海上蒸汽驅(qū)井筒長(zhǎng)效安全控制工具研制及應(yīng)用

胡厚猛, 孫永濤, 孫玉豹, 馬增華, 顧啟林, 汪 成

(中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)研究院，天津 300459)

為了推動(dòng)渤海油田稠油高效開發(fā)，渤海油田先后開展了多元熱流體吞吐、蒸汽吞吐、蒸汽吞吐注采一體化等熱采工藝的礦場(chǎng)試驗(yàn)[1-4]。隨著渤海稠油熱采現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)深入，蒸汽驅(qū)作為稠油熱采中后期重要的接替技術(shù)，也逐漸提上了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的日程。蒸汽驅(qū)與其他熱采工藝相比，具有注熱時(shí)間長(zhǎng)、井下工況高低溫交變的特點(diǎn)，對(duì)井筒安全控制工具提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)外尚無現(xiàn)場(chǎng)成熟應(yīng)用的蒸汽驅(qū)井筒長(zhǎng)效安全控制工具。為此，中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部在井下管柱、配套井下工具等方面開展了技術(shù)攻關(guān)，并在海上首口蒸汽驅(qū)井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 管柱設(shè)計(jì)

蒸汽驅(qū)井筒長(zhǎng)效安全控制管柱主要由高溫井下安全閥、高溫環(huán)空安全封隔器、高溫排氣閥和備用排氣閥組成，如圖1所示。實(shí)際工作過程中，高溫環(huán)空安全封隔器位于井深約200 m處，有效封隔下部環(huán)空流體。其上安裝有高溫排氣閥和備用排氣閥，高溫排氣閥使用液控管線與地面液控柜相連接，可以在地面通過加液壓和泄壓來控制環(huán)空通道的開啟和關(guān)閉，支撐蒸汽驅(qū)實(shí)施過程中的環(huán)空注氮隔熱、洗壓井等工藝措施[5-6]；封隔器上還安裝有備用排氣閥，在高溫排氣閥失效時(shí)也能可靠地通過環(huán)空加液壓來開啟環(huán)空通道；此外，考慮到蒸汽驅(qū)進(jìn)行溫壓監(jiān)測(cè)的需求，高溫環(huán)空安全封隔器還有一定數(shù)量的穿越通道，能夠配合相關(guān)線纜的井下工作。高溫井下安全閥布置于高溫環(huán)空安全封隔器上部，和高溫排氣閥使用同1根液控管線進(jìn)行地面控制，能夠在注熱時(shí)通過地面液控柜加液壓來開啟油管通道，同時(shí)還能在緊急狀況下通過地面液控柜泄壓的方式關(guān)閉油管通道，保護(hù)地面設(shè)備和人員的安全。通過以上布置，既能保證蒸汽驅(qū)井在應(yīng)急狀態(tài)下的油管和環(huán)空通道可靠關(guān)斷，也很好地配合了蒸汽驅(qū)溫壓監(jiān)測(cè)、高效隔熱工藝的開展。

圖1 海上蒸汽驅(qū)井筒長(zhǎng)效安全控制管柱

2 配套工具設(shè)計(jì)

為了滿足海上蒸汽驅(qū)長(zhǎng)期高溫、高低溫交變工況、環(huán)空通道地面控制、溫壓監(jiān)測(cè)的要求，設(shè)計(jì)了高溫環(huán)空安全封隔器、高溫井下安全閥等配套工具。

2.1 高溫環(huán)空安全封隔器

2.1.1結(jié)構(gòu)及工作原理

高溫環(huán)空安全封隔器主要由伸縮補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、主體、坐封機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)和解封機(jī)構(gòu)組成，如圖2 所示。

1-伸縮補(bǔ)償機(jī)構(gòu)；2-主體；3-坐封機(jī)構(gòu)；4-鎖緊機(jī)構(gòu)；5-密封機(jī)構(gòu)；6-錨定機(jī)構(gòu)；7-解封機(jī)構(gòu)。

1) 錨定和坐封。管柱下到設(shè)計(jì)位置后，地面通過連接在主體上的液控管線加液壓，活塞推動(dòng)坐封機(jī)構(gòu)下行，剪斷定位銷釘，推動(dòng)卡瓦伸出，完成卡瓦錨定。繼續(xù)加液壓，完成膠筒坐封。

