高溫?zé)岵删鳂I(yè)安全控制技術(shù)*

金業(yè)海，趙智瑋，王興武，趙劍鋒，高廣啟

(中國(guó)石化勝利油田分公司，山東東營(yíng) 257000)

在油田的稠油開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)注入蒸汽的方式對(duì)稠油進(jìn)行加熱降低粘度而使稠油具有良好的流動(dòng)性[1]，蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)是目前稠油油藏開(kāi)發(fā)的主要方式。目前，勝利油田熱采井開(kāi)井?dāng)?shù)4 303口，每年需要轉(zhuǎn)抽、檢泵維護(hù)作業(yè)井?dāng)?shù)2 137口。根據(jù)調(diào)查分析，熱采井作業(yè)是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)施工項(xiàng)目，注入蒸汽溫度高達(dá)350 ℃以上，地層壓力高，油田每年都發(fā)生作業(yè)過(guò)程高溫高壓氣體溢出燙傷事故[2]，同時(shí)存在井噴失控[3]的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究一種熱采井安全高效作業(yè)的工藝，能有效保護(hù)油藏、減少污染、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高井控安全性，滿足熱采井安全作業(yè)要求。

1 技術(shù)方案

高溫?zé)岵删鳂I(yè)安全控制技術(shù)由井下高溫封控裝置[4]和井口高溫防噴裝置兩部分技術(shù)組成。在作業(yè)過(guò)程中，井下高溫封控裝置用于隔離井筒和油藏，防止高溫蒸汽從地層溢出；井口高溫防噴裝置，具有高溫防噴、高溫加載、液壓控制功能，用于在井下高溫封控裝置失效時(shí)封控井口，防止高溫蒸汽從井口溢出[5]。

2 井下高溫封控裝置

井下高溫封控裝置由開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置、高溫封隔裝置和彈簧復(fù)位開(kāi)關(guān)組成，如圖1所示。其工作原理是高溫封隔裝置將井筒封隔，達(dá)到井下高溫蒸汽封隔在地層的目的，開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置通過(guò)壓力控制注蒸汽通道開(kāi)啟或關(guān)閉，彈簧復(fù)位開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉注蒸汽通道。

圖1 高溫封控裝置結(jié)構(gòu)示意

2.1 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置

開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置由剪切環(huán)、卡環(huán)、捅桿活塞、接頭和插封機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 井下開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置結(jié)構(gòu)示意

表1 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置技術(shù)參數(shù)

2.1.1技術(shù)原理

開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置隨生產(chǎn)管柱下入井內(nèi)，利用管柱重量捅開(kāi)彈簧復(fù)位開(kāi)關(guān)，作業(yè)時(shí)從套管打壓，使捅桿活塞上移，關(guān)閉開(kāi)關(guān)。

2.1.2性能試驗(yàn)

將開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置、連接高溫封隔裝置和彈簧復(fù)位開(kāi)關(guān)，裝于試驗(yàn)套管內(nèi)加熱至350 ℃，從A處箭頭所示流道打壓，進(jìn)行開(kāi)啟關(guān)閉和密封性能試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，在密封壓差不小于30 MPa的情況下，開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置能順利捅開(kāi)彈簧復(fù)位開(kāi)關(guān)，套管打壓關(guān)閉壓力在10 MPa左右，滿足表1開(kāi)關(guān)密封能力20～35 MPa，關(guān)閉壓力8～12 MPa的要求。

圖3 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置性能試驗(yàn)示意

表2 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 高溫封隔裝置

高溫封隔裝置由高溫密封件和高溫碟簧組成，高溫密封件起密封作用，高溫碟簧用來(lái)補(bǔ)償密封件松弛，以確保密封件始終處于密封狀態(tài)。密封件的關(guān)鍵是高溫復(fù)合密封材料-TD350。該密封材料技術(shù)原理是采用膨化預(yù)氧絲(3～20 μm)為基材，形成網(wǎng)狀骨架，具有彈性強(qiáng)度，再融入核級(jí)石墨，使其具有耐溫、耐腐和潤(rùn)滑性等性能，最后在其分子矩陣內(nèi)加入納米級(jí)的交聯(lián)劑，形成能夠耐高溫高壓的高強(qiáng)度高彈性復(fù)合材料。

2.2.1TD350彈性性能試驗(yàn)

利用力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)和高溫老化機(jī)進(jìn)行常溫條件和高溫老化條件下的彈性性能測(cè)試，如圖4所示。試驗(yàn)得出圖5所示的壓力與位移曲線關(guān)系和表3所列的性能指標(biāo)。

圖4 高溫復(fù)合密封材料彈性性能試驗(yàn)示意

圖5 高溫復(fù)合密封材料彈性性能曲線

表3 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟關(guān)閉裝置性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.2TD350膠筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在得出高溫復(fù)合密封材料性能基礎(chǔ)上，對(duì)坐封后密封組件接觸壓力與變形進(jìn)行有限元分析，通過(guò)有限元法分析密封組件結(jié)構(gòu)組合，由圖6得出，代表應(yīng)力集中的紅色區(qū)域主要出現(xiàn)在膠筒上下兩端，是產(chǎn)生材料強(qiáng)度破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)。因此，在膠筒兩端和中間采用不同硬度的復(fù)合密封材料解決兩端的應(yīng)力集中問(wèn)題。

圖6 TD350膠筒應(yīng)力

2.2.3高溫密封試驗(yàn)

