董奇瑋

(中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

傳統(tǒng)的分層注汽技術(shù)(偏心式分層注汽技術(shù)、同心式分層注汽技術(shù)等)在應(yīng)用初期都取得了較好的增產(chǎn)效果[1-5]，但隨注汽時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸出現(xiàn)諸多問(wèn)題，如：注汽閥內(nèi)芯鎖死，導(dǎo)致配汽量無(wú)法及時(shí)調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響縱向吸汽剖面的調(diào)整；管柱應(yīng)力無(wú)法釋放，導(dǎo)致管柱嚴(yán)重彎曲變形；注汽閥嚴(yán)重結(jié)垢,堵死配汽嘴，調(diào)節(jié)注汽量時(shí)需伴隨修井作業(yè)，成本較高等問(wèn)題[6-9]。為解決以上問(wèn)題，研發(fā)了環(huán)形可調(diào)式分層注汽技術(shù)。該技術(shù)能夠可靠、迅速地調(diào)節(jié)配汽量，通過(guò)機(jī)械方式將管柱應(yīng)力分段釋放，管柱的力學(xué)性能以及密封隔熱性能優(yōu)異。環(huán)形可調(diào)式分層注汽技術(shù)的研發(fā)為進(jìn)一步完善分層注汽技術(shù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 技術(shù)原理

環(huán)形可調(diào)式分層注汽管柱是以環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥為核心，與小直徑層間封隔器、層間應(yīng)力釋放裝置、新型高強(qiáng)度隔熱油管、新型防粘連密封隔熱裝置等共同組成的一種分層注汽管柱(圖1)。管柱整體耐溫為350 ℃，耐壓為17 MPa，內(nèi)通徑為76 mm。

傳統(tǒng)分層注汽技術(shù)采用噴嘴式注汽閥，調(diào)節(jié)配汽量時(shí)，需將管柱整體取出更換新注汽閥，作業(yè)成本較高。偏心式注汽閥雖然理論上避免了這一問(wèn)題，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為繁瑣，頻繁出現(xiàn)內(nèi)芯卡死、注汽閥結(jié)垢等問(wèn)題，配汽量調(diào)節(jié)成功率僅為30%。環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥基于環(huán)形氣體流動(dòng)通道設(shè)計(jì)理念，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，利用高壓氣體沖刷預(yù)防結(jié)垢，具有較高的可靠性。應(yīng)用中，當(dāng)需調(diào)節(jié)配汽量時(shí)，先通過(guò)地面鋼絲撬裝車下放打撈工具打撈出注汽閥內(nèi)芯，然后將新的內(nèi)芯安裝在投放工具上，下放至注汽閥深度，即可完成配汽量的調(diào)節(jié)。

同時(shí)，環(huán)形可調(diào)式分層注汽技術(shù)通過(guò)使用新工具、新材料可確保管柱的抗彎曲性能。應(yīng)用中，環(huán)形可調(diào)式分層注汽技術(shù)分別在注汽層之間和油層上界至表層之間設(shè)置了層間應(yīng)力釋放裝置和大通徑隔熱型伸縮管，將管柱的縱向熱應(yīng)力進(jìn)行釋放，有效解決了傳統(tǒng)分層注汽技術(shù)層間應(yīng)力無(wú)法釋放的問(wèn)題。同時(shí)，管柱采用新型高強(qiáng)度隔熱油管，該隔熱油管采用BG80H型高強(qiáng)度管材，屈服應(yīng)力達(dá)774 MPa(測(cè)試溫度為400 ℃)，超過(guò)API標(biāo)準(zhǔn)要求27%，相比傳統(tǒng)分層注汽技術(shù)使用的N80型隔熱管，具有更好的高溫抗形變能力。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥

環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。該注汽閥由閥體及注汽閥內(nèi)芯[10-12]2個(gè)部分共同組成，通過(guò)更換注汽閥內(nèi)芯來(lái)調(diào)節(jié)配汽量。閥體內(nèi)擱置內(nèi)芯的空間稱為容置腔，容置腔內(nèi)設(shè)置有內(nèi)芯錨點(diǎn)，用于錨定內(nèi)芯，確保內(nèi)芯不在閥體內(nèi)發(fā)生位移或旋轉(zhuǎn)。內(nèi)芯及閥體均設(shè)置有表面采用DLC類金剛石合金噴涂處理的密封臺(tái)階，2個(gè)密封臺(tái)階互相接觸形成密封，內(nèi)芯與閥體之間形成環(huán)形注汽腔，注汽閥閥體上設(shè)置有與之相連的環(huán)形開窗，蒸汽通過(guò)環(huán)形注汽腔經(jīng)由環(huán)形開窗進(jìn)入閥體內(nèi)的環(huán)形通道中，再通過(guò)防砂排汽孔注入地層，相比于常規(guī)分層注汽閥的單一圓孔注汽，環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥能夠?qū)崿F(xiàn)360°立體排汽，注汽更均勻。當(dāng)需要調(diào)節(jié)配汽量時(shí)，下入配套的打撈及投送裝置，更換環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥內(nèi)芯，即可實(shí)現(xiàn)配汽量的靈活調(diào)整。

圖1環(huán)形可調(diào)式分層注汽技術(shù)管柱結(jié)構(gòu)示意圖(分2層注汽情況)

圖2 環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥采用全新的環(huán)形氣體流動(dòng)通道設(shè)計(jì)，是與傳統(tǒng)圓孔注汽完全不同的配汽模式，更符合流體力學(xué)優(yōu)化理念，氣體在注汽閥內(nèi)部流動(dòng)更為順暢。利用Fluent軟件模擬現(xiàn)場(chǎng)注汽條件(圖3)發(fā)現(xiàn)：在注汽壓力為5 MPa時(shí)，環(huán)形氣體流動(dòng)通道中最高氣體流速為68 m/s；當(dāng)注汽壓力為17 MPa時(shí)，環(huán)形氣體流動(dòng)通道中最高氣體流速為135 m/s，閥體內(nèi)部流速較高，充分利用高溫高壓蒸汽進(jìn)行沖刷，可有效抑制水垢的形成。

圖3環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥氣體流速分布

2.2 小直徑層間封隔器

針對(duì)常規(guī)分層注汽技術(shù)中出現(xiàn)的由于套管變形、管柱彎曲造成的封隔器卡死、難以上提下放的問(wèn)題，研制了小直徑層間封隔器。在蒸汽驅(qū)區(qū)塊，注汽井不同層位之間的滲透極差較小，因此，層間封隔器承受的壓力差也較常規(guī)封隔器要小。小直徑層間封隔器在設(shè)計(jì)之初考慮到這一情況，將封隔器的密封耐壓適當(dāng)減小，設(shè)置為10 MPa(常規(guī)層間封隔器耐壓為17 MPa)；膨脹藥采用乙氧基乙醇，熱膨脹系數(shù)為9.38×10-2℃-1，受熱后膨脹體積更大；密封膠筒采用聚氨酯類橡膠，在300 ℃溫度下，彈性模量達(dá)0.007 8 GPa，泊松比為0.47，可保證密封效果。小直徑層間封隔器通過(guò)使用以上新的膨脹藥和膠筒材質(zhì)，將外徑縮小至140 mm，長(zhǎng)度為800～1 200 mm(可通過(guò)加長(zhǎng)接箍靈活調(diào)節(jié))，在保證密封效果的同時(shí)，降低了封隔器的解封拉力，同時(shí)，該封隔器在套管發(fā)生輕微彎曲情況下，還能保持一定的活動(dòng)自由度，有效解決了傳統(tǒng)注汽封隔器卡死的問(wèn)題。

2.3 層間應(yīng)力釋放裝置

對(duì)常規(guī)分層注汽技術(shù)的管柱受力情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2個(gè)封隔器之間的管柱應(yīng)力無(wú)法得到有效釋放。針對(duì)這一情況，研制了層間應(yīng)力釋放裝置。該裝置主體采用多層管型結(jié)構(gòu)(圖4)，裝置兩端的液壓保護(hù)殼分別采用環(huán)氧密封樹脂膠噴涂的密封圈和耐高溫氟橡膠。環(huán)氧密封樹脂膠在溫度高于120 ℃后會(huì)發(fā)生縮聚反應(yīng)，密封圈緊縮失效，從而達(dá)到延時(shí)泄壓的目的。下管柱過(guò)程中，液壓保護(hù)殼壓緊，保持液壓筒壓力，裝置不縮短，確保各井下工具下至指定位置；開始注汽后，涂有環(huán)氧密封樹脂膠的密封圈受熱后失效，裝置內(nèi)液壓能夠緩慢釋放并補(bǔ)償管柱形變；層間應(yīng)力釋放裝置在上提管柱解封封隔器時(shí)，中心定位管自動(dòng)鎖緊，可直接傳遞拉力及扭力，能夠?qū)崿F(xiàn)管柱封隔器的逐級(jí)解封功能。

