冷 冰

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

火燒油層(火驅(qū))是稠油油藏蒸汽吞吐開發(fā)后期一種有效開發(fā)技術(shù)[1-2]。截至目前，遼河油田共部署火驅(qū)井組307個(gè)，待轉(zhuǎn)驅(qū)井組達(dá)167個(gè)。遼河油田火驅(qū)前期均為籠統(tǒng)注氣點(diǎn)火，針對(duì)層狀油藏，由于油藏縱向非均質(zhì)性較強(qiáng)，受前期蒸汽吞吐影響，各小層吸氣能力差異加大，點(diǎn)火后火線推進(jìn)差異嚴(yán)重，籠統(tǒng)點(diǎn)火方式無法實(shí)現(xiàn)多層同時(shí)火驅(qū)[3-9]。為此，針對(duì)高溫和常溫轉(zhuǎn)換下的密封，以及分層火驅(qū)點(diǎn)火操作的便利性等要求，開展了火驅(qū)同心雙管分層注氣管柱的研制工作。

1 工藝管柱及原理

1.1 工藝管柱

火驅(qū)同心雙管分層注氣管柱采用同心雙管的方式進(jìn)行分層注入，其中，外層管柱主要包括火驅(qū)專用伸縮管、錨定裝置、保護(hù)套管封隔器、滑套式分層注氣閥、插入密封裝置、可熔式開關(guān)上層滑套、層間封隔器、可熔式開關(guān)下層滑套及球座；內(nèi)層管柱主要包括Φ73.0 mm油管及插入密封內(nèi)管，管柱工藝結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 工藝原理

該管柱目前暫限于2層分層注氣，可在井口控制分層注氣量。按照地質(zhì)方案設(shè)計(jì)要求，通過Φ114.3 mm油管將外層管柱下入，套管保護(hù)封隔器一般位于上部油層上方100 m左右，主要是為了防止高溫對(duì)套管的損傷；層間封隔器位于2個(gè)注氣油層中間，分隔注氣油層，便于分層注氣；Φ114.3 mm油管下端一般位于下部油層附近。然后將Φ73.0 mm油管和插入密封內(nèi)管下入，插入密封內(nèi)管和外層管柱的插入密封裝置配合對(duì)內(nèi)外管柱的環(huán)空進(jìn)行密封。通過內(nèi)外管環(huán)空打壓，將錨定轉(zhuǎn)置和套管保護(hù)封隔器密封，通過內(nèi)管打壓，將層間封隔器密封。

預(yù)注空氣時(shí)，通過內(nèi)外管環(huán)空和內(nèi)管同時(shí)注入空氣。內(nèi)外管環(huán)空內(nèi)的空氣通過滑套式分層注汽閥對(duì)上部油層注氣；內(nèi)管內(nèi)的空氣通過Φ73.0 mm油管進(jìn)入Φ114.3 mm油管，最終通過Φ114.3 mm油管下端的球座(此時(shí)為打開狀態(tài))對(duì)下部油層注氣(圖1a，紅色箭頭為內(nèi)管注氣方向，黑色箭頭為外層注氣方向，下同)。

先對(duì)上層注氣并點(diǎn)火，此時(shí)只對(duì)內(nèi)管注入空氣。在Φ73.0 mm油管內(nèi)下入電點(diǎn)火器，下至可熔式開關(guān)上層滑套(簡(jiǎn)稱上層滑套，下同)上方，增加點(diǎn)火器功率進(jìn)行加熱，上層滑套內(nèi)的可熔式閥芯融化，上層滑套的注氣孔打開，同時(shí)，上層滑套內(nèi)可熔墊環(huán)融化，坐封球掉落至管柱底端的球座并密封，空氣通過Φ73.0 mm油管、上層滑套的注氣孔進(jìn)入上部油層，對(duì)上層進(jìn)行注氣及點(diǎn)火(圖1b)。

