海上熱采井高效注汽及監(jiān)測(cè)工藝研究與應(yīng)用

韓曉冬，鄒 劍，唐曉旭，王秋霞，劉海英，鐘立國(guó)

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459；3.中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引 言

渤海油田蒸汽吞吐先導(dǎo)試驗(yàn)取得了較好的開(kāi)發(fā)效果[1-7]。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有海上常用注汽管柱工藝條件下，熱采井井底蒸汽干度較低，達(dá)不到方案設(shè)計(jì)中蒸汽干度為0.40的要求，在一定程度上影響了熱采開(kāi)發(fā)效果[8-11]。另一方面，注汽管柱自身無(wú)長(zhǎng)效測(cè)試功能，無(wú)法有效監(jiān)測(cè)注蒸汽過(guò)程中井筒沿程的熱力參數(shù)變化，只能通過(guò)高溫五參數(shù)測(cè)試或者微溫差測(cè)試在較短時(shí)間段內(nèi)獲取溫壓參數(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全井筒全時(shí)域監(jiān)測(cè)，且上述作業(yè)相對(duì)復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)較高[12-18]。為進(jìn)一步提升海上油田注汽工藝管柱性能，從提高注汽效果和兼具長(zhǎng)效測(cè)試功能兩方面入手，開(kāi)展了海上油田高效注汽及監(jiān)測(cè)工藝管柱研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以期為海上稠油規(guī)?；療岵商峁┯行У募夹g(shù)支持。

1 注汽管柱隔熱效果影響因素分析

隔熱管隔熱性能直接影響熱采開(kāi)發(fā)效果，而隔熱管隔熱等級(jí)和接箍隔熱效果是影響隔熱性能的2個(gè)主要因素[19-22]。為了對(duì)比隔熱管隔熱等級(jí)和接箍隔熱效果對(duì)井底蒸汽質(zhì)量的影響，應(yīng)用Wellflo軟件建立典型井模型進(jìn)行了模擬分析(圖1、2)。計(jì)算參數(shù)如下：井口蒸汽干度為0.82，注汽壓力為15 MPa，注汽速度為9 t/h；注汽管柱外徑為114.30 mm，內(nèi)徑為88.90 mm；A級(jí)至E級(jí)5個(gè)隔熱等級(jí)的隔熱管的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.070、0.050、0.030、0.010、0.005 W/(m·℃)；接箍分為不帶隔熱襯套和帶隔熱襯套2種。

圖1 隔熱等級(jí)和接箍情況對(duì)井底熱損失的影響

Fig.1 Effects of thermal insulation grade and coupling performance on bottom-hole heat loss

圖2 隔熱等級(jí)和接箍情況對(duì)井底蒸汽干度的影響

由圖1、2可知：接箍隔熱條件下井底蒸汽干度可達(dá)0.22～0.37，熱損失為19.2%～25.6%，與無(wú)隔熱襯套條件下相比，井底干度大幅提高，井筒沿程熱損失明顯降低；在接箍隔熱條件下，隔熱等級(jí)從A級(jí)升高至E級(jí)，井底蒸汽干度提高0.15，熱損失降低6.4個(gè)百分點(diǎn)。因此，為保證注汽質(zhì)量，注汽管柱接箍要進(jìn)行隔熱處理，同時(shí)盡可能使用高隔熱等級(jí)的隔熱油管。

目前海上油田應(yīng)用的隔熱油管屬于內(nèi)連接隔熱油管，接箍不隔熱，導(dǎo)致油套環(huán)空中存在局部高溫點(diǎn)，管柱熱損失較大。采用的高真空隔熱油管隔熱等級(jí)出廠標(biāo)準(zhǔn)為E級(jí)，但隨著使用周期的增加，其隔熱性能會(huì)隨著真空度的降低逐漸變差，影響注汽效果和套管安全。

