樊宏偉，劉菊泉，宋勝軍 （克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油工程系，新疆 克拉瑪依 833600）

李洪 （中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

艾賽提 （克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油工程系，新疆 克拉瑪依 833600）

劉曉勇 （中石化河南油田分公司新疆勘探開發(fā)中心，新疆 奎屯 833200）

在深水油氣井和注蒸汽熱采井中，由于井筒和井筒周圍環(huán)境存在很大的溫度差，井筒熱流體 （油、氣、蒸汽）中的大量熱量會(huì)向地層 （或海水）散失掉。大量熱量散失主要出現(xiàn)以下不利的現(xiàn)象：油氣井大量結(jié)蠟，生成天然氣水合物，影響產(chǎn)量；套管發(fā)生熱應(yīng)力損壞，甚至影響到水泥環(huán)，有時(shí)還會(huì)因環(huán)空帶壓值過高，對(duì)套管、井口裝置造成損害；降低蒸汽干度，影響注汽效果。為了保證油氣井產(chǎn)量、確保注汽效果，保護(hù)井下設(shè)備，防止各種不利現(xiàn)象的發(fā)生，油田現(xiàn)場(chǎng)必須采取一些技術(shù)和方法對(duì)井筒進(jìn)行隔熱，從而保證產(chǎn)量、確保安全、力求油氣井生產(chǎn)的完整性［1－6］。

為了防止和消除大量熱量散失帶來的各種危害，自20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外研究和應(yīng)用了多種井筒隔熱技術(shù)，這些技術(shù)主要有水隔熱、油隔熱、氣體隔熱、硅膜 （Silicate Foam）隔熱、VIT隔熱、VIC隔熱和封隔液隔熱。長期的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，水隔熱是最簡單、最普通的隔熱方式且其隔熱效果最為一般，用油隔熱不能解決固相沉積問題，而硅膜隔熱不能消除 “熱點(diǎn)”現(xiàn)象而效果不夠理想。當(dāng)前國內(nèi)外油田應(yīng)用的井筒隔熱技術(shù)主要有氣體隔熱、VIT隔熱、VIC隔熱、隔熱封隔液隔熱等技術(shù)。

1 氣體隔熱

該技術(shù)主要應(yīng)用在注蒸汽熱采稠油井中，包括油套環(huán)空氣體隔熱技術(shù)、油套環(huán)空伴注N2技術(shù)以及SAGD蒸汽腔氣體隔熱技術(shù)。

1）環(huán)空密閉氣體隔熱 在上、下分別由井口裝置和熱采封隔器構(gòu)成的油套密閉環(huán)空中充入低壓N2、水蒸汽等 “惰性氣體”，利用氣體的低導(dǎo)熱性能，減少油管內(nèi)熱流體的導(dǎo)熱損失量，防止套管和水泥環(huán)因熱應(yīng)力損壞 （見圖1）。該技術(shù)能夠有效降低因熱傳導(dǎo)而帶來的熱損失，對(duì)提高井底蒸汽干度，保證油井完整性具有重要意義。

在高溫蒸汽 （可以高達(dá)350℃左右）的長期作用下，熱采封隔器容易發(fā)生漏失甚至失效，此時(shí)環(huán)空下部可能積水，積水面之下的液體會(huì)形成自然對(duì)流，影響預(yù)期的隔熱效果，因此封隔器的耐熱性能至關(guān)重要。另外，密閉環(huán)空中的傳熱方式除了熱傳導(dǎo)外，還有對(duì)流傳熱和熱輻射傳熱，并且對(duì)流傳熱熱損失量并不亞于導(dǎo)熱損失量。盡管導(dǎo)熱損失量小，但環(huán)空惰性氣體與油管外壁的自然對(duì)流傳熱可能很大。該隔熱方式適用于井深較淺的情況，能夠取得較好的隔熱效果。

2）環(huán)空伴注N2隔熱 環(huán)空伴注N2技術(shù)是指從油管注入高溫蒸汽的同時(shí)，在油套管環(huán)空持續(xù)注入N2，蒸汽和N2在下部混合后進(jìn)入稠油油層。其井身結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡單，沒有熱采封隔器，甚至不使用隔熱油管 （見圖2）。除了隔熱作用，伴注的N2技術(shù)一般還具有以下作用：N2擴(kuò)大蒸汽的波及體積，補(bǔ)充地層能量，提高回采水率；N2所具有的良好膨脹性既能減少注蒸汽量，又能增大驅(qū)油時(shí)的彈性能量；伴注N2還能有效控制底水錐進(jìn)，降低原油含水率。

