國(guó)內(nèi)熱采井高溫膠筒發(fā)展現(xiàn)狀

馬認(rèn)琦，劉 鵬，王世強(qiáng)，鞠少棟

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

稠油資源豐富，約占世界剩余油資源的70%，如何利用有效技術(shù)開(kāi)采稠油，已成為石油企業(yè)面臨的首要任務(wù)[1]。根據(jù)稠油的材質(zhì)特點(diǎn)來(lái)看，稠油對(duì)溫度十分敏感，溫度越高，稠油的黏度便會(huì)越低。熱力采油是稠油開(kāi)采的主要方法，其中熱流體注入是最常用的增長(zhǎng)措施[2-3]。陸地油田使用較多的是蒸汽吞吐，海上油田則是混合流體驅(qū)(成份主要為水蒸汽、CO2和N2)和蒸汽吞吐2種[4]。無(wú)論是哪種注熱形式，都對(duì)井下工具的耐溫、耐壓等級(jí)要求較高，混合流體驅(qū)，井下工具的耐溫等級(jí)不低于280 ℃，蒸汽吞吐，耐溫需達(dá)到350 ℃；井下工具剛體部分的強(qiáng)度在高溫下降低率一般不超過(guò)20%，可以通過(guò)增加鋼件厚度和提高鋼級(jí)的方法進(jìn)行改進(jìn)。密封件，特別是封隔器的膠筒，面臨較大挑戰(zhàn)[5-6]。

1 聚四氟改良復(fù)合膠筒

勝利油田、遼河油田和海上油田的稠熱井較多，由于蒸汽吞吐過(guò)程溫度高，驅(qū)替效果更好，因此開(kāi)采方式以蒸汽吞吐為主。稠油井的完井方式主要以礫石充填水平井為主[7]，勝利油田稠油區(qū)塊的熱采水平井占到水平井總數(shù)的40%左右[8]。對(duì)于井下的完井管柱，封隔器主要有高溫懸掛封隔器和層間的分層封隔器，對(duì)于注汽管柱，注汽管柱下方連接有熱敏高溫封隔器和在完井管柱內(nèi)分層的注汽封隔器。

高溫懸掛封隔器膠筒和分層封隔器高溫膠筒的材質(zhì)使用較多的是聚四氟改良的復(fù)合材料，膠筒硬度遠(yuǎn)高于普通的橡膠膠筒。該類(lèi)膠筒在高溫下保持較高的強(qiáng)度，從而可以在高溫環(huán)境下使用。相對(duì)于勝利油田，遼河油田的注汽溫度較低，注汽時(shí)井口溫度一般不超過(guò)320 ℃，勝利油田注汽時(shí)井口溫度較高，最高可達(dá)到350 ℃。通過(guò)調(diào)節(jié)高溫膠筒添加劑的含量，可以使膠筒在320～350 ℃溫度下使用。

該類(lèi)膠筒的優(yōu)點(diǎn)：①未注蒸汽前，即溫度較低時(shí)可以在較低坐封力下實(shí)現(xiàn)坐封，且密封的壓力較高，滿足礫石充填工藝要求；②注入蒸汽后，膠筒硬度降低，在高溫下會(huì)在坐封的基礎(chǔ)上進(jìn)一步膨脹，可在350 ℃高溫下密封21 MPa以上的壓力，滿足第1輪次中分層均勻注汽的需要。

該類(lèi)膠筒只能在第1輪次中實(shí)現(xiàn)密封，一旦溫度降低，則密封能力劇降。通過(guò)對(duì)常用的聚四氟改良復(fù)合膠筒進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降到常溫下后僅能密封3 MPa以內(nèi)的壓力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的密封。

該類(lèi)膠筒雖然在溫度降低后密封能力降低，并不影響其使用，因?yàn)樵诘?輪次的蒸汽吞吐過(guò)程中，一些細(xì)砂礫石會(huì)被沖到膠筒下面，形成砂橋，即使第1輪次結(jié)束后，懸掛封隔器的膠筒無(wú)法進(jìn)行高壓密封，在膠筒下方砂橋的阻擋下，地層砂及充填的砂礫也很難沖到膠筒上方，也就是說(shuō)低壓密封僅起到擋砂的作用。目前，該類(lèi)膠筒在勝利油田已應(yīng)用幾百口井，因懸掛封隔器膠筒失效而出砂的事故井極少；同時(shí)該類(lèi)膠筒的成本較低，一套膠筒的成本僅為2 000～3 000元，因此在各油田得到了大規(guī)模應(yīng)用。

對(duì)于聚四氟改良材質(zhì)的高溫膠筒，膠筒的坐封方式有2種，一種是壓縮式，坐封方式與普通的橡膠膠筒一樣，將膠筒壓縮后，實(shí)現(xiàn)封隔，如圖1；另一種是楔入式，坐封方式相對(duì)于壓縮式，對(duì)膠筒壓縮的更加充分，且不用考慮膠筒被壓縮后在軸向發(fā)生回復(fù)。該坐封方式對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)要求較低，如圖2。

圖1 壓縮式膠筒

圖2 楔入式膠筒結(jié)構(gòu)

