肖 益,孫雅婷,孫正鵬

(中國石油新疆油田分公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū),新疆克拉瑪依834000)

淺層超稠油雙水平井SAGD開采配套技術(shù)研究

肖 益,孫雅婷,孫正鵬

(中國石油新疆油田分公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū),新疆克拉瑪依834000)

2009年新疆油田開始通過試驗蒸汽輔助重力泄油(SAGD)技術(shù)實現(xiàn)淺層超稠油的有效動用和開發(fā)。由于開發(fā)前期采油及配套工藝尚不成熟,開發(fā)過程中遇到了SAGD注入產(chǎn)出計量不準確、生產(chǎn)壓差調(diào)節(jié)精度低、產(chǎn)出液取樣困難等一系列問題。本文通過研究蒸汽計量方式及誤差、熱采井井口密封方式及密封材料選型、在線取樣技術(shù),改進了蒸汽流量計、提高了井下測溫測壓系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、研制了井口可調(diào)節(jié)閥及高溫光桿密封裝置、發(fā)明了適合SAGD工況的取樣器,逐步在淺層超稠油SAGD采油及配套工藝上形成了一整套成熟工藝,為風(fēng)城SAGD大規(guī)模開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

超稠油;雙水平井;SAGD;工藝配套

風(fēng)城油田發(fā)現(xiàn)于1956年,油藏中部埋深170～600 m,油層厚度10～40.7 m,50℃原油黏度大于50 000 mPa·s,探明稠油地質(zhì)儲量3×108t,油田超稠油資源豐富,但受超稠油開采工藝難以突破的限制,油田直到2007年才采用蒸汽吞吐工藝進行規(guī)模開發(fā),由于油藏埋深淺、原油黏度高,開發(fā)難度極大,采出程度極低[1]。為實現(xiàn)風(fēng)城超稠油經(jīng)濟有效開發(fā),2008年啟動股份公司十大開發(fā)試驗項目之一的風(fēng)城油田超稠油SAGD開發(fā)先導(dǎo)試驗,主體工藝借鑒遼河油田SAGD開發(fā)經(jīng)驗,逐步成熟定型了鉆井工藝、井口工藝、井下管柱結(jié)構(gòu)等系列工藝,但仍存在蒸汽計量及產(chǎn)液計量誤差大、井下測溫測壓設(shè)備壽命短、高溫條件下井口密封裝置可靠性低、注采壓差調(diào)節(jié)精度無法滿足生產(chǎn)、產(chǎn)出液取樣難等一系列問題。

1 SAGD配套工藝技術(shù)難點

(1)常規(guī)計量工藝在SAGD使用時,計量誤差大。稠油井采用立罐計量,計量誤差小,但員工勞動強度大,采用稱重式計量避免上述問題,但當原油汽相含量高時,該工藝計量誤差大,可達26%;目前一般采用差壓(孔板、均速管、彎管)式、渦街式計量工藝對蒸汽進行計量,風(fēng)城SAGD試驗區(qū)采用分流取樣式工藝進行蒸汽流量計量,計量誤差平均28%。

(2)井下溫壓監(jiān)測設(shè)備運行壽命短。目前國內(nèi)外SAGD井下測試工藝一般采用熱電偶測溫、毛細管測壓工藝,受SAGD井下工況影響,一般1 a后熱電偶、毛細管發(fā)生損壞。

(3)SAGD井口密封可靠性低。風(fēng)城SAGD井口溫度210～245℃,常規(guī)熱采井盤根盒在SAGD井使用時,盤根磨損快,井口頻繁刺漏,單井盤根工作壽命平均10 d。

(4)SAGD工藝要求精細調(diào)節(jié)注采井壓力。風(fēng)城SAGD開發(fā)前期,注入水平井采用普通熱采井閘門控制注汽,生產(chǎn)水平井采用普通油嘴控制壓力,注采井壓力調(diào)節(jié)精度低,不能滿足SAGD生產(chǎn)需要。