2) 熱伸縮補(bǔ)償。注熱時(shí)，蒸汽直接通過油管通道注入，封隔器上部管柱會(huì)產(chǎn)生熱伸長(zhǎng)。在上部管柱的伸長(zhǎng)力的作用下，隔熱管下行并剪斷固定銷釘。隔熱管與主體間使用金屬密封，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)密封，從而實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償功能。

3) 解封。上提管柱，隔熱管帶動(dòng)解封塊剪斷解封銷釘，解封塊繼續(xù)上行帶動(dòng)鎖爪回收，卡瓦失去支撐而錨定失效，整體管柱上行，釋放坐封膠筒，最終完成封隔器解封。

2.1.2 性能參數(shù)

高溫環(huán)空安全封隔器的性能參數(shù)如表1。

表1 高溫環(huán)空安全封隔器性能參數(shù)

2.2 高溫排氣閥

2.2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

高溫排氣閥主要由上接頭、連桿、密封套等部件組成，如圖3所示，安裝于高溫環(huán)空安全封隔器上部。上接頭上部連接使用NPT卡套密封的液控管線，下部通過靜密封連接閥座，閥座內(nèi)部和密封套也是采用金屬密封連接[7-8]，于是形成上部密閉腔體；閥座下部和下接頭通過金屬密封連接，同時(shí)在排氣閥關(guān)閉時(shí)閥座和活塞桿形成球-錐密封，形成下部密封腔體。為了保證活塞桿在上下密封腔之間形成可靠密封，設(shè)置了2處滑動(dòng)密封，分別通過固定壓套和墊環(huán)將金屬密封環(huán)固定在密封套內(nèi)部。地面加液壓時(shí)，上部密封腔壓力增加并壓縮彈簧，同時(shí)活塞桿下移，下部密封腔和上部環(huán)空連通，形成環(huán)空通道。地面液控柜泄壓時(shí)，下部密封腔壓力配合彈簧回彈力帶動(dòng)活塞桿上移，活塞桿下部的球-錐密封隔斷上下環(huán)空。

1-上接頭；2-壓帽；3-連桿；4-彈簧；5-上固定壓套；6-墊環(huán)；7-金屬密封環(huán)；8-密封套；9-下固定壓套；10-閥座；11-活塞桿；12-下接頭。圖3 高溫排氣閥結(jié)構(gòu)示意

2.2.2 性能參數(shù)

高溫排氣閥的性能參數(shù)如表2。

表2 高溫排氣閥性能參數(shù)

2.3 高溫井下安全閥

2.3.1結(jié)構(gòu)及工作原理

高溫井下安全閥主要由液控機(jī)構(gòu)、復(fù)位機(jī)構(gòu)和閥板機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。液控機(jī)構(gòu)通過地面液控壓力控制，向安全閥傳遞開啟、關(guān)閉的夜力；復(fù)位機(jī)構(gòu)既是動(dòng)作的傳遞機(jī)構(gòu)，也能保證安全閥可靠關(guān)閉；閥板機(jī)構(gòu)則具體實(shí)現(xiàn)安全閥的開啟和關(guān)閉動(dòng)作。在密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，高溫井下安全閥采用與高溫排氣閥相同的金屬滑動(dòng)密封和金屬靜密封結(jié)構(gòu)，降低研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高整體的密封可靠性。

1-液控機(jī)構(gòu)；2-復(fù)位機(jī)構(gòu)；3-閥板機(jī)構(gòu)。圖4 高溫井下安全閥結(jié)構(gòu)示意

高溫井下安全閥的工作原理為：安全閥通過液控管線與地面液控柜連接，需要安全閥開啟時(shí)，地面液控柜加液壓，壓力推動(dòng)柱塞向下移動(dòng)，然后壓縮彈簧、帶動(dòng)中心管向下運(yùn)動(dòng)，從而頂開閥板，打開安全閥，油管通道打開；當(dāng)需要關(guān)閉安全閥時(shí)，地面液控柜泄壓，柱塞壓力降低，彈簧回彈帶動(dòng)中心管上行，閥板復(fù)位后與閥板座形成可靠密封，油管通道關(guān)閉。