2 高效注汽管柱工藝優(yōu)化

2.1 隔熱管柱優(yōu)化

針對(duì)高真空隔熱油管的隔熱等級(jí)對(duì)真空度依賴度高、隔熱等級(jí)下降較快，使用壽命短的不足，研制了氣凝膠隔熱油管[23]。氣凝膠隔熱油管與高真空隔熱油管的主要區(qū)別是內(nèi)外管之間除了抽真空之外，填充了導(dǎo)熱系數(shù)和密度極低的氣凝膠材料(導(dǎo)熱系數(shù)λ≤0.02 W/(m·℃)；密度為3.55 kg/m3，僅為空氣密度的2.75倍)，降低了隔熱性能對(duì)真空度的依賴，使用壽命可延長(zhǎng)50%以上，提高了隔熱油管應(yīng)用時(shí)效，降低了熱采開(kāi)發(fā)成本。氣凝膠隔熱油管視導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.010 W/(m·℃)，耐溫可達(dá)400 ℃，接箍處連接方式為外連接，接箍扣型為114.30 mm BC。

2.2 隔熱接箍?jī)?yōu)化

為了降低隔熱油管接箍處的熱損失，提高隔熱效果，采用可與氣凝膠隔熱油管配合的高真空隔熱接箍。高真空隔熱接箍隔熱原理與高真空隔熱油管類似，結(jié)構(gòu)包括外管、內(nèi)管，內(nèi)外管中段有真空隔熱層。高真空隔熱接箍的最高隔熱等級(jí)為C級(jí)(0.020 W·m-1·℃-1≤λ<0.040 W·m-1·℃-1)，接箍扣型為114.30 mm BC，最大外徑為139.00 mm，長(zhǎng)度為226 mm。

優(yōu)化后的隔熱油管內(nèi)外管采用外連接方式且采用高真空隔熱接箍，可有效降低接箍處非隔熱段長(zhǎng)度，降低接箍的熱損失，提升隔熱管柱整體隔熱性能。

3 高溫長(zhǎng)效測(cè)試工藝優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)海上熱采井全井筒長(zhǎng)效溫度監(jiān)測(cè)，在綜合調(diào)研國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有高溫監(jiān)測(cè)工藝的基礎(chǔ)上，初步篩選高溫光纖作為測(cè)試工藝[24]。

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

對(duì)光纖在高溫條件下的適應(yīng)性進(jìn)行了研究。在光纖上設(shè)置2個(gè)光柵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將光纖放置于400 ℃烘箱中，共實(shí)驗(yàn)288 h，實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線如圖3所示。

由圖3可知，2個(gè)光柵監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度在烘箱溫度控制精度內(nèi)(±2 ℃)，且2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度差在1 ℃之內(nèi)，說(shuō)明該高溫光纖可在400 ℃條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效測(cè)試，滿足海上熱采井高溫測(cè)試需求。

圖3 光纖高溫監(jiān)測(cè)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.2 測(cè)試工藝管柱優(yōu)化

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，結(jié)合海上熱采井管柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測(cè)試技術(shù)需求對(duì)測(cè)試工藝管柱進(jìn)行了優(yōu)化(圖4)。測(cè)試管柱主要由光纖、Y型穿越裝置、光纖尾端固定裝置等幾部分構(gòu)成。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平段和直井段油套環(huán)空的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，光纖從油套環(huán)空下入井中，在進(jìn)入水平段前通過(guò)Y型穿越裝置穿越進(jìn)入油管內(nèi)部，并在水平段沿油管內(nèi)部延伸至趾部，通過(guò)尾端固定裝置與測(cè)試管柱連接和固定。

圖4 高溫長(zhǎng)效測(cè)試工藝管柱示意圖

3.2.1 光纖封裝保護(hù)

為了確保光纖在井下復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期有效性，將光纖整體封裝在外徑為6.35 mm、材質(zhì)為825合金的不銹鋼管內(nèi)部。單根不銹鋼管內(nèi)部至少可以同時(shí)裝入4根光纖，可滿足不同類型光纖同時(shí)測(cè)試的技術(shù)需求。