然后對(duì)下層注氣及點(diǎn)火，上層點(diǎn)火結(jié)束后，內(nèi)外管環(huán)空開始注氣，通過滑套式注氣閥對(duì)上層持續(xù)注氣。將點(diǎn)火器下放并觸碰上層滑套開關(guān)，關(guān)閉上層滑套注氣孔。繼續(xù)下放點(diǎn)火器至可熔式開關(guān)下層滑套(簡(jiǎn)稱下層滑套，下同)上方，增加點(diǎn)火器功率進(jìn)行加熱，下層滑套內(nèi)的可熔式閥芯融化，注氣孔打開，空氣通過Φ73.0 mm油管、下層滑套的注氣孔進(jìn)入下部地層，對(duì)下層注氣及點(diǎn)火(圖1c)。此時(shí)，上下層完成分層注氣和點(diǎn)火操作。

圖1 同心雙管注氣管柱結(jié)構(gòu)

1.3 主要技術(shù)特點(diǎn)

(1) 采用同心雙管結(jié)構(gòu)，預(yù)注空氣及上下層注氣時(shí)不需反復(fù)起下管柱，操作簡(jiǎn)單可靠。

(2) 層間封隔器采用了新型火驅(qū)密封件，耐溫為500 ℃，解決了層間封隔器密封件在高溫常溫轉(zhuǎn)換條件下有效密封的技術(shù)難題。

(3) 上層滑套和下層滑套采用可熔式閥芯，可防止下井過程中滑套提前開啟，同時(shí)降低剪切銷釘開啟載荷，解決了滑套開關(guān)穩(wěn)定性差的技術(shù)難題。

2 主要井下工具

2.1 層間封隔器

層間封隔器[10-20]的作用是分隔2個(gè)油層，實(shí)現(xiàn)對(duì)上下油層的分層注氣和點(diǎn)火。主要由高回彈耐高溫密封膠筒、液缸套、活塞、鎖緊裝置、保護(hù)套等組成(圖2)。其工藝原理與常用封隔器基本一致，主要改進(jìn)部分為密封膠筒。

圖2 層間封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

火驅(qū)電點(diǎn)火過程中，熱空氣出口溫度高達(dá)450 ℃，點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 d，點(diǎn)火結(jié)束后溫度又恢復(fù)到常溫狀態(tài)，因此，火驅(qū)封隔器密封件需在經(jīng)過高溫和常溫轉(zhuǎn)變過程后依然能夠滿足密封要求。針對(duì)該技術(shù)難題，進(jìn)行了密封材料的優(yōu)選及密封膠筒的研究，研制了高回彈耐高溫密封膠筒(圖3)。其主要由內(nèi)部的中心管及高回彈耐高溫密封材料組成。坐封時(shí)，壓力達(dá)到設(shè)定值后剪斷坐封銷釘，膠筒下部的液缸套向上運(yùn)動(dòng)，壓縮高回彈耐高溫密封膠筒，在中心管的約束下，密封材料軸向縮短徑向膨脹和套管壁貼合密封。

圖3 高回彈耐高溫密封膠筒實(shí)物

高回彈耐高溫密封材料采用幾微米至二十幾微米的膨化預(yù)氧絲為基材[21]，在其分子矩陣內(nèi)加入納米級(jí)的交聯(lián)劑鏈接矩陣并融入核基石墨以增強(qiáng)其耐腐蝕性與潤(rùn)滑性，是一種新型的復(fù)合材料。其基本力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 高回彈耐高溫密封材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of high resilience and hightemperature resistant sealing material

為了驗(yàn)證密封膠筒在高溫和常溫下的密封性能，進(jìn)行了高溫老化實(shí)驗(yàn)和壓縮回彈實(shí)驗(yàn)。

(1) 高溫老化實(shí)驗(yàn)。將目前常用的全氟醚密封件作為對(duì)比樣品，將2種樣品置于500 ℃恒溫箱內(nèi)，老化時(shí)間為24 h(圖4)。由圖4可知，全氟醚密封件[22](左側(cè)樣品)已經(jīng)完全碎裂，不具有彈性以及密封功能，而高回彈耐高溫密封材料(右側(cè)樣品)保持完好并具有彈性。

