海上蒸汽驅(qū)安全長效注汽工藝研究及應(yīng)用

顧啟林 孫玉豹 馬增華 宋宏志 胡厚猛 林 濤

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室)

0 引 言

我國渤海油田擁有豐富的稠油資源，熱力采油是目前開采稠油最有效的方法之一。渤海油田自2008年開始，先后在南堡35-2油田、旅大21-2油田、旅大5-2N等油田開展吞吐式熱采，截至2022年12月，已應(yīng)用50余井次，取得了較好的增產(chǎn)效果，為海上稠油熱采增儲上產(chǎn)貢獻了力量[1-2]。但隨著吞吐輪次的增加，油藏壓力逐漸降低，氣/汽竄、水竄影響加劇，周期熱采有效期逐漸縮短，增油效果及經(jīng)濟效益逐漸變差。因此，有必要在海上油田探索試驗吞吐轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)技術(shù)，轉(zhuǎn)變開發(fā)方式，進一步提高開發(fā)效果。對于蒸汽驅(qū)井而言，長期高溫高壓注汽工況對井筒高效隔熱、安全控制以及井筒完整性提出了巨大挑戰(zhàn)[3]。因此，有必要研究一種安全高效注汽管柱，降低井筒熱損失，提高注汽效果，為海上蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗提供技術(shù)保障。

雖然國內(nèi)外關(guān)于蒸汽驅(qū)技術(shù)的研究較多，但關(guān)于蒸汽驅(qū)注汽管柱的研究相對較少。張偉等[4]基于渤海油田多輪次蒸汽吞吐工藝需求，提出了使用氣凝膠隔熱油管及環(huán)空間歇注氮工藝，降低了注汽井筒熱損失，有效地節(jié)約了海上熱采井注汽成本，但僅是介紹井筒高效隔熱管柱。鄒劍等[5]提出了海上熱采井筒隔熱工藝管柱，配套隔熱型工具，具有良好的隔熱效果。郎寶山[6]將分層注汽機械管柱與復(fù)合吞吐技術(shù)有機結(jié)合，形成了稠油復(fù)合吞吐配套管柱技術(shù)，一次投放管柱即可完成油井復(fù)合吞吐和精細注汽。陳紅梅[7]研究了以隔熱管接箍密封器、壓力補償式隔熱型伸縮管、Y441強制解封蒸汽驅(qū)封隔器及多級長效汽驅(qū)密封器為核心的蒸汽驅(qū)注汽管柱，使稠油油藏蒸汽驅(qū)開采的配套工藝技術(shù)得到了進一步完善與提高，但該管柱耐壓僅為17 MPa，且不具備井下安全控制及均勻注汽功能。韓曉冬等[8]研制了氣凝膠隔熱管+隔熱接箍組合管柱，優(yōu)化設(shè)計了長效測試工藝，形成了一種海上熱采井高效注汽及監(jiān)測工藝，但管柱的可靠性和長效性有待驗證。鄒斌等[9]提出了勝利油區(qū)蒸汽驅(qū)工藝技術(shù)現(xiàn)狀及攻關(guān)方向，包括隔熱配套工藝、分層注汽工藝以及動態(tài)監(jiān)測工藝等方面，基本滿足了常規(guī)稠油油藏蒸汽驅(qū)現(xiàn)場需要。顧啟林等[10]研制了一種RX361-210型熱敏封隔器，劉花軍等[11]研制了隔熱補償器、隔熱型扶正器以及隔熱型接箍3種海上熱采隔熱型井下工具，為形成海上熱采井筒高效隔熱工藝管柱奠定了基礎(chǔ)。

雖然常見注汽管柱滿足了吞吐式熱采開發(fā)需求，但海上稠油油藏埋藏深，熱采井多為水平井、定向井，工況復(fù)雜，蒸汽驅(qū)期間套管及水泥環(huán)長期處于高溫狀態(tài)，難度大、挑戰(zhàn)高，對注汽管柱的安全可靠性要求高，無海上成熟的經(jīng)驗可借鑒。為此，筆者經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，形成了一套適用于渤海油田的多功能一體的蒸汽驅(qū)安全長效注汽工藝及配套管柱工具，對確保海上蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗安全高效平穩(wěn)運行具有重要而深遠的意義。