該隔熱方法主要應(yīng)用在蒸汽吞吐開采稠油方面，一般稱為N2輔助蒸汽吞吐技術(shù)。自20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)在克拉瑪依油田、勝利單家寺、勝坨和樂安油田、遼河曙光采油廠、江漢八廟河油田進(jìn)行了大量試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

3）蒸汽腔非凝析氣隔熱 自20世紀(jì)70年代末起，Butler等研究成功的SAGD （蒸汽輔助重力泄油）技術(shù)在稠油、油砂，瀝青的開采中大量應(yīng)用。但是，高溫蒸汽腔與蓋層直接接觸，大量熱量散失到蓋層中，蒸汽的熱量利用率比較低，此種情況在薄油層中尤其明顯。Butler［7］改進(jìn)SAGD，進(jìn)一步提出了SAGP（蒸汽與非凝析氣驅(qū)油）技術(shù)，用非凝析氣體隔熱，提高了蒸汽熱量利用率。該技術(shù)是指在SAGD注入的蒸汽中，加入一定量的N2、CO2、CH4、C2H6、C3H8、煙道氣等非凝析氣體。在蒸汽腔溫度和壓力下，非凝析氣具有較低密度，在蒸汽腔的頂部聚集，形成氣體聚集帶，成為一個(gè)良好的隔熱層，降低了蒸汽熱量向頂蓋層的損失，有效保證了蒸汽熱量進(jìn)入稠油層 （油砂層）。另外，非凝析氣能夠保持蒸汽腔內(nèi)壓，防止因蒸汽冷卻成水而造成的壓力下降導(dǎo)致的蒸汽腔破壞［8－9］。

10多年來，SAGP技術(shù)在開發(fā)薄稠油、油砂，瀝青層等特殊儲(chǔ)層方面起到了重要應(yīng)用。國內(nèi)該技術(shù)僅在遼河油田杜84塊館陶組油藏中得到應(yīng)用，油藏的50℃地面脫氣原油黏度高達(dá)23.2×104mPa·s，屬于超稠油油藏。油藏上部存在頂水，頂水與稠油層間是一個(gè)厚度為3～4m的瀝青殼。為了防止因注入蒸汽加熱瀝青層而導(dǎo)致的頂水下泄，避免頂水進(jìn)而進(jìn)入稠油層，研究并應(yīng)用了以N2做為非凝析氣的SAGP技術(shù)。該技術(shù)通過在注入蒸汽中添加一定量N2，確保N2在蒸汽腔上部形成一個(gè)有效厚度為10～15m的N2隔熱層。該N2層有效防止了蒸汽超覆，避免了頂水下泄，大大減少了蒸汽熱量的散失，提高了蒸汽利用率［10］。

圖1 環(huán)空惰性氣體隔熱示意圖

圖2 環(huán)空伴注N2隔熱示意圖

2 VIT隔熱

真空隔熱油管 （Vacuum Insulated Tubing，VIT），是指用接箍把真空隔熱油管連接起來組成隔熱管柱。單根油管由2個(gè)薄壁管套在一起，并把內(nèi)部抽成真空。VIT技術(shù)隔熱性能好，是最有效的隔熱方式之一，在熱采井和深水油氣井中應(yīng)用非常廣泛。然而，油氣井下入VIT時(shí)額外要求較大尺寸的鉆頭和各層套管，相應(yīng)地增加鉆井液、完井液用量，還會(huì)增加鉆井時(shí)間，這些都大大增加了油氣生產(chǎn)成本。就算不顧成本使用VIT進(jìn)行隔熱，其接箍處的熱損失，加上從管內(nèi)扶正器及閥件等處損失的熱量仍然很大。另外，VIT在稠油蒸汽吞吐井中還凸顯另外兩個(gè)明顯的不足。通過VIT注入蒸汽后，將起出VIT管柱，然后下入普通油管進(jìn)行生產(chǎn)，這樣增加了作業(yè)費(fèi)用，耽誤了高溫?zé)岵蓵r(shí)間。除此之外，高絕熱性能的隔熱油管價(jià)格高，而且隨著注蒸汽井注汽輪次和時(shí)間的增加，隔熱油管會(huì)因腐蝕、結(jié)垢、磨損、老化等原因?qū)е赂魺崮芰档?，熱損失不斷增大，汽油比迅速下降。這些都是VIT技術(shù)的不足之處。