(5)井口取樣閃蒸嚴重,取樣不能反映產(chǎn)出液真實含水率。取樣時產(chǎn)出液由于壓力突降發(fā)生閃蒸,取出樣的含水率比油井實際含水率低。

2 淺層雙水平井SAGD開采配套技術(shù)研究

針對SAGD配套工藝存在的問題,進行了計量、井下測試、井口密封、注采井口壓力調(diào)節(jié)技術(shù)研究。

2.1 錐形孔板蒸汽流量計研制

風(fēng)城SAGD試驗區(qū)注入蒸汽干度90%～95%,屬于高干度蒸汽,根據(jù)研究,孔板式蒸汽流量計對高干度蒸汽計量誤差較小[2]?？装迨秸羝髁坑嬂昧黧w通經(jīng)孔板時在孔板的前后產(chǎn)生壓差的原理,對流體進行流量測量?？装辶髁坑嫻饺缦?

式中,qm為質(zhì)量流量,m3/min;c為流量系數(shù);β為孔板開孔與管道內(nèi)徑比;ε為熱膨脹系數(shù),對于液體ε=1,對氣體等可壓縮流體ε<1(0.991 9);d為孔板開孔內(nèi)徑,m;ρ為被測介質(zhì)密度,kg/m3;ΔP為孔板前后差壓,Pa;D為管道內(nèi)徑,m。

對孔板式蒸汽流量計進行了改進,將孔板流量計的核心部件標準孔板改為錐型孔板。錐形孔板耐磨蝕能力強。采用錐形孔板的孔板流量計工作壽命得到了延長,且錐形孔板具有自潔能力,在節(jié)流件上、下游不會出現(xiàn)液相累積,測量精度較傳統(tǒng)孔板也有所提高。

2.2 產(chǎn)出液分相計量技術(shù)研究

SAGD產(chǎn)出液因閃蒸嚴重,試驗區(qū)前期采用稱重式計量儀計量產(chǎn)液誤差大,為計量真實產(chǎn)液,對產(chǎn)出液進行氣液兩相分相計量(圖1)。

圖1 兩相流量計裝置結(jié)構(gòu)示意圖

利用旋流分相技術(shù)[3],SAGD產(chǎn)出液經(jīng)過多管束旋流分離器分離出液相和汽相,液相經(jīng)質(zhì)量流量計進行計量,汽相部分通過孔板流量計進行計量[4]。

2.3 井下溫壓監(jiān)測運行穩(wěn)定性研究

風(fēng)城SAGD試驗區(qū)采用毛細管測壓、熱電偶測溫技術(shù)進行井下溫壓監(jiān)測。根據(jù)生產(chǎn)需要,在地面將毛細管、熱電偶電纜預(yù)制到連續(xù)油管內(nèi),再將預(yù)制好的連續(xù)油管順著油管下到水平井指定位置,封裝井口,通過井口密封裝置引出毛細管電纜,并與地面配套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接,實時監(jiān)測井下多點溫度、壓力數(shù)據(jù)。

前期運行發(fā)現(xiàn)水平井井下溫壓測試系統(tǒng)損壞情況嚴重,給動態(tài)分析和生產(chǎn)調(diào)控帶來困難。通過技術(shù)分析,找出了測試系統(tǒng)損壞的原因。

(1)毛細管堵塞導(dǎo)致了井下無法測壓。毛細管焊接在連續(xù)油管外壁,末端極易受井下細粉砂堵塞,從而導(dǎo)致測壓失效。

(2)流體進入連續(xù)油管內(nèi),導(dǎo)致熱電偶短路。焊接點焊接強度低,導(dǎo)致焊點脫焊,連續(xù)油管受熱膨脹后破損開裂,及硫化氫腐蝕引起連續(xù)油管腐蝕穿孔,均能導(dǎo)致流體進入連續(xù)油管內(nèi),從而使熱電偶短路。

通過對井下測試系統(tǒng)失效原因進行分析,對測試系統(tǒng)作了以下改進:

(1)改進了連續(xù)油管測壓點焊接結(jié)構(gòu)。將連續(xù)油管穿過支撐體后焊接在連續(xù)油管上,增加了焊接面積,提高了焊接強度。改進后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進焊接后測試管柱

(2)考慮了連續(xù)油管井下熱膨脹。連續(xù)油管在高溫時要伸長,在冷卻時要縮短。連續(xù)油管在溫度增高時,軸向熱膨脹伸長ΔL為:

