(huì)對(duì)套管造成損害，隨著井筒溫度的降低實(shí)現(xiàn)解封，解封安全。

2.1.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑 ?210 mm

內(nèi)通徑 ?76 mm

坐封溫度 200～260 ℃(耐溫350 ℃)

高溫耐壓 21 MPa

解封載荷 <50 kN

2.2 隔熱型伸縮管

2.2.1結(jié)構(gòu)及工作原理

該伸縮管主要由隔熱接箍、內(nèi)管、密封機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)、隔熱外管與傳遞轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)等組成，如圖3所示。其工作原理是將伸縮管下到設(shè)計(jì)位置；注汽時(shí)，隨著溫度的升高注汽管柱伸長(zhǎng)，此時(shí)伸縮管的內(nèi)管就縮進(jìn)隔熱外管內(nèi)；停止注汽，溫度降低注汽管柱縮短，伸縮管的內(nèi)管從隔熱外管中伸出[6]。另外，上提中心管時(shí)，承重接頭的凸凹槽與密封盒的凹凸槽嚙合，此時(shí)伸縮管能夠整體旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳遞轉(zhuǎn)矩。

1—隔熱接箍；2—內(nèi)管；3—密封機(jī)構(gòu)；4—連接機(jī)構(gòu)；5—隔熱外管；6—傳遞轉(zhuǎn)矩機(jī)構(gòu)。

2.2.2技術(shù)特點(diǎn)

1) 采用復(fù)合密封材料，具有良好的滑動(dòng)密封和耐溫耐壓性能。

2) 本體及接頭均采用復(fù)合式隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有良好的隔熱性能。

3) 補(bǔ)償效果明顯，且具有傳遞轉(zhuǎn)矩功能，可滿足旋轉(zhuǎn)管柱作業(yè)的需求。

2.2.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑 ?168 mm

內(nèi)通徑 ?76 mm

補(bǔ)償距 1 700 mm

耐溫 350 ℃

高溫耐壓 21 MPa

隔熱等級(jí) D級(jí)

2.3 隔熱型油管扶正器

2.3.1結(jié)構(gòu)及工作原理

該扶正器主要隔熱接箍、隔熱主體、彈性扶正機(jī)構(gòu)與固定機(jī)構(gòu)等組成，如圖4所示。其工作原理是采用多組沿周向分布的扶正塊，確保注汽管柱的居中效果[6]，減少接觸面積；利用多組彈簧實(shí)現(xiàn)扶正塊的回收和彈出，下入管柱期間遇阻時(shí)扶正塊能回縮，確保管柱的正常下入。

1―隔熱接箍；2―隔熱主體；3―彈性扶正機(jī)構(gòu)；4―固定機(jī)構(gòu)。

2.3.2技術(shù)特點(diǎn)

1) 采用多組扶正塊均勻排列方式，使扶正器在周向上受力均勻，確保管柱的居中效果。

2) 扶正塊內(nèi)放置多組圓柱彈簧，彈性扶正結(jié)構(gòu)確保扶正塊的扶正力。

3) 本體及接頭均采用復(fù)合式隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有良好的隔熱性能。

2.3.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑 ?190 mm

內(nèi)通徑 ?76 mm

耐溫 350 ℃

高溫耐壓 21 MPa

隔熱等級(jí) D級(jí)

2.4 隔熱型油管接箍

2.4.1結(jié)構(gòu)及工作原理

該接箍由外管、接箍體與隔熱層組成,如圖5所示。接箍連接在隔熱油管之間，在接箍處形成密封隔熱夾層，從而降低隔熱管接箍處的熱損失[10]。

圖5 隔熱型油管接箍

2.4.2技術(shù)特點(diǎn)

采用復(fù)合式隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并抽真空、添加吸氣劑，具有良好的隔熱性能。

2.4.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑 ?136 mm

耐溫 350 ℃

高溫耐壓 21 MPa

隔熱等級(jí) D級(jí)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2017-04，該井筒隔熱工藝管柱在渤海某油田X1井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該井為水平井，井深1 578 m，采用多元熱流體吞吐開采。注入?yún)?shù)為溫度262 ℃，壓力13.5 MPa，排量3.8 t/h，注入量3 000 t；井口參數(shù)為油壓6.5 MPa，套壓6.6 MPa。采用隔熱型工具，進(jìn)一步提高了井筒隔熱性能及注熱質(zhì)量，熱敏封隔器密封油套環(huán)空，減少了氮?dú)獾淖⑷肓浚行p緩了氣竄情況。

4 結(jié)論

1) 綜合考慮注汽管柱的隔熱、熱補(bǔ)償、扶正以及油套環(huán)空的密封，研制了海上熱采井筒隔熱工藝管柱及關(guān)鍵配套工具，耐溫耐壓性能好，安全可靠。

2) 與傳統(tǒng)的隔熱工藝管柱相比，該工藝管柱能夠減少氮?dú)獾淖⑷肓浚瑥亩?jié)約作業(yè)成本、減緩氣竄的程度；降低隔熱油管接箍處的熱損失，減少管柱的貼壁現(xiàn)象，進(jìn)一步減少熱損失，提高熱采開發(fā)的效果和安全性。

3) 隨著海上稠油熱采區(qū)塊進(jìn)入吞吐開采后期，將轉(zhuǎn)入蒸汽驅(qū)開采階段，井筒隔熱工藝將成為影響注汽井使用壽命、蒸汽驅(qū)效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。該工藝管柱可為蒸汽驅(qū)提供很好的技術(shù)保障。