圖7所示的試驗(yàn)設(shè)備為專用高溫密封材料試驗(yàn)裝置，具有加載液壓力、加熱保溫和試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能。在進(jìn)行高溫試驗(yàn)之前，首先進(jìn)行了復(fù)合材料TD350常溫破碎試驗(yàn)，即在壓縮力20 MPa時(shí)，徑向尺寸從147 mm擴(kuò)展到170 mm不能發(fā)生破碎，經(jīng)試驗(yàn)未發(fā)生破碎，屬正常彈性變形。然后開(kāi)展不同溫度下的密封壓力試驗(yàn)。從表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可驗(yàn)證，復(fù)合材料TD350在350 ℃時(shí)密封壓差達(dá)22 MPa，耐溫耐壓持續(xù)時(shí)間一個(gè)月，能夠滿足密封壓差20 MPa要求。

圖7 高溫復(fù)合密封材料膠筒高溫密封試驗(yàn)示意

表4 高溫復(fù)合密封材料膠筒密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.4分步坐封增力機(jī)構(gòu)

復(fù)合材料TD350膠筒的高溫密封需要不小于25T的坐封力，比常溫密封的坐封力高出15T，為此設(shè)計(jì)了分步座封式多級(jí)液壓缸外置封隔裝置，增加坐封力，如圖8所示。

圖8 分步坐封機(jī)構(gòu)及高溫密封裝置示意

從油管打壓，壓力先作用于一級(jí)增力機(jī)構(gòu)上，活塞下行剪斷剪釘；繼續(xù)打壓壓力分別作用于二級(jí)、三級(jí)增力機(jī)構(gòu)上，活塞缸坐封力疊加推動(dòng)坐封活塞壓縮膠筒和卡瓦坐封于套管內(nèi)壁上，坐封后下放管柱露出注汽孔進(jìn)行注汽；下次作業(yè)時(shí)下打撈管柱對(duì)接后，上提管柱剪斷剪釘即可解封。

3 井口高溫防噴裝置

井口高溫防噴裝置在井下高溫封控裝置失效時(shí)起到二級(jí)保護(hù)作用，防止高溫蒸汽溢出井口。由高溫密封防噴系統(tǒng)、加載控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)組成，如圖9所示。高溫密封防噴系統(tǒng)在井下高溫封控裝置失效時(shí)密封井口，是井口高溫防噴裝置的核心組成部分，加載控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)是井口高溫防噴裝置的輔助組成部分，分別為高溫密封防噴系統(tǒng)提供管柱夾持力和液壓控制力[6]。

井口高溫密封裝置和井下高溫封控裝置在耐溫指標(biāo)上不同，井下密封裝置由于在井下，更靠近高溫區(qū)，且密封結(jié)構(gòu)件體積小，可選用價(jià)格高的密封材料，所以耐溫指標(biāo)350 ℃，而井口高溫密封裝置考慮到油層高溫蒸汽到達(dá)井口有1 000 m左右的沿程溫度損失，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般350 ℃蒸汽從油層到達(dá)井口溫度會(huì)降到150 ℃左右，而且，井口用密封材料用料多，不宜選用價(jià)格較高的密封材料，所以選用耐溫160 ℃的普通的氫化丁晴橡膠作為密封體?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，會(huì)有個(gè)別井井口溫度可能會(huì)超過(guò)150 ℃，這時(shí)應(yīng)及時(shí)對(duì)井口噴水或吹風(fēng)進(jìn)行降溫處理，因此，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，建議現(xiàn)場(chǎng)配上降溫設(shè)施備用，確保安全。

圖9 井口高溫防噴裝置結(jié)構(gòu)示意

圖10 高溫密封防噴系統(tǒng)示意

表5 高溫密封防噴系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

a) 多級(jí)組合高溫密封防噴，滿足井內(nèi)管柱復(fù)雜時(shí)封控高溫蒸汽的要求。

b) 配備剪管器，一旦井口封控失效，可剪斷管柱封井實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽封控，確保萬(wàn)無(wú)一失。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

2016年7月，該技術(shù)在現(xiàn)河采油廠草20-10-081井第一次開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井采用封控油層，密封環(huán)空工藝進(jìn)行注汽，最高注汽溫度338 ℃。由于井下封控裝置的封控作用，使得注汽后油套環(huán)空和井口無(wú)壓力，井口溫度在1 h后降到47 ℃，在注汽結(jié)束當(dāng)天就起初注汽管柱下入生產(chǎn)管柱實(shí)現(xiàn)抽油，減少作業(yè)放噴等待時(shí)間7天。該井注汽參數(shù)見(jiàn)表6，試驗(yàn)效果見(jiàn)表7。從表7可見(jiàn)，該井和上次轉(zhuǎn)軸相比，減少排壓井液60 m3，增油136 t，井口生產(chǎn)溫度提高5.7 ℃。

表6 草20-10-081井注汽參數(shù)

表7 草20-10-081井試驗(yàn)效果

通過(guò)近幾年的不斷完善，截止到目前，該技術(shù)在勝利油田純梁、濱南、現(xiàn)河、孤島、石油開(kāi)發(fā)中心等采油廠推廣應(yīng)用103口井，成功率100%，杜絕了作業(yè)施工中蒸汽溢出井口燙傷施工人員的事故。同時(shí)，平均縮短放噴時(shí)間6.5天，縮短排液時(shí)間10天，單井節(jié)省壓井液11 m3，單井減少蒸汽損失3.1%，單井累計(jì)增油900 t，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

a) 高溫封隔技術(shù)、井下開(kāi)關(guān)控制技術(shù)和井口高溫防噴技術(shù)形成了一套較為成熟的注蒸汽井高溫安全防控技術(shù)。

b) 高溫復(fù)合密封材料加多級(jí)分步坐封技術(shù)，解決了高溫密封難題，密封壓力達(dá)到20 MPa，耐溫達(dá)到350 ℃。

c) 該技術(shù)具備高溫安全保護(hù)作用，同時(shí)也可產(chǎn)生很好的增產(chǎn)增效效果，具有良好的推廣前景。