1 技術(shù)分析

1.1 工藝管柱結(jié)構(gòu)

海上蒸汽驅(qū)安全長效注汽管柱自上而下依次為：隔熱油管、耐高溫井下安全閥、耐高溫環(huán)空封隔器、測試光纜、光纜扶正器、井下光纜轉(zhuǎn)換器、隔熱型補償器、溫敏封隔器、均衡配注閥以及光纜尾端固定器等，如圖1所示。采用井筒安全控制工藝，滿足海上熱采井高溫高壓注熱安全需求，實現(xiàn)應(yīng)急情況下及時關(guān)斷井下流體通道。采用井筒高效隔熱工藝，減少井筒熱損失，一方面提高井底注汽干度、確保汽驅(qū)效果，另一方面保護套管及水泥環(huán)。采用水平段均勻注汽工藝，提高水平段的動用程度，確保蒸汽驅(qū)效果[12-13]。采用分布式光纖監(jiān)測工藝，動態(tài)監(jiān)測油套環(huán)空及水平段的溫度，為了解井下管柱工具狀況及工藝措施調(diào)整提供指導(dǎo)和依據(jù)。

圖1 海上蒸汽驅(qū)安全高效注汽工藝管柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of the safe and long-term steam injection string for offshore steam flooding

1.2 功能特點

1.2.1 高溫井下安全控制

采用液控式熱采井下安全控制系統(tǒng)，實現(xiàn)應(yīng)急情況下遠程快速關(guān)閉井下油管及環(huán)空流體通道，防止井下高溫流體上返危及平臺人員和設(shè)備安全，為蒸汽驅(qū)長期運行提供井下安全屏障[14]。高溫井下安全控制系統(tǒng)由耐高溫井下安全閥、耐高溫環(huán)空封隔器以及耐高溫排氣閥組成。

1.2.2 全井筒隔熱

采用“氣凝膠隔熱油管(帶隔熱接箍)+隔熱型補償器+熱敏封隔器”的注汽管柱組合，隔熱油管與接箍一體成型，確保注汽管柱具有良好的隔熱性能流體通道，防止井下高溫流體上返危及平臺人員和設(shè)備安全，為蒸汽驅(qū)長期運行提供井下安全屏障[15]，同時熱敏封隔器能夠防止高溫流體上返，大幅度降低井筒沿程熱損失，提高注汽質(zhì)量，保護套管和水泥環(huán)。

1.2.3 水平段均勻注汽

針對水平段儲層非均質(zhì)性特點，通過優(yōu)化設(shè)計均衡配注閥的安裝位置、密度，形成水平段均勻注汽管柱，以達到調(diào)整吸汽剖面，改善注熱效果的目的。

1.2.4 井筒溫度監(jiān)測

采用耐高溫分布式光纖測試全井筒的溫度，測試光纜捆綁在隔熱油管外壁下入至頂部封隔器以上，測試油套環(huán)空的溫度；然后通過井下光纜轉(zhuǎn)換器進入普通油管內(nèi)部，并通過光纜底部固定器將光纜端部固定在油管尾末端，測取水平段的溫度。注汽期間，通過實時監(jiān)測油套環(huán)空以及水平段管柱內(nèi)的溫度，為注采參數(shù)調(diào)整和調(diào)剖封竄提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。

2 關(guān)鍵配套工具研制

2.1 高溫井下安全工具

2.1.1 耐高溫井下安全閥

耐高溫井下安全閥主要由液控機構(gòu)、活塞機構(gòu)、支撐機構(gòu)、彈簧復(fù)位機構(gòu)和開關(guān)機構(gòu)等組成，如圖2所示。

1—液控機構(gòu)；2—活塞機構(gòu)；3—支撐機構(gòu)；4—彈簧機構(gòu)；5—開關(guān)機構(gòu)。

其工藝原理為：通過地面液控柜向液控管線加壓，推動安全閥活塞移動，進而推動中心管并壓縮彈簧移動，直至推開閥板，此時安全閥打開[3，15]。當(dāng)液控管線泄壓時，在圓柱彈簧的作用下，閥板關(guān)閉、中心管回位，此時安全閥關(guān)閉。耐高溫井下安全閥采用全金屬密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，彈簧和閥板等關(guān)鍵零部件采用718合金，在常溫及350 ℃高溫下均可保持優(yōu)良的開啟、關(guān)閉性能以及密封性能。

