王 通， 孫永濤， 鄒 劍， 周法元， 張 偉， 張 華

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300450；2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300450)

海上多元熱流體高效注入管柱關(guān)鍵工具研究

王 通1， 孫永濤1， 鄒 劍2， 周法元2， 張 偉2， 張 華2

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院，天津 300450；2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300450)

目前海上多元熱流體熱采使用的簡(jiǎn)易式注入管柱存在管柱整體隔熱性較差和水平段多元熱流體注入不均等問(wèn)題。為此，研制了隔熱關(guān)鍵工具和分段注熱工具，并對(duì)注入水平段進(jìn)行了分段設(shè)計(jì)，形成了海上多元熱流體高效注入管柱。該管柱的隔熱段主要由隔熱油管、隔熱接箍、隔熱扶正器、隔熱補(bǔ)償器和隔熱封隔器組成，具有良好的整體隔熱性能，能減少注入熱流體的熱損失；水平段主要由均衡注入閥、分段封隔器和油管扶正器組成，能夠?qū)崿F(xiàn)水平段均勻注入。隔熱關(guān)鍵工具和分段注熱工具均能滿足在330 ℃高溫下長(zhǎng)期工作的需求，隔熱性能均達(dá)到D級(jí)，其中均衡注入閥已應(yīng)用7井次，水平段均實(shí)現(xiàn)了均勻注入。研究表明，多元熱流體高效注入管柱及其關(guān)鍵工具能夠滿足海上多元熱流體熱高效注入的要求。

多元熱流體 熱采 注入管柱 封隔器 扶正器 補(bǔ)償器

多元熱流體熱采技術(shù)自2008年在渤海稠油油田進(jìn)行推廣以來(lái)，已在南堡35-2油田、旅大 5-2北油田應(yīng)用近20井次，取得了顯著的增產(chǎn)效果[1-5]。目前該技術(shù)主要采用由隔熱油管、帶孔油管組成的簡(jiǎn)易注入管柱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起下方便，但卻存在以下缺點(diǎn)：1)由于該注入管柱無(wú)熱采封隔器，為防止高溫?zé)崃黧w上返至油套環(huán)空，環(huán)空需要連續(xù)或間歇注氮?dú)?，因此增加了作業(yè)成本，并且使氣竄風(fēng)險(xiǎn)增大；2)海上熱采井多為水平井，水平段不采用分段注熱流體，容易造成注入水平段的熱流體不均勻，降低油藏加熱效果；3)注入管柱只采用隔熱油管，未采用隔熱扶正器、隔熱接箍等隔熱工具，注入管柱的整體隔熱性能有待于提高與加強(qiáng)[6-9]。鑒于此，研制了海上多元熱流體高效注入管柱。

1 管柱結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)簡(jiǎn)易多元熱流體注入管柱存在的問(wèn)題，將多元熱流體注入管柱設(shè)計(jì)成2段：隔熱段和注熱段。隔熱段指井口至水平段(油層上部)的管柱，其作用是輸送熱流體至油層，因此必須盡可能地提高該段管柱的隔熱性能，以減少熱流體的熱能損失，增強(qiáng)熱采效果。注熱段主要指水平段管柱，其作用是將熱流體分配至油層。注熱段采用分段注入管柱，以提高水平井段均勻注入程度，抑制吸熱過(guò)高井段，促進(jìn)吸熱過(guò)低井段，提高油藏的動(dòng)用程度。

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

海上多元熱體高效注入管柱的結(jié)構(gòu)自下而上為：引鞋+普通油管(水平段分段封隔器+水平段油管扶正器+均衡注入閥)(若干)+變扣接頭+隔熱封隔器+氣舉閥+隔熱補(bǔ)償器+隔熱扶正器(若干)+隔熱油管(含隔熱接箍)至井口，如圖1所示。

該管柱的工作原理為：注熱前先向油套環(huán)空內(nèi)注入氮?dú)?，通過(guò)氣舉閥掏空油套環(huán)空內(nèi)的液體，使油套環(huán)空內(nèi)充滿氮?dú)?；注入熱流體時(shí)由于隔熱封隔器和氣舉閥的阻擋作用，能有效防止熱流體進(jìn)入油套環(huán)空，保證油套環(huán)空被氮?dú)獬錆M；同時(shí)隔熱接箍等隔熱工具進(jìn)一步提高了管柱的整體隔熱性能，避免高溫對(duì)套管與水泥環(huán)的損害；注入熱流體時(shí)，分段封隔器將水平段分為若干個(gè)獨(dú)立單元，每個(gè)單元內(nèi)設(shè)有一定數(shù)量和型號(hào)的均衡注熱閥，以達(dá)到水平段均勻注入熱流體的目的。