式中,λs為連續(xù)油管鋼材熱膨脹系數(shù),12.1× 10-6℃-1;L為連續(xù)油管長度,cm;ΔTc為連續(xù)油管井下受熱時,連續(xù)油管井下平均溫度Tci與連續(xù)油管下入前平均溫度Tco之差。

經(jīng)過計算連續(xù)油管井下伸長量約3～4 m,為防止受熱膨脹,測試鋼纜與油管堵頭預(yù)留10 m空間,確保鋼纜受熱膨脹后有伸長的空間。

2.4 高溫光桿密封裝置的研制

風(fēng)城SAGD井采用常規(guī)熱采井盤根盒進行光桿密封,在210～250℃的使用環(huán)境中,10 d后盤根盒密封失效,需要頻繁更換盤根,嚴重影響了油井生產(chǎn)時率,同時井口頻繁刺漏給安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患。

對密封方式和密封材料的性能進行了研究,研制了SAGD高溫光桿密封裝置,安裝在常規(guī)盤根盒下部[5]。SAGD高溫光桿密封裝置主要由金屬密封缸體和密封填料組成。利用專門工具將密封填料充滿整個缸體實現(xiàn)光桿密封,即可更換一二級盤根盒。金屬密封缸體由定位螺母、上密封銅環(huán)、下密封銅環(huán)等組成,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 SAGD高溫光桿注脂密封裝置結(jié)構(gòu)

高溫光桿密封裝置的技術(shù)參數(shù)如下:連接螺紋: 73 mm;使用光桿規(guī)格:25、28 mm;工作溫度為-30～300℃;工作壓力≤5 MPa。

經(jīng)過室內(nèi)及蒸汽吞吐井模擬試驗,裝置在250℃情況下,最長可實現(xiàn)5 h靜密封。

2.5 注采井壓差精細調(diào)節(jié)裝置研究

2.5.1 注入水平井壓差精細調(diào)節(jié)裝置

對閘門流量特性曲線進行了研究。普通閘閥流量特性為快開型,隨開度的增大,流量很快達到最大,此后再增加開度,流量變化很小,不能滿足SAGD井生產(chǎn)需要。迷宮閥流量特性屬直線型,調(diào)節(jié)閥的相對流量與閥桿相對位移成直線關(guān)系[6],即單位位移變化所引起的流量變化是常數(shù),流量調(diào)節(jié)靈敏度高(圖4)。

圖4 閥門開度與流量關(guān)系曲線

2.5.2 生產(chǎn)水平井壓差調(diào)節(jié)裝置

風(fēng)城SAGD開采工藝利用可調(diào)節(jié)閥(圖5)實現(xiàn)生產(chǎn)井井口壓力控制,調(diào)節(jié)井口壓力時無需關(guān)停油井,只需要旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手輪,達到調(diào)節(jié)生產(chǎn)壓差的目的。性能參數(shù):額定工作壓力:35 MPa;閥門公稱通徑:65 mm;最高溫度級別:370℃;調(diào)節(jié)范圍:Φ1～30 mm(無級調(diào)節(jié))。

圖5 可調(diào)油嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 在線取樣技術(shù)研究

影響SAGD油井取樣精度的根本原因在于取樣的同時伴隨降壓的過程,導(dǎo)致在取樣時產(chǎn)出液發(fā)生閃蒸,所以只要在取樣時保持管線內(nèi)壓力、溫度不發(fā)生變化,待所需樣品在容器內(nèi)部降溫后再降壓,就能保證樣品的準確性。為此,設(shè)計了管道旁通式高溫取樣器(圖6)。

圖6 管道旁通式取樣器裝置實物圖

該取樣器將管道中流體截取一部分,利用循環(huán)冷卻裝置對截取流體降溫,最后打開取樣嘴取樣。采用這種方式取樣避免了取樣過程中壓力突降導(dǎo)致的閃蒸,提高了取樣準確性。