圖4 層間應(yīng)力釋放裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 技術(shù)應(yīng)用效果

3.1 總體應(yīng)用效果

2015年12月至2017年1月，在遼河油田齊40塊的10個(gè)蒸汽驅(qū)井組中的注汽井實(shí)施了環(huán)形可調(diào)式分層注汽技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，10口注汽井吸汽剖面得到改善，原動(dòng)用較差的層位，吸汽百分比平均提高20.7%。井組中生產(chǎn)井采注比、最高瞬時(shí)油汽比有所提高，平均采注比由0.54提高至0.90，最高瞬時(shí)油汽比由0.19提高至0.25。截至2017年10月，10口注汽井累計(jì)注汽2.4×104m3，井組累計(jì)增油1.22×104t，取得了較好的階段應(yīng)用效果。

技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)調(diào)剖需求，對(duì)環(huán)形可調(diào)式分層注汽閥的內(nèi)閥芯共進(jìn)行了18井次的投撈，內(nèi)芯更換成功率為100%。內(nèi)芯更換平均耗時(shí)僅為2 h，相比傳統(tǒng)的8～48 h的更換作業(yè)時(shí)間有明顯縮短，停注時(shí)間短，對(duì)井組生產(chǎn)影響較小。有效解決了注汽管柱難以打撈的問(wèn)題，能夠及時(shí)有效地調(diào)節(jié)縱向吸汽剖面。

3.2 典型實(shí)例

齊40-6-020井為齊40塊蒸汽驅(qū)開發(fā)井網(wǎng)中的一口注汽井，于2014年2月4日完井，并于該年4月投入生產(chǎn)，注汽管柱使用噴嘴式注汽閥，設(shè)計(jì)日注汽量為80 t/d，上注汽單元配汽比為36%，下注汽單元配汽比為64%，截至2015年12月關(guān)井前，累計(jì)注汽4.3×104t。生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，自2015年2月開始，井底蒸汽干度持續(xù)下降，井組產(chǎn)油量也下降。對(duì)取出的管柱觀察發(fā)現(xiàn)，上層注汽閥內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致注汽通道堵死，無(wú)法注汽，下層注汽閥完全被水垢堵住，僅剩1個(gè)圓孔能夠注汽，高壓蒸汽在管柱內(nèi)膨脹，造成管柱嚴(yán)重彎曲變形。2016年1月更換為環(huán)形可調(diào)式分層注汽管柱。應(yīng)用新技術(shù)后，發(fā)生汽竄的油層得到治理，吸汽百分?jǐn)?shù)由61.8%下降至50.7%，原動(dòng)用差的油層，吸汽百分?jǐn)?shù)由38.2%上升至49.3%，吸汽剖面得到顯著改善；井組的產(chǎn)量也隨之提高，井組平均日增油為18.9 t/d，瞬時(shí)油汽比由0.16上升至0.25，階段累計(jì)增油6 330 t。

4 結(jié) 論

(1) 環(huán)形可調(diào)式分層注汽技術(shù)通過(guò)采用全新的配汽方式，可有效避免結(jié)垢、金屬自鎖現(xiàn)象的發(fā)生，能夠靈活可靠地調(diào)節(jié)配汽量，成功解決了傳統(tǒng)分層注汽技術(shù)打撈注汽管柱困難的難題。

(2) 環(huán)形可調(diào)式分層注汽技術(shù)以汽驅(qū)管柱力學(xué)分析為基礎(chǔ)，應(yīng)用高強(qiáng)度隔熱油管、層間應(yīng)力釋放裝置，在保證管柱強(qiáng)度的同時(shí)將應(yīng)力釋放，有效解決了注汽管柱彎曲變形的問(wèn)題。

(3) 環(huán)形可調(diào)式分層注汽技術(shù)可廣泛適用于蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SAGD、火驅(qū)等稠油熱采開發(fā)方式，該技術(shù)對(duì)進(jìn)一步完善分層注汽技術(shù)具有廣泛的指導(dǎo)意義。