除了完井管柱上的懸掛封隔器和分層封隔器，為了均勻注汽，注汽管柱上連有2種封隔器，一種是坐封在套管內(nèi)的熱敏封隔器，該封隔器是防止注入的蒸汽返到套管內(nèi)[9]；另一種是坐封在篩管內(nèi)的管內(nèi)封隔器，實(shí)現(xiàn)完井管柱內(nèi)的均勻注汽。熱敏封隔器膠筒由內(nèi)外兩部分組成，內(nèi)部是數(shù)組熱敏金屬材料，外部是聚四氟改良復(fù)合膠筒。每組熱敏金屬材料是由上下兩層金屬構(gòu)成的，當(dāng)注入蒸汽溫度升高時(shí)，由于兩層金屬的熱膨脹系數(shù)不同而迫使本身發(fā)生撓曲變形而產(chǎn)生變形力，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，熱敏金屬件即可擴(kuò)張撐開(kāi)膠筒使其與套管內(nèi)壁接觸，實(shí)現(xiàn)初步坐封，當(dāng)溫度到達(dá)280 ℃左右時(shí)，膨脹到最大，實(shí)現(xiàn)套管內(nèi)的密封[10-11]。篩管內(nèi)的管內(nèi)封隔器膠筒屬于皮碗單向密封件，材質(zhì)也是聚四氟改良復(fù)合材料，注汽壓力越大，皮碗外徑被撐的越大，密封效果越好，而該類(lèi)膠筒可密封的壓差僅為5 MPa左右，適合均勻注汽。

2 石墨硅基復(fù)合膠筒

為了讓膠筒在第2輪次及以后的輪次中能夠密封，實(shí)現(xiàn)可靠的分層，勝利油田與北京某科技公司合作開(kāi)發(fā)了一種新型耐高溫復(fù)合材料。該復(fù)合材料主要由膨化預(yù)氧絲、核基石墨和聚氮環(huán)硅烷基組成，采用幾微米到20 μm的硅基纖維為基材，通過(guò)在其分子矩陣內(nèi)加入納米級(jí)的交聯(lián)劑鏈接矩陣，并融入核用石墨，增強(qiáng)其耐腐蝕性與潤(rùn)滑性，形成一種新型的能夠耐高溫高壓的高強(qiáng)度高彈性復(fù)合材料，如圖3。該新型復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度不低于20 MPa，壓縮率不低于50%，回彈率不低于50%。該材質(zhì)制成的膠筒雖然也需要在高溫下能保持較高強(qiáng)度，但是該膠筒材質(zhì)的硬度與普通橡膠膠筒相近，手可以壓縮，如圖4。該膠筒可以在高溫下仍有較好的彈性，即使溫度從350 ℃高溫降至常溫，膠筒對(duì)套管的回彈力也較好，仍能密封20 MPa的壓力。將該膠筒用高溫噴槍進(jìn)行烘烤，烘烤處的表面出現(xiàn)一層白色灰狀物質(zhì)，用手一擦，即可擦掉，與烘烤前一樣，如圖5。

圖3 新型耐高溫復(fù)合材料膠筒

該膠筒優(yōu)點(diǎn)：①膠筒材質(zhì)較軟，硬度與普通橡膠膠筒相當(dāng)，可以在較低的坐封力作用下實(shí)現(xiàn)充分坐封，且可以在常溫下密封不低于20 MPa的壓力，不影響后續(xù)的礫石充填工藝的實(shí)施；②注蒸汽過(guò)程，第1輪次完成后，在后續(xù)的幾個(gè)輪次過(guò)程中，即使溫度下降，該膠筒仍對(duì)套管有大的側(cè)壓力，可以密封不低于20 MPa的壓力，實(shí)現(xiàn)分層均勻注汽，也可以分層開(kāi)采。

圖4 手壓膠筒

圖5 擦拭后的膠筒

該膠筒雖然在性能上優(yōu)于聚四氟改良復(fù)合膠筒，但該新型復(fù)合材料的合成工藝相對(duì)復(fù)雜，成本高于聚四氟改良復(fù)合膠筒，因此在推廣應(yīng)用上存在較大困難。目前，該新型膠筒僅在勝利油田成功應(yīng)用3口井左右。

3 新高溫膠筒方案

考慮到聚四氟改良復(fù)合膠筒無(wú)法在高低溫交替環(huán)境下正常工作，而新型的石墨硅基膠筒成本過(guò)高，設(shè)計(jì)了2種新的高溫膠筒方案，一種是為了防止已經(jīng)膨脹的聚四氟改良材質(zhì)膠筒在溫度降低時(shí)回復(fù)，影響密封，將聚四氟改良復(fù)合膠筒外側(cè)和內(nèi)側(cè)增加石墨，因?yàn)槭S膠筒一旦被壓實(shí)，在高低溫變化過(guò)程中，體積變化極小，從而防止了聚四氟改良復(fù)合膠筒回縮，膠筒組合結(jié)構(gòu)如圖6。另一種是通過(guò)在聚四氟改良復(fù)合膠筒兩邊增加碟簧或熱敏材料，碟簧或熱敏材料可增加聚四氟改良復(fù)合膠筒的預(yù)緊力，增加密封效果。

圖6 高溫膠筒方案一示意

4 結(jié)論

1) 聚四氟改良復(fù)合膠筒成本較低，應(yīng)用較廣泛，但只能在第1輪次注汽中密封較好，實(shí)現(xiàn)均勻注汽，在后續(xù)輪次僅能起到擋砂的作用。

2) 石墨硅基復(fù)合膠筒可以在多輪次注汽中密封良好，可以在多次冷熱交替環(huán)境下使用。但成本過(guò)高，推廣較難，需要大幅降低成本。

3) 通過(guò)增加石墨和預(yù)緊力，設(shè)計(jì)了2種新的膠筒方案，便于后續(xù)研究。