3.2.2 Y型穿越裝置

為解決光纖在油管內(nèi)外的穿越問(wèn)題，注汽管柱在水平段頂部封隔器位置以上設(shè)計(jì)并安裝了Y型穿越裝置(圖5)，提供光纖穿越油管的通道。該裝置主要由上端接頭、下端接頭、Y型穿越接頭以及光纖密封結(jié)構(gòu)組成。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，Y型裝置上下兩端分別與油管連接，光纖從油套環(huán)空經(jīng)Y型穿越接頭處穿入油管，通過(guò)穿越接頭處的密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光纖穿越處的管柱密封，并沿油管內(nèi)部延伸至水平段。Y型裝置上部的光纖可對(duì)油套環(huán)空的溫度進(jìn)行檢測(cè)，下部的光纖可對(duì)水平段油管內(nèi)的溫度進(jìn)行檢測(cè)。Y型穿越裝置外徑為149.00 mm，內(nèi)徑為62.00 mm，長(zhǎng)度為780 mm，上下端扣型分別為88.90 mm EUB和73.03 mm NUP。

圖5 Y型穿越裝置示意圖

3.2.3 尾端光纖固定裝置

為了對(duì)水平段油管內(nèi)的光纖進(jìn)行固定，設(shè)計(jì)并研發(fā)了光纖尾端固定裝置(圖6)。該裝置主要由限位環(huán)、壓環(huán)、銷釘、掛鉤、卡扣、對(duì)接接頭、尾管等組成。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，尾管與油管通過(guò)絲扣連接，內(nèi)嵌光纖的不銹鋼管穿過(guò)限位環(huán)后經(jīng)卡扣卡緊，對(duì)接接頭與掛鉤插入尾管內(nèi)部，掛鉤嵌入尾管內(nèi)臺(tái)肩，實(shí)現(xiàn)光纖與油管間的固定。起出管柱時(shí)，從井口下入重錘，震擊剪斷銷釘，實(shí)現(xiàn)對(duì)接接頭與掛鉤的脫開(kāi)，即可解除固定，上提取出光纖。尾端固定裝置最大外徑為56.00 mm，長(zhǎng)度為130 mm。

圖6 尾端固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

選取海上熱采蒸汽吞吐井A23 h井進(jìn)行了海上高效注汽及監(jiān)測(cè)工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井斜深為2 160 m，垂深為1 295 m，周期注汽量為5 560 t，累計(jì)注汽21 d。

高溫光纖測(cè)試工藝成功實(shí)現(xiàn)了該井全井筒長(zhǎng)效測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了注汽、燜井及放噴整個(gè)過(guò)程的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)光纖實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示結(jié)果可以看出(圖7)，新型高效注汽管柱與以往工藝相比，隔熱油管外壁平均溫度下降超過(guò)100 ℃，隔熱效果提升明顯。

結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用軟件對(duì)該井關(guān)鍵熱力參數(shù)進(jìn)行擬合計(jì)算，并與A22 h井進(jìn)行對(duì)比(表1)。由表1可知，A23H井井底干度為0.50左右，比上一周期提高0.32，且與A22 h井相比，沿程熱損失降低8.26個(gè)百分點(diǎn)，井底干度提高0.38，蒸汽注入質(zhì)量明顯改善。對(duì)使用后的氣凝膠隔熱油管進(jìn)行抽檢。結(jié)果表明，氣凝膠隔熱油管使用1周期后，隔熱等級(jí)D級(jí)以上合格率達(dá)90%，遠(yuǎn)高于常規(guī)高真空隔熱油管。

圖7 高溫光纖測(cè)試溫度對(duì)比

表1 隔熱效果對(duì)比

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 為提升海上油田注汽管柱隔熱效果，研制了外連接氣凝膠隔熱技術(shù)+高真空隔熱接箍注汽工藝，形成全密封無(wú)熱點(diǎn)井筒配套工藝，能有效降低井筒熱損失，提升井底干度。

(2) 為保證注汽效果，海上熱采井注熱管柱應(yīng)盡可能選用隔熱等級(jí)較高的隔熱油管且選用隔熱接箍來(lái)進(jìn)一步降低注熱管柱散熱點(diǎn)。

(3) 優(yōu)選高溫光纖作為海上熱采井高溫監(jiān)測(cè)工藝，形成了海上熱采高效注汽及監(jiān)測(cè)工藝管柱，并取得了較好的應(yīng)用效果，可為海上稠油規(guī)?；療岵砷_(kāi)發(fā)提供有效技術(shù)支持。