3 配套技術(shù)應(yīng)用效果

3.1 計量技術(shù)應(yīng)用情況

利用標準孔板對錐形孔板流量計進行了標定,改進后的錐形孔板蒸汽計量裝置計量誤差低于8%,蒸汽流量的計量誤差低于3%,計量誤差小,且裝置運行穩(wěn)定性高。

用處理站大罐對產(chǎn)液進行標定,分相計量誤差<15%,計量誤差較稱重儀有所降低。通過用稱重儀對液相部分進行標定,分相計量儀分相后利用質(zhì)量流量計計量液相誤差小于0.5%,證明分相計量誤差主要產(chǎn)生在汽相部分,產(chǎn)生誤差的主要原因是分相計量儀的氣液分離器效率低導(dǎo)致。

3.2 井下溫壓監(jiān)測技術(shù)

對共計7口井井下溫壓測試系統(tǒng)進行了改進。7口井合計80個測溫點,7個測壓點,改進運行24個月后,測溫點損壞2個,測壓點全部損壞3個,測溫點失效率僅2.5%,測壓點失效率43%,表明改進后測試工藝后,測溫點運行可靠,測壓點依舊存在堵塞失效的問題。

3.3 井口密封應(yīng)用情況

2011年至2015年底,高溫光桿密封裝置在風(fēng)城SAGD試驗區(qū)應(yīng)用150套,成功率100%,密封效果好,使用至今沒有發(fā)生一起密封不嚴的情況。裝置在SAGD試驗區(qū)實現(xiàn)了260℃下,最長4 h靜密封。該裝置的成功應(yīng)用使SAGD井更換盤根方便、快捷、安全、可控,具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

3.4 壓差調(diào)節(jié)應(yīng)用情況

可調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用有效解決了生產(chǎn)井需要頻繁更換油嘴對SAGD油井生產(chǎn)的影響,由于采用了YG8硬質(zhì)合金作為保護,在現(xiàn)場連續(xù)使用7個月后將可調(diào)油嘴分解檢查,未發(fā)現(xiàn)錐座及錐頭磨損現(xiàn)象。迷宮閥的應(yīng)用使注汽量調(diào)節(jié)更加便利,但裝置使用1 a后,調(diào)節(jié)精度下降,分析原因,主要是由于高溫蒸汽對迷宮閥內(nèi)部存在沖蝕,降低了調(diào)節(jié)精度。

3.5 取樣技術(shù)應(yīng)用

通將傳統(tǒng)取樣方式與旁通取樣方式對比,傳統(tǒng)取樣方法均無法獲得完整的樣品,旁通取樣方式通過截取管道流體,并經(jīng)過先降溫后降壓的方法將樣品取出,能夠保證取出足夠的具有代表性的樣品。

4 結(jié) 論

通過一系列技術(shù)攻關(guān),風(fēng)城SAGD蒸汽計量、產(chǎn)液計量、井下測試、高溫井口密封等工藝難題得到解決,為SAGD開發(fā)方式在風(fēng)城油田的大規(guī)模推廣奠定了基礎(chǔ):

(1)在90%～95%干度下,錐形孔板蒸汽計量流量計計量誤差<3%,完全滿足SAGD開采工藝需要。

(2)對SAGD產(chǎn)出液實現(xiàn)分相計量,為解決產(chǎn)出液因汽相含量高,計量誤差大的問題提供了新思路,但分相計量的前提必須是產(chǎn)出液汽液的高效分離。

(3)改進后的溫壓測試系統(tǒng)運行狀況得到提高,但應(yīng)用效果還需進一步觀察,測壓毛細管井下堵塞問題依然存在。

(4)高溫光桿密封裝置的成功應(yīng)用,實現(xiàn)了SAGD井口帶壓條件下更換盤根,彌補了常規(guī)熱采井盤根盒高溫下工作壽命短的不足。

(5)迷宮閥和可調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用,滿足了SAGD開采工藝對注采精細調(diào)控的要求。

(6)對SAGD產(chǎn)出液取樣方式進行了創(chuàng)新。先降溫、后取樣的取樣方式,避免了SAGD取樣過程中的閃蒸,保證了產(chǎn)出液取樣的代表性。

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[責任編輯]王艷麗

TE24

A

1673-5935(2016)04-0022-04

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.04.007

2016-11-02

肖 益(1990—),男,內(nèi)蒙古五原人,中國石油新疆油田分公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)助理工程師,主要從事稠油熱采研究。