其主要技術(shù)參數(shù)為：最大外徑160.0 mm，內(nèi)通徑71.5 mm，耐溫350 ℃，耐壓35 MPa，液控管線接口為6.35 mm(in)NPT，完全開啟壓力19 MPa。

2.1.2 耐高溫環(huán)空封隔器

耐高溫環(huán)空封隔器主要由坐封機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)、密封機構(gòu)、錨定機構(gòu)和解封機構(gòu)等組成，如圖3所示。

1—坐封機構(gòu)；2—鎖緊機構(gòu)；3—密封機構(gòu)；4—錨定機構(gòu)；5—解封機構(gòu)。

其工藝原理為：通過地面液控柜向液控管線加壓，推動坐封活塞移動，壓縮密封膠筒膨脹貼緊套管內(nèi)壁，卡瓦伸出咬住套管內(nèi)壁，完成坐封并密封油套環(huán)空。同時封隔器配套高溫排氣閥及環(huán)空定壓開啟裝置，具備遠程環(huán)空安全控制功能的同時，可實現(xiàn)環(huán)空注氮氣/洗壓井作業(yè)。該工具采用液控管線控制坐封，坐封簡便，具備自補償功能，補償因溫度變化引起的注汽管柱伸縮。中心管隔熱，提升封隔器隔熱性能。具備注氮氣/洗壓井通道，在實現(xiàn)環(huán)空安全控制的同時不影響流體通道。采用“石墨+改性聚四氟乙烯”組合密封，在高低溫下均具有良好的密封性能。

其主要技術(shù)參數(shù)為：最大外徑216.0 mm，內(nèi)通徑76.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，坐封壓力27.5～31.0 MPa，解封力180～220 kN。

2.1.3 耐高溫排氣閥

耐高溫排氣閥主要由關(guān)閉機構(gòu)、柱塞密封機構(gòu)和開啟機構(gòu)組成(見圖4)。

1—關(guān)閉機構(gòu)；2—柱塞密封機構(gòu)；3—開啟機構(gòu)。

耐高溫排氣閥與封隔器配套使用，通過地面液控柜向液控管線加壓，推動彈簧及活塞桿，活塞桿與閥座密封面分開，排氣閥通道打開；當(dāng)液控管線泄壓時，在圓彈簧的作用下，活塞桿歸位，密封面與閥座實現(xiàn)密封，此時排氣閥關(guān)閉[16-17]。該排氣閥通過液控結(jié)構(gòu)設(shè)計，開啟、關(guān)閉靈活可靠；采用全金屬密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，在常溫和350 ℃高溫下均可保持優(yōu)良的密封性能。

其主要技術(shù)參數(shù)為：最大外徑55.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，全開壓力20 MPa，坐封溫度≥240 ℃，下端連接螺紋40.64 mm(1.6 in)NU。

2.2 高效隔熱工藝配套管柱工具

2.2.1 氣凝膠隔熱油管

氣凝膠隔熱油管主要由內(nèi)管、外管、隔熱接箍以及氣凝膠隔熱材料組成(見圖5)。

其工藝原理為：采用雙層管結(jié)構(gòu)設(shè)計，中間填充氣凝膠隔熱材料，添加吸氣劑，并進行抽真空處理。

技術(shù)特點：接箍與本體均采用“內(nèi)、外管+中間隔熱層”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有良好的隔熱性能；同時，采用氣凝膠作為隔熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)只有傳統(tǒng)材料的，具有優(yōu)良的隔熱性能且隔熱性能穩(wěn)定長效，可延長隔熱管的隔熱壽命1倍。

2.2.2 溫敏封隔器

溫敏封隔器主要由連接機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)、密封機構(gòu)、坐封機構(gòu)以及膨脹機構(gòu)組成，上端安裝有單流閥(見圖6)。