2.3.2 性能參數(shù)

高溫井下安全閥的性能參數(shù)如表3。

表3 高溫井下安全閥性能參數(shù)

3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 海上蒸汽驅(qū)井筒長(zhǎng)效安全控制管柱設(shè)計(jì)充分考慮了蒸汽驅(qū)井筒高效隔熱、井下溫壓監(jiān)測(cè)以及洗壓井等工藝需求。通過地面液控柜控制環(huán)空通道和油管通道的方式簡(jiǎn)單、可靠。

2) 高溫環(huán)空安全封隔器、高溫排氣閥和高溫井下安全閥采用了通用的全金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(封隔器膠筒除外)，降低了設(shè)計(jì)、加工和裝配難度，提高了配套工具高低溫交變工況下的密封可靠性。

3) 高溫環(huán)空安全封隔器采用液控管線坐封的方式，結(jié)合全金屬密封活塞，能夠在多次高低溫交變后對(duì)封隔器進(jìn)行補(bǔ)壓坐封；高溫環(huán)空安全封隔器采用隔熱中心管配合滑動(dòng)密封方式，既降低了封隔器處熱損失，也實(shí)現(xiàn)了自補(bǔ)償功能，減少了入井工具數(shù)量。

4 室內(nèi)高溫試驗(yàn)

樣機(jī)試制完成后，所有工具都進(jìn)行了高溫環(huán)境下的室內(nèi)試驗(yàn)，下面以高溫環(huán)空安全封隔器為例進(jìn)行介紹。

4.1 試驗(yàn)裝置

高溫環(huán)空安全封隔器高溫室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備主要包括：高溫油槽、高溫環(huán)空安全封隔器、高溫環(huán)空安全封隔器試驗(yàn)工裝、壓力平衡容器、壓力表和加液壓泵。如圖5所示，高溫環(huán)空安全封隔器放置于工裝內(nèi)，擰緊下部端蓋，連接坐封及測(cè)試管線，然后將封隔器工裝放入高溫油槽。高溫環(huán)空安全封隔器試驗(yàn)工裝的坐封管線和下腔測(cè)試管線分別連接壓力平衡容器，防止高溫油槽內(nèi)的熱油返出傷害其他設(shè)備；封隔器坐封管線和下腔測(cè)試管線分別連接壓力表和加壓泵。

圖5 高溫環(huán)空安全封隔器室內(nèi)高溫試驗(yàn)流程

4.2 試驗(yàn)方法

1) 封隔器坐封管線階梯加液壓至27.5 MPa，將封隔器坐封。

2) 下腔測(cè)試管線階梯加液壓至21 MPa，保壓15 min，對(duì)封隔器進(jìn)行驗(yàn)封。

3) 將高溫油槽升溫至350 ℃。

4) 下腔測(cè)試管線階梯加液壓至21 MPa，高溫下保壓8 h[10]。

5) 根據(jù)下腔測(cè)試管線壓力補(bǔ)壓至21 MPa，穩(wěn)壓15 min，測(cè)試高溫下的密封性能。

6) 高溫油槽停止加熱冷卻至室溫，下腔測(cè)試管線加液壓21 MPa，然后穩(wěn)壓15 min，測(cè)試高溫排氣閥回到低溫后的密封性能。

7) 重復(fù)步驟3～6，共計(jì)4個(gè)輪次。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

多輪次高低溫密封試驗(yàn)結(jié)果如表4，高溫保壓曲線如圖6，可以看出在350 ℃下，經(jīng)過6輪次共計(jì)41 h的保壓，每輪次下腔壓力均緩慢下降，每輪次下腔壓降均小于3.5 MPa，證明高溫環(huán)空安全封隔器高溫長(zhǎng)期密封較為可靠。同時(shí)，通過每輪次高溫和低溫的15 min保壓試驗(yàn)，可以看到壓降均為0，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11]中壓降小于1%的要求。