圖4 高溫老化實(shí)驗(yàn)

(2)壓縮回彈實(shí)驗(yàn)。為評(píng)估密封膠筒高溫老化后的變形能力和回彈能力，將300 ℃下老化24 h后的高回彈耐高溫密封材料進(jìn)行常溫壓縮實(shí)驗(yàn)，最大載荷條件為壓縮率達(dá)到40%時(shí)的載荷，連續(xù)壓縮2個(gè)周期(圖5)。由圖5可知：第1個(gè)加載周期結(jié)束后，殘余變形約為2.3 mm，回彈率為93%；第2個(gè)加載周期結(jié)束后，殘余變形為2.3 mm，回彈率基本保持不變。表明該密封材料可以滿足高溫和常溫轉(zhuǎn)換后的密封要求。

圖5 常溫壓縮回彈實(shí)驗(yàn)曲線

層間封隔器主要技術(shù)參數(shù)：最大外徑為150 mm，最小內(nèi)通徑為62 mm，密封壓力為10 MPa，解封載荷為80 kN，工作溫度為550 ℃。

2.2 可熔式開關(guān)滑套

可熔式開關(guān)滑套包括上滑套和下滑套，其主要作用是在預(yù)注氣和上、下層點(diǎn)火注氣過程中通過可熔式注氣閥芯的開閉狀態(tài)形成不同的注氣通道。開關(guān)滑套作為點(diǎn)火時(shí)熱空氣的出口，主要面臨高溫、氧氣腐蝕等問題，采用310S做為其基體材料，該材料熱穩(wěn)定性、抗氧化性、耐腐蝕性好，且熱變形量小(表2)。

表2 310S力學(xué)特性Table 2 Mechanical properties of 310S

2.2.1 可熔式開關(guān)上滑套

可熔式開關(guān)上滑套的作用是打開上部油層的注氣通道，主要由閥套、可熔閥芯、閥座、可熔墊環(huán)、坐封球等組成(圖6)。上滑套隨Φ114.3 mm油管下入上部油層位置，上層點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火器[23-25]下入位置一般與可熔閥芯平行，點(diǎn)火器保持在250 ℃加熱10 h，可熔閥芯溫度達(dá)到熔點(diǎn)后熔化，此時(shí)上層注汽通道打開，同時(shí)，可熔墊環(huán)熔化，坐封球掉落至外管底部球座位置并封堵下部出口。

可熔注氣閥芯[26-28]采用聚甲醛(POM)[29]為主體材料，加入碳纖維和塑料助劑復(fù)合而成，熱膨脹系數(shù)小，力學(xué)強(qiáng)度高，熔點(diǎn)溫度為210 ℃，耐壓為25 MPa。可熔注氣閥芯為整體環(huán)狀結(jié)構(gòu)，厚度為10 mm，本體上沒有開孔，位于閥套和閥座的中間位置，外層緊貼閥座環(huán)形注氣孔處，內(nèi)層緊貼閥套注氣孔處。當(dāng)可熔閥芯融化后，閥座與閥套注氣孔打開并連通，形成注氣通道。

可熔墊環(huán)的材質(zhì)與可熔注氣閥芯一致，為一個(gè)外徑為80.0 mm，厚度為5.0 mm的圓盤狀結(jié)構(gòu)，本體外側(cè)均勻分布8個(gè)外徑為12.0 mm的注氣孔，中心位置為一個(gè)外徑為30.0 mm的坐封球孔，坐封球直徑為38.1 mm(圖7)。點(diǎn)火前預(yù)注氣階段，內(nèi)層管柱的氣體經(jīng)過可熔墊環(huán)上的8個(gè)注氣孔，通過管柱下部的注氣口對(duì)下層進(jìn)行注氣(圖1a)；上層點(diǎn)火階段，可熔墊環(huán)熔化，坐封球下落至管柱下部的球座并密封下部注氣口，內(nèi)層管柱的氣體通過上層滑套對(duì)上層注氣(圖1b)。

