顧啟林 孫玉豹 馬增華 宋宏志 胡厚猛 林 濤

(1.中海油田服務股份有限公司 2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室)

0 引 言

我國渤海油田擁有豐富的稠油資源，熱力采油是目前開采稠油最有效的方法之一。渤海油田自2008年開始，先后在南堡35-2油田、旅大21-2油田、旅大5-2N等油田開展吞吐式熱采，截至2022年12月，已應用50余井次，取得了較好的增產效果，為海上稠油熱采增儲上產貢獻了力量[1-2]。但隨著吞吐輪次的增加，油藏壓力逐漸降低，氣/汽竄、水竄影響加劇，周期熱采有效期逐漸縮短，增油效果及經濟效益逐漸變差。因此，有必要在海上油田探索試驗吞吐轉蒸汽驅技術，轉變開發(fā)方式，進一步提高開發(fā)效果。對于蒸汽驅井而言，長期高溫高壓注汽工況對井筒高效隔熱、安全控制以及井筒完整性提出了巨大挑戰(zhàn)[3]。因此，有必要研究一種安全高效注汽管柱，降低井筒熱損失，提高注汽效果，為海上蒸汽驅先導試驗提供技術保障。

雖然國內外關于蒸汽驅技術的研究較多，但關于蒸汽驅注汽管柱的研究相對較少。張偉等[4]基于渤海油田多輪次蒸汽吞吐工藝需求，提出了使用氣凝膠隔熱油管及環(huán)空間歇注氮工藝，降低了注汽井筒熱損失，有效地節(jié)約了海上熱采井注汽成本，但僅是介紹井筒高效隔熱管柱。鄒劍等[5]提出了海上熱采井筒隔熱工藝管柱，配套隔熱型工具，具有良好的隔熱效果。郎寶山[6]將分層注汽機械管柱與復合吞吐技術有機結合，形成了稠油復合吞吐配套管柱技術，一次投放管柱即可完成油井復合吞吐和精細注汽。陳紅梅[7]研究了以隔熱管接箍密封器、壓力補償式隔熱型伸縮管、Y441強制解封蒸汽驅封隔器及多級長效汽驅密封器為核心的蒸汽驅注汽管柱，使稠油油藏蒸汽驅開采的配套工藝技術得到了進一步完善與提高，但該管柱耐壓僅為17 MPa，且不具備井下安全控制及均勻注汽功能。韓曉冬等[8]研制了氣凝膠隔熱管+隔熱接箍組合管柱，優(yōu)化設計了長效測試工藝，形成了一種海上熱采井高效注汽及監(jiān)測工藝，但管柱的可靠性和長效性有待驗證。鄒斌等[9]提出了勝利油區(qū)蒸汽驅工藝技術現(xiàn)狀及攻關方向，包括隔熱配套工藝、分層注汽工藝以及動態(tài)監(jiān)測工藝等方面，基本滿足了常規(guī)稠油油藏蒸汽驅現(xiàn)場需要。顧啟林等[10]研制了一種RX361-210型熱敏封隔器，劉花軍等[11]研制了隔熱補償器、隔熱型扶正器以及隔熱型接箍3種海上熱采隔熱型井下工具，為形成海上熱采井筒高效隔熱工藝管柱奠定了基礎。

雖然常見注汽管柱滿足了吞吐式熱采開發(fā)需求，但海上稠油油藏埋藏深，熱采井多為水平井、定向井，工況復雜，蒸汽驅期間套管及水泥環(huán)長期處于高溫狀態(tài)，難度大、挑戰(zhàn)高，對注汽管柱的安全可靠性要求高，無海上成熟的經驗可借鑒。為此，筆者經過多年的技術攻關，形成了一套適用于渤海油田的多功能一體的蒸汽驅安全長效注汽工藝及配套管柱工具，對確保海上蒸汽驅先導試驗安全高效平穩(wěn)運行具有重要而深遠的意義。