3 VIC隔熱

針對(duì)稠油熱采使用VIT技術(shù)的種種不足，國內(nèi)遼河油田、河南油田從改進(jìn)傳統(tǒng)的VIT技術(shù)出發(fā)，對(duì)套管進(jìn)行隔熱，研制成功了真空隔熱套管 （Vacuum Insulated Casing，VIC）隔熱技術(shù)。VIC的原理和VIT一樣，也是通過對(duì)雙層鋼管的密封，形成真空來實(shí)現(xiàn)隔熱。該隔熱技術(shù)有效保護(hù)套管，防止套管、水泥環(huán)損壞，也起到提高井底蒸汽干度的作用。與普通熱采井筒相比，VIC井筒結(jié)構(gòu)大為簡化，注蒸汽時(shí)省略了下入VIT的復(fù)雜工藝，節(jié)省了大量的人力物力。尤其是修井時(shí)，普通熱采井筒需要起出幾乎與井深相同長度的VIT，修井結(jié)束后再重新下入，而VIC井筒省略了上述所有工作，節(jié)省了大量的修井費(fèi)用。遼河油田和河南油田的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該技術(shù)還有利于簡化熱采工藝，提高生產(chǎn)時(shí)率，對(duì)特超稠油的開發(fā)具有重要意義，并且有望在地?zé)峋?、深水井隔熱方面?yīng)用［11－13］。

4 封隔液隔熱

隔熱封隔液是指充填于井下環(huán)空中起隔熱作用的工作液，井下環(huán)空包括油管與隔水管環(huán)空，雙隔水管間環(huán)空，A環(huán)空、B環(huán)空及C環(huán)空等。該系列技術(shù)是對(duì)環(huán)空注水或環(huán)空充惰性氣體隔熱技術(shù)的改進(jìn)，大大減小了井筒中導(dǎo)熱和自然對(duì)流傳熱損失。根據(jù)連續(xù)相的性質(zhì)，可以分為2大類，即油基隔熱封隔液和水基隔熱封隔液。

1）油基封隔液 油基隔熱封隔液包括油包水體系和合成基體系。油基隔熱封隔液耐溫性能好，性能穩(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)很小，大大減小了導(dǎo)熱損失量，隔熱效果較好。由于油會(huì)對(duì)海洋造成污染，因此一般只用在陸上油井，如注蒸汽熱采井。對(duì)于壓力系數(shù)較高的隔熱油氣井，往往要求較高密度的油基封隔液，如果采用固相加重方式，往往在后期造成封隔器頂?shù)拇罅抗滔喑练e，引起封隔器工作的不穩(wěn)定，甚至損壞封隔器，造成油基封隔液與儲(chǔ)層接觸，傷害儲(chǔ)層。因此，在油氣儲(chǔ)層對(duì)封隔液的密度要求不高，隔熱需求也不是很高時(shí)，可以選用油基體系進(jìn)行隔熱。

2）水基封隔液 水基隔熱封隔液是在傳統(tǒng)清潔鹽水封隔液的基礎(chǔ)上經(jīng)隔熱能力改善而發(fā)展起來的工作液體系。由于環(huán)空中的熱損失主要是導(dǎo)熱損失，以及封隔液與壁面的自然對(duì)流傳熱損失，通過提高水基封隔液的導(dǎo)熱系數(shù)可以削弱導(dǎo)熱傳熱，而增大封隔液的表觀黏度可以減小自然對(duì)流傳熱。近20年來，在挑戰(zhàn)深水、超深水油氣井井筒隔熱技術(shù)過程中，多家大油田服務(wù)公司取得到了一系列突破。

圖3 隔熱封隔液NAIF的應(yīng)用

從20世紀(jì)末起，BJ Services公司的Javora等人研發(fā)并應(yīng)用了三代水基隔熱封隔液體系，即ABIF、ATIF及NAIF。該系列封隔液是溶劑固化體系，其基本構(gòu)成是 “水＋可溶性鹽＋增黏劑＋二醇＋固化劑”?？扇苄喳}調(diào)節(jié)體系密度并減小導(dǎo)熱系數(shù)；增黏劑是一種多糖類聚合物，用它來調(diào)節(jié)體系的流變性，獲得極佳的剪切稀釋性；二醇既可以減小體系的導(dǎo)熱系數(shù)，又可以增強(qiáng)體系的抗溫性能。使用固化劑來固化體系中的溶劑 （水和二醇），進(jìn)一步減小自然對(duì)流傳熱損失。截止2008年，這幾代隔熱封隔液在墨西哥灣深水油氣田中應(yīng)用超過70次，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。圖3所示是NAIF體系在墨西哥灣Horn Mountain區(qū)塊一口深水井中的應(yīng)用。該井使用雙隔水管，內(nèi)外隔水管間環(huán)空下部分充填隔熱封隔液NAIF，起到良好隔熱作用，而最上部分61m部分充填低壓N2，既起隔熱作用，又可以緩沖下部NAIF因受熱產(chǎn)生的膨脹；普通油管和內(nèi)隔水管間環(huán)空充填低壓N2，進(jìn)一步起到隔熱作用。雙重隔熱保證了熱量不散失到海水中，確保了該深水油氣井生產(chǎn)的完整性。