2 關(guān)鍵工具

2.1 隔熱封隔器

隔熱封隔器主要由密封機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)和解封機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。其工作原理為：坐封時(shí)，通過(guò)鋼絲將堵子下至坐落短節(jié)，從油管內(nèi)開始加壓，壓力傳遞至上活塞剪斷坐封銷釘，楔入并壓縮密封件坐封，封閉油套環(huán)空；下活塞下行將卡瓦撐開并錨定在套管上，泄壓后鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，防止密封件回彈，坐封結(jié)束后，通過(guò)鋼絲回收堵子。解封時(shí)，上提管柱，錨定機(jī)構(gòu)相對(duì)套管不動(dòng)，中心管隨管柱一起上行，剪斷解封銷釘，釋放解封鎖塊，釋放卡瓦脫離套管，再次上提將封隔器完全解封。

室內(nèi)高溫模擬試驗(yàn)表明，選用楔入式復(fù)合密封件[10](改性聚四氟乙烯加石墨膠筒+鎳鉻絲護(hù)肩+銅碗)能保證封隔器長(zhǎng)期在330 ℃高溫下承壓20 MPa。

2.2 隔熱補(bǔ)償器

隔熱補(bǔ)償器主要由隔熱接頭、補(bǔ)償內(nèi)管、內(nèi)密封和隔熱外管等部分組成(見圖3)，其作用是補(bǔ)償注入熱流體過(guò)程中高溫造成的井下管柱的伸長(zhǎng)量，防止注熱流體時(shí)管柱無(wú)法伸縮，造成封隔器密封失效或者壓彎管柱；同時(shí)，該補(bǔ)償器具有隔熱和傳遞扭矩的功能。其隔熱原理為：該補(bǔ)償器的上接頭和本體均為2層管結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接形成一個(gè)環(huán)狀的密封腔體，抽真空使該腔體變成真空層，并在真空層內(nèi)填充隔熱材料，以減少熱對(duì)流、熱輻射和熱傳導(dǎo)，獲得較好的隔熱性能。另外，在下入過(guò)程中上提補(bǔ)償器內(nèi)管時(shí)，內(nèi)管上的凹凸槽與密封盒內(nèi)的凹凸槽相互嚙合，此時(shí)補(bǔ)償器能夠整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞。根據(jù)密封性評(píng)價(jià)試驗(yàn)并考慮經(jīng)濟(jì)性，選用高碳纖維盤根和石墨的交叉組合作為內(nèi)密封材料。

2.3 隔熱扶正器

隔熱扶正器主要由隔熱接箍、隔熱內(nèi)管、扶正體、扶正塊和回彈體組成，如圖4所示。

其工作原理為：該扶正器與隔熱油管連接后下入井內(nèi)，扶正器通過(guò)扶正體上的扶正塊支撐在套管壁面上，使扶正器和注入管柱居于套管的中心軸線上，防止或減少注入管柱直接貼合套管內(nèi)壁，減少熱量損失。在隔熱原理方面，扶正器的接箍及本體均具有良好的隔熱性能，其隔熱原理與隔熱補(bǔ)償器類似，采用“雙管抽真空+充填隔熱材料”的方式。

2.4 均衡注入閥

均衡注入閥主要由中心管、換向套、密封環(huán)和配注孔組成，如圖5所示。其工作原理為：注入熱流體時(shí)，熱流體通過(guò)中心管內(nèi)的配注孔流出，由于換向套的作用，流向變?yōu)檠刂苤S線方向，避免了高速熱流體對(duì)篩管的直接沖擊。依據(jù)最大外徑和泄流面積的不同，注入閥型號(hào)不同，根據(jù)每個(gè)水平井段配注量設(shè)計(jì)要求確定注入閥的數(shù)量及型號(hào)，以達(dá)到均勻注入熱流體的目的。

2.5 分段封隔器

分段封隔器主要由連接機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)和坐封機(jī)構(gòu)組成，如圖6所示。其工作原理為：當(dāng)注入熱流體時(shí)，由于溫度升高，熱敏金屬開始膨脹，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，熱敏金屬件推動(dòng)密封膠筒擴(kuò)張至與套管內(nèi)壁接觸，實(shí)現(xiàn)初步坐封。初步坐封后，封隔器上下兩端形成壓力差，通過(guò)平衡氣孔的熱蒸汽繼續(xù)推動(dòng)密封膠筒向外擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)密封；停止注熱流體后，隨著溫度降低，密封件自動(dòng)回收，實(shí)現(xiàn)解封。

2.6 主要技術(shù)參數(shù)

表1為各關(guān)鍵工具的主要技術(shù)參數(shù)。

由于多元熱流體具有較強(qiáng)的腐蝕性，所以為了防止注入管柱發(fā)生腐蝕，所有與熱流體相接觸的工具零部件均采用鉻鉬鋼，并對(duì)其表面進(jìn)行鍍鎳磷處理，且在注入多元熱流體時(shí)伴注耐高溫緩蝕劑。