其工藝原理為：封隔器液缸內(nèi)的膨脹劑受熱后汽化膨脹，推動楔入體上行進入膠筒，使膠筒軸向壓縮、徑向擴張，逐步實現(xiàn)坐封、密封油套環(huán)空。同時封隔器上部安裝有單流閥，密封油套環(huán)空的同時，實現(xiàn)環(huán)空注氮氣或者洗壓井作業(yè)[10]。該封隔器采用熱力坐封結(jié)構(gòu)設(shè)計，坐封簡便；無錨定機構(gòu)，對套管無損害、解封安全、可靠；采用“多組內(nèi)密封+改性聚四氟乙烯”密封結(jié)構(gòu)設(shè)置有鎖緊機構(gòu)，具有良好的密封性能；具有環(huán)空單流通道，可實現(xiàn)環(huán)空注氮氣/反循環(huán)洗壓井。

其主要技術(shù)參數(shù)為：最大外徑210.0 mm，內(nèi)通徑76.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，坐封溫度≥240 ℃，解封力≤100 kN，配套單流閥48.26 mm(1.9 in)NU。

2.2.3 隔熱型補償器

隔熱型補償器主要由隔熱接箍、滑動機構(gòu)、密封機構(gòu)、連接機構(gòu)、隔熱外管與傳遞扭矩機構(gòu)組成(見圖7)。

1—隔熱接箍；2—滑動機構(gòu)；3—密封機構(gòu)；4—連接機構(gòu)；5—隔熱外管；6—傳遞扭矩機構(gòu)。

其工藝原理為：采用內(nèi)管、外管雙層結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)管的伸縮實現(xiàn)對注熱管柱伸長/縮短的補償，防止管柱因熱應(yīng)力變形損壞。注熱時，溫度升高注熱管柱伸長，此時補償器的內(nèi)管縮進隔熱外管中；停止注熱，溫度降低管柱縮短，補償器的內(nèi)管從隔熱外管中伸出[18]。補償器主體及接頭采用“內(nèi)管+隔熱層+外管”的隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有良好的隔熱性能；采用組合密封結(jié)構(gòu)，確保高低溫下具有良好的滑動密封性能；采用嚙合結(jié)構(gòu)設(shè)計，中心管上提后旋轉(zhuǎn)管柱可傳遞扭矩。

其主要技術(shù)參數(shù)為：最大外徑168.0 mm，內(nèi)通徑76.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，伸縮距3 m(可根據(jù)需求調(diào)節(jié))，隔熱等級為D級。

2.3 光纖監(jiān)測配套工具

2.3.1 井下光纜穿越轉(zhuǎn)換器

井下光纜穿越轉(zhuǎn)換器主要由固定機構(gòu)、密封機構(gòu)、穿越機構(gòu)以及連接機構(gòu)組成(見圖8)。

1—上接頭；2—固定機構(gòu)；3—密封機構(gòu)；4—穿越機構(gòu)；5—下接頭。

其工藝原理為：采用偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計，光纜通過光纜轉(zhuǎn)換器穿越通道后，實現(xiàn)注汽管柱內(nèi)外的轉(zhuǎn)換。采用多組卡扣結(jié)構(gòu)設(shè)計，扶正固定光纜；穿越通道采用多組石墨密封，具有良好的密封性能。

其主要技術(shù)參數(shù)為：最大外徑150.0 mm，內(nèi)通徑76.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，穿越密封通道6.35 mm(in)。

2.3.2 光纜尾端固定器

光纜尾端固定器主要由解鎖機構(gòu)、彈簧機構(gòu)、限位機構(gòu)、固定機構(gòu)、錨定機構(gòu)以及導(dǎo)向機構(gòu)組成(見圖9)。

1—解鎖機構(gòu)；2—彈簧機構(gòu)；3—限位機構(gòu)；4—固定機構(gòu)；5—錨定機構(gòu)；6—導(dǎo)向機構(gòu)。

其工藝原理為：實現(xiàn)光纜在油管內(nèi)的底部固定，防止光纜受到注汽沖擊發(fā)生跳動而影響測試數(shù)據(jù)。下入管柱過程中，在垂直井段時，光纜固定工具依靠自身重力滑入井底，并通過對接掛鉤與管柱末端固定；需要起出時，依靠重錘重力解鎖光纜尾端固定工具，從而取出光纜。該固定器采用彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)固定與解鎖，作業(yè)便捷；錨裝置內(nèi)置于圓堵內(nèi)部，有效保護錨定機構(gòu)不受沖擊破壞。