表4 多輪次高低溫密封試驗(yàn)結(jié)果

圖6 高溫環(huán)空安全封隔器5輪次高溫保壓曲線

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研制的蒸汽驅(qū)井筒長(zhǎng)效安全控制工具，在渤海X油田的B36井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。B36井完鉆井深1 752 m，水深12.2 m，采用508 mm隔水導(dǎo)管、339.7 mm表層套管和244.5 mm生產(chǎn)套管與水平段防砂篩管礫石充填完井。該井前期共進(jìn)行了3輪次的多元熱流體吞吐作業(yè)，然后轉(zhuǎn)入蒸汽驅(qū)。2020-05-21，完成了注熱管柱的下入，高溫環(huán)空安全封隔器、高溫排氣閥及備用排氣閥下入深度為189.1 m，高溫井下安全閥下入深度為154.7 m，高溫光纖穿越高溫環(huán)空封隔下入深度1 037.5 m，保證了井下測(cè)溫工藝的順利實(shí)施。B36井為渤海第1口蒸汽驅(qū)井，2020-06-29開始注熱，注熱溫度為280～346 ℃，油管壓力6.4～9.7 MPa，套管壓力6.0～8.5 MPa，注汽速度8.0～11.8 t/h，環(huán)空采用間歇注氮進(jìn)行隔熱。截止2021-08-09，環(huán)空通道和油管通道均能正常開啟，總注入濕蒸汽和過熱蒸汽49 734 t，環(huán)空注氮量47 698 m3。

在注熱過程中由于地面鍋爐停注，產(chǎn)生了多次溫度交變，如圖7所示，地面液控柜成功多次泄壓，安全閥和高溫排氣閥液控壓力保持在27.5～30 MPa內(nèi)波動(dòng)，表明高溫排氣閥和高溫井下安全閥長(zhǎng)期高低溫交變下的液控端的密封性能良好。

圖7 高溫井下安全閥溫度與液控柜壓力數(shù)據(jù)曲線

通過停注期間關(guān)閉高溫排氣閥和不關(guān)閉高溫排氣閥套壓的對(duì)比，如圖8所示，可以看到，2次停注期間，在不關(guān)閉高溫排氣閥的情況下，隨著井筒溫度的下降，套壓不斷下降；在關(guān)閉高溫排氣閥的情況下，高溫環(huán)空安全封隔器封隔了油套環(huán)空，套壓在短暫變化后長(zhǎng)期穩(wěn)定在5.8 MPa，表明高溫環(huán)空安全封隔器在長(zhǎng)期高低溫交變后，仍具有可靠的密封性能。

圖8 高溫環(huán)空安全封隔器密封試驗(yàn)曲線

此外，在注熱期間還進(jìn)行了高溫井下安全閥的閥板密封性能測(cè)試。在停注期間，關(guān)閉高溫井下安全閥，釋放油管壓力后關(guān)井，通過圖9可以看到，油管壓力保持1 MPa，19 h內(nèi)無壓降，套壓為6.5～6.4 MPa，表明高溫井下安全閥能夠可靠關(guān)閉，密封性能良好。

圖9 高溫井下安全閥密封試驗(yàn)曲線

6 結(jié)論

1) 針對(duì)海上蒸汽驅(qū)長(zhǎng)期高溫工作及高低溫交變工況，設(shè)計(jì)了工藝管柱及高溫環(huán)空安全封隔器、高溫井下安全閥等配套工具。在配套工具設(shè)計(jì)中，充分考慮了井筒高效隔熱、井下溫壓檢測(cè)等配套工藝需求，采用了全金屬密封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，添加了環(huán)空穿越、熱伸縮自動(dòng)補(bǔ)償、中心管隔熱等功能，更加貼合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2) 通過5輪次的高低溫試驗(yàn)，驗(yàn)證了高溫環(huán)空安全封隔器、高溫井下安全閥等工具的在長(zhǎng)期高溫密封以及高低溫交變工況下的密封性能。

3) 海上蒸汽驅(qū)井筒長(zhǎng)效安全控制工具在海上第1口蒸汽驅(qū)井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)過1 a的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，高溫排氣閥、高溫井下安全閥保持正常開啟，地面液控系統(tǒng)壓力保持穩(wěn)定，各配套工具保持正常工作狀態(tài)，有力地保障了海上蒸汽驅(qū)工藝在第1口試驗(yàn)井的順利實(shí)施。