3 室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[11-12]，對(duì)所有關(guān)鍵工具進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，所有工具均達(dá)到了相應(yīng)要求，其中隔熱扶正器和隔熱型補(bǔ)償器的視導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.017 9和0.009 9 W/(m·℃)，隔熱性能達(dá)到D級(jí)。

3.1 隔熱封隔器試驗(yàn)

隔熱封隔器地面試驗(yàn)結(jié)果顯示：該封隔器坐封壓力約18 MPa，壓縮距為150 mm，滿足膠筒壓縮需要；最大錨定力為816 kN，為理論需要值的1.3倍，最大解封力為81 kN。在井下高溫試驗(yàn)(試驗(yàn)原理見圖7)過(guò)程中，以氮?dú)鉃樵囼?yàn)介質(zhì)，將封隔器從室溫升至330 ℃，在此過(guò)程中隔熱封隔器均能承受20 MPa的壓差(見表2)。

表2 隔熱封隔器在高溫下的承壓性能

Table 2 Bearing pressure performance of heat injection packer at high temperatures

3.2 隔熱補(bǔ)償器試驗(yàn)

將隔熱補(bǔ)償器裝配好，在常溫至350 ℃之間選取6～7個(gè)溫度點(diǎn)檢測(cè)其密封性能，結(jié)果見表3。由表3看出，補(bǔ)償器在不同溫度下均能承受20 MPa的壓差，密封性良好。

表3 隔熱補(bǔ)償器在不同溫度下的承壓性能

Table 3 Bearing pressure performance of insulated compensator at different temperatures

3.3 水平段分段封隔器試驗(yàn)

將水平段分段封隔器裝配好，分別進(jìn)行常溫試驗(yàn)與高溫試驗(yàn)。常溫下該工具整體耐壓35 MPa，不滲不漏，鋼體及絲扣無(wú)損壞和變形。高溫試驗(yàn)結(jié)果表明，該工具的坐封溫度為240 ℃，能耐330 ℃高溫，高溫下承壓達(dá)10 MPa。

3.4 均衡注入閥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

均衡注入閥在渤海油田稠油井中試用了7井次，均達(dá)到了水平段均勻注入熱流體的目的。

4 結(jié) 論

1) 海上多元熱流體高效注入管柱無(wú)需環(huán)空連續(xù)注氮，能夠降低注氮成本，并且該管柱采用了隔熱扶正器和隔熱補(bǔ)償器，能極大地提高管柱的隔熱性能，減少高溫對(duì)水泥環(huán)的損害。

2) 海上多元熱流體高效注入管柱的關(guān)鍵工具均能滿足耐高溫的要求，性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3) 水平段設(shè)置均衡注入閥，能達(dá)到均勻注入熱流體的目的。

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[編輯 劉文臣]

Key Tools for Assuring a High Efficiency Heat Injection String for Multiple Thermal Fluids in Offshore Wells

Wang Tong1, Sun Yongtao1, Zou Jian2, Zhou Fayuan2, Zhang Wei2, Zhang Hua2

(1.ProductionOptimizationResearchInstitute,ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin，300450,China; 2.BohaiOilResearchInstitute,TianjinBranchofCNOOC(China)Co.,Ltd.,Tianjin，300450,China)

At present, the simple heat injection string pipes used by multiple thermal fluids technology in offshore wells have poor whole-pipe thermal insulation, and are uneven in multiple thermal fluid injection of horizontal sections. In order to solve these problems, high-efficiency injection strings for offshore multiple thermal fluids were designed by developing key thermal insulation tools and step heat injection tools and by designing horizontal sections for heat injection by sections. The thermal insulation section of the string consists of insulated tubing, insulated coupling, insulated centralizer, insulated compensator and insulated packer. Due to its excellent insulation performance on the whole, the heat loss of injected thermal fluids dropped. Its horizontal section, which could implement even heat injection in horizontal sections, consisted of uniform fill-up valves, segmenting packers and tubing centralizers. All key insulated tools and step heat injection tools could meet the requirements for long-term operation at 330 degrees and with Grade D in heat insulation performance. The uniform heat allocation device had been applied 7 times to wells with implementation of uniform heat injection in horizontal sections. In summary, multiple thermal fluids could be injected efficiently offshore by using the high-efficiency multiple thermal fluid injection strings together with the corresponding key tools.

multiple thermal fluids; thermal recovery; injection pipe string; packer; centralizer; compensator

2015-06-08；改回日期：2015-11-09。

王通(1987—)，男，寧夏中衛(wèi)人，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)，2011年獲中國(guó)石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，工程師，主要從事海上稠油熱采、井下工具方面的研究工作。

中國(guó)海洋石油總公司重大專項(xiàng)“多元熱流體、蒸汽吞吐和SAGD熱采關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào)：YXKY-2013-TJ-01)資助。

?油氣開采?

10.11911/syztjs.201506017

TE925

A

1001-0890(2015)06-0093-05

聯(lián)系方式：wangtong3@cosl.com.cn。