圖6 可熔式開關(guān)上滑套結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 可熔墊環(huán)及坐封球結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 可熔式開關(guān)下滑套

可熔式開關(guān)下滑套的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由上接頭、可熔閥芯、下接頭組成(圖8)。其原理與上滑套類似，下滑套隨Φ114.3 mm油管下入下部油層位置，下層點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火器保持在250 ℃加熱10 h，可熔閥芯溫度達(dá)到熔點(diǎn)后熔化，此時(shí)下層注汽通道打開。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

同心雙管分層注氣技術(shù)于2019年在曙光油田杜66塊實(shí)施2井次，措施有效率為100%。分層點(diǎn)火期間上下層開關(guān)滑套換向順利，油壓和套壓顯示層間封隔器等密封件密封性能良好。

典型井例分析。曙1-38-0481井在分層火驅(qū)開發(fā)前為生產(chǎn)井，生產(chǎn)井段為814.0～879.5 m，射開油層12層，油層有效厚度為65.5 m。轉(zhuǎn)分層火驅(qū)開發(fā)后，該井轉(zhuǎn)為注空氣井，分為2個(gè)注氣層段(上部2個(gè)油層物性較好，含油飽和度較高，劃分為火驅(qū)上層段，有效厚度為9.1 m，814.0～832.2 m；其他層為火驅(qū)下層段，839.3～879.5 m)，將火驅(qū)層間封隔器下至836.1 m，上層開關(guān)滑套下至819.7 m，下層開關(guān)滑套下至868.3 m，注氣球座下至889.3 m。第1階段為點(diǎn)火前預(yù)注空氣，分2層進(jìn)行，上層注氣強(qiáng)度為3 640 m3/(m·d)，為期3 d，下層注氣強(qiáng)度為8 480 m3/(m·d)，為期4 d；第2階段為上層點(diǎn)火注氣，注氣速度為3 640 m3/d，點(diǎn)火器功率為90 kW，點(diǎn)火時(shí)間為期9 d，出口空氣溫度最高可達(dá)到430 ℃；第3階段為下層點(diǎn)火注氣，注氣速度為3 640 m3/d，點(diǎn)火器功率為90 kW，點(diǎn)火時(shí)間為期11 d，出口空氣溫度最高可達(dá)到430 ℃。

經(jīng)測(cè)試，注氣初期套壓為0.0 MPa，持續(xù)一段時(shí)間后注氣壓力略有上升，為1.0 MPa左右，后續(xù)不再上升；內(nèi)管注入壓力為4.5 MPa，內(nèi)外管環(huán)空注入壓力為2.8 MPa，表明頂部封隔器和層間封隔器密封效果良好，2個(gè)層段起到了分層注入的效果。主要受效井為曙1-37-K47井，平均日增液為2.5 t/d，平均日增油為2.1 t/d。

4 結(jié) 論

(1) 同心雙管分層火驅(qū)注氣管柱采用同心雙管的方式進(jìn)行分層注氣，主要滿足雙層火驅(qū)要求。

(2) 層間封隔器采用高回彈耐高溫密封膠筒進(jìn)行密封，在高溫和常溫頻繁轉(zhuǎn)換的情況下可以達(dá)到密封要求，滿足分層火驅(qū)要求。

(3) 可熔式閥芯和可熔墊環(huán)利用聚甲醛、碳纖維和塑料助劑復(fù)合而成。該材料屬熱敏性塑料，熱膨脹系數(shù)小，力學(xué)強(qiáng)度高，具有優(yōu)異的抗沖擊性能和耐磨損性能。

(4) 同心雙管分層火驅(qū)注氣管柱主要是針對(duì)雙層火驅(qū)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，下一步研究方向?yàn)槎鄬踊痱?qū)注氣管柱的研制。