Baroid公司的自交聯(lián)隔熱封隔液體系HTIPF（the ultra high－temperature insulating packer fluid）不含交聯(lián)劑，體系在一定溫度下發(fā)生 “高溫自交聯(lián)”。該體系的主要構(gòu)成是：水＋可溶性鹽＋多元醇＋增黏劑A＋增黏劑B＋其他。2種增黏劑都是納米型無機(jī)聚合物，具有 “溫度活化”的特性，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，增黏劑活化，從而發(fā)生交聯(lián)作用。常溫下，2種增黏劑的水溶液只具有很低的黏度，便于封隔液被泵送進(jìn)入井下環(huán)空；一旦處于井下環(huán)空特定的溫度環(huán)境，二者即發(fā)生交聯(lián)，黏度迅猛增加，并能保持長期穩(wěn)定，長效降低自然對(duì)流傳熱損失。該交聯(lián)體系抗溫高至177℃，其密度在1.02～2.04g／cm3間連續(xù)可調(diào)，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.35W／（m·K）。精確的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)得HTIPF的對(duì)流傳熱系數(shù)僅為17.3W／（m2·K），而同等條件下水的對(duì)流傳熱系數(shù)達(dá)503.9W／（m2·K），熱損失量僅為純水損失量的3%。另外，體系表現(xiàn)出抗溫性能力強(qiáng)，密度范圍寬，隔熱性能佳的特點(diǎn)。該體系成功地避免了墨西哥灣地區(qū)深水井的環(huán)空帶壓問題及注蒸汽熱采井井口上升過大問題。

5 發(fā)展趨勢(shì)及建議

環(huán)空密閉氣體隔熱是一種比較簡單的隔熱方式，在熱采封隔器完好無損的情況下，能夠大大減少導(dǎo)熱損失，但沒有考慮環(huán)空氣體自然對(duì)流傳熱損失，也不能減少輻射傳熱損失。一旦封隔器受損，自然對(duì)流傳熱損失更加巨大。在隔熱要求不高的情況下可以應(yīng)用。環(huán)空伴注N2隔熱是一種既能隔熱又能大力增強(qiáng)注汽驅(qū)油效果的新技術(shù)，應(yīng)該進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，取得更佳的隔熱和驅(qū)油效果。添加非凝析氣對(duì)蒸汽腔的隔熱技術(shù)是SAGD的重大進(jìn)步，對(duì)薄稠油層、帶頂水油藏的開發(fā)具有重要意義。VIT技術(shù)是一種非常有效的井筒隔熱方式，但其成本高，并且存在接箍損失等缺點(diǎn)，其應(yīng)用常受成本限制。VIC隔熱是一種新的隔熱思路，該新技術(shù)的推廣有待于進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用。油基封隔液隔熱適用于于陸地?zé)岵删h(huán)空隔熱，密度要求低，隔熱要求不高的情況。水基封隔液可用于陸地?zé)岵删⒌責(zé)峋皹O低低溫井，特別適合深水油氣井。既能保護(hù)儲(chǔ)層，又不會(huì)造成海洋環(huán)境污染。它的密度可調(diào)范圍寬，隔熱性能極佳，長期穩(wěn)定性好，價(jià)格適中，是一種非常好的隔熱方式。

1）發(fā)展趨勢(shì) 蒸汽腔非凝析氣隔熱在國內(nèi)的應(yīng)用剛剛開始，各方面都不成熟，有待進(jìn)一步研究，具有很大的發(fā)展?jié)摿?；VIC隔熱技術(shù)有待進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)，對(duì)VIC的尺寸設(shè)計(jì)需要進(jìn)行多方面的考慮和調(diào)整，有廣泛的應(yīng)用前景；水基隔熱封隔液的應(yīng)用前景最為廣泛，但在高溫穩(wěn)定性和密度范圍方面還具有廣泛的研究余地。

2）建議 建議國內(nèi)相關(guān)油田和政府部門及高校人員引起重視，投入大量物力和人力對(duì)蒸汽腔非凝析氣隔熱、VIC隔熱尤其是水基封隔液隔熱技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，從而有效開發(fā)國內(nèi)深水油氣田和稠油油藏。

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