其主要技術(shù)參數(shù)為：最大外徑為88.9 mm，耐溫為350 ℃，解鎖力不超過5 kN，兩端連接螺紋為73.0 mm(2in)EU。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

X1井為渤海某油田一口熱采水平井，完鉆井深1 752 m，先期熱采階段采用多元熱流體吞吐技術(shù)開發(fā)，隨著吞吐輪次的增加，增油效果及經(jīng)濟效益逐漸變差。為進一步提高該油田熱采采收率，2022年6月開展大井距水平井蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗。為保障長期安全高效注汽，注汽井采用集“耐高溫井下安全控制+井筒高效隔熱+水平段均勻注熱+高溫光纖監(jiān)測”多功能于一體的安全高效注汽管柱，并利用Landmark 軟件進行管柱下入模擬分析。模擬分析結(jié)果見圖10。結(jié)果表明，注汽管柱并未產(chǎn)生正弦屈曲或螺旋屈曲，管柱可正常下入。

圖10 X1井注汽管柱可下入性模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results of the runnability of the steam injection string in Well X1

該井最高注汽溫度348.5 ℃、過熱度20～25 ℃，最高注汽壓力12.2 MPa、最大注汽速度300 t/h。該井注汽630 d后，于2022年3月更換注汽管柱及工具，期間經(jīng)歷了長期高溫、多次蒸汽鍋爐停注、冷熱交變工況考驗。耐高溫井下安全閥啟閉及液控系統(tǒng)密封良好，耐高溫環(huán)空封隔器關(guān)鍵密封部件和密封面未見明顯損傷，耐高溫排氣閥及液控系統(tǒng)密封良好，驗證了耐高溫井下安全控制工具的長效性，為蒸汽驅(qū)長期運行提供了安全保障。分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實時監(jiān)測、顯示井下溫度，為井筒管柱隔熱效果、安全評估提供了科學(xué)指導(dǎo)和依據(jù)。X1井分布式光纖測溫曲線如圖11所示。光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隔熱油管外壁平均溫度約142 ℃，遠低于油管內(nèi)注汽溫度，說明采用“氣凝膠隔熱油管+隔熱型接箍+熱敏封隔器+環(huán)空充氮氣”的井筒高效隔熱工藝[19]，取得了較好的隔熱效果。通過開展連續(xù)管光纖測試了解了水平段吸汽剖面，測試結(jié)果表明雖然水平段吸汽情況存在差異，但整體來說均勻注汽工藝取得了較好的效果。

圖11 X1井分布式光纖測溫曲線Fig.11 Temperature measurement curves of distributed optical fiber in Well X1

截至2022年12月，該油田蒸汽驅(qū)累增油近6萬m3，現(xiàn)場階段實施情況表明，采用的集“井筒高效隔熱+安全控制+光纖監(jiān)測+水平段均勻注汽”多功能于一體的海上蒸汽驅(qū)安全高效注汽工藝取得了良好的效果，為首次海上蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗安全、平穩(wěn)運行提供了有力支持與可靠保障。

4 結(jié) 論

(1)研發(fā)的海上蒸汽驅(qū)安全長效注汽工藝管柱，具備井筒高效隔熱、井下安全控制、光纖監(jiān)測以及水平段均勻注汽等多種功能，有效地滿足了海上蒸汽驅(qū)長期安全高效注汽需求。

(2)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，高效注汽工藝管柱及配套的高溫井下安全閥、封隔器及補償器等工具經(jīng)受了長期高溫高壓，多次蒸汽鍋爐停注以及冷熱交變工況考驗，性能穩(wěn)定可靠，具有良好的效果，為海上油田首次蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗安全、平穩(wěn)運行，增產(chǎn)增效提供了有力支持與可靠保障。

(3)蒸汽驅(qū)是一項長期作業(yè)工程，注汽管柱及配套工具的壽命影響著換管柱周期、成本及效益，有必要進一步優(yōu)化隔熱油管結(jié)構(gòu)及加工制造工藝，持續(xù)優(yōu)化提升其功能及配套工具可靠性，尤其是井筒高效隔熱及分段均勻注汽，保障長期汽驅(qū)效果。