1 技術分析

1.1 工藝管柱結構

海上蒸汽驅安全長效注汽管柱自上而下依次為：隔熱油管、耐高溫井下安全閥、耐高溫環(huán)空封隔器、測試光纜、光纜扶正器、井下光纜轉換器、隔熱型補償器、溫敏封隔器、均衡配注閥以及光纜尾端固定器等，如圖1所示。采用井筒安全控制工藝，滿足海上熱采井高溫高壓注熱安全需求，實現(xiàn)應急情況下及時關斷井下流體通道。采用井筒高效隔熱工藝，減少井筒熱損失，一方面提高井底注汽干度、確保汽驅效果，另一方面保護套管及水泥環(huán)。采用水平段均勻注汽工藝，提高水平段的動用程度，確保蒸汽驅效果[12-13]。采用分布式光纖監(jiān)測工藝，動態(tài)監(jiān)測油套環(huán)空及水平段的溫度，為了解井下管柱工具狀況及工藝措施調整提供指導和依據(jù)。

圖1 海上蒸汽驅安全高效注汽工藝管柱結構示意圖Fig.1 Schematic structure of the safe and long-term steam injection string for offshore steam flooding

1.2 功能特點

1.2.1 高溫井下安全控制

采用液控式熱采井下安全控制系統(tǒng)，實現(xiàn)應急情況下遠程快速關閉井下油管及環(huán)空流體通道，防止井下高溫流體上返危及平臺人員和設備安全，為蒸汽驅長期運行提供井下安全屏障[14]。高溫井下安全控制系統(tǒng)由耐高溫井下安全閥、耐高溫環(huán)空封隔器以及耐高溫排氣閥組成。

1.2.2 全井筒隔熱

采用“氣凝膠隔熱油管(帶隔熱接箍)+隔熱型補償器+熱敏封隔器”的注汽管柱組合，隔熱油管與接箍一體成型，確保注汽管柱具有良好的隔熱性能流體通道，防止井下高溫流體上返危及平臺人員和設備安全，為蒸汽驅長期運行提供井下安全屏障[15]，同時熱敏封隔器能夠防止高溫流體上返，大幅度降低井筒沿程熱損失，提高注汽質量，保護套管和水泥環(huán)。

1.2.3 水平段均勻注汽

針對水平段儲層非均質性特點，通過優(yōu)化設計均衡配注閥的安裝位置、密度，形成水平段均勻注汽管柱，以達到調整吸汽剖面，改善注熱效果的目的。

1.2.4 井筒溫度監(jiān)測

采用耐高溫分布式光纖測試全井筒的溫度，測試光纜捆綁在隔熱油管外壁下入至頂部封隔器以上，測試油套環(huán)空的溫度；然后通過井下光纜轉換器進入普通油管內部，并通過光纜底部固定器將光纜端部固定在油管尾末端，測取水平段的溫度。注汽期間，通過實時監(jiān)測油套環(huán)空以及水平段管柱內的溫度，為注采參數(shù)調整和調剖封竄提供科學指導依據(jù)。

2 關鍵配套工具研制

2.1 高溫井下安全工具

2.1.1 耐高溫井下安全閥

耐高溫井下安全閥主要由液控機構、活塞機構、支撐機構、彈簧復位機構和開關機構等組成，如圖2所示。

1—液控機構；2—活塞機構；3—支撐機構；4—彈簧機構；5—開關機構。

其工藝原理為：通過地面液控柜向液控管線加壓，推動安全閥活塞移動，進而推動中心管并壓縮彈簧移動，直至推開閥板，此時安全閥打開[3，15]。當液控管線泄壓時，在圓柱彈簧的作用下，閥板關閉、中心管回位，此時安全閥關閉。耐高溫井下安全閥采用全金屬密封結構設計，彈簧和閥板等關鍵零部件采用718合金，在常溫及350 ℃高溫下均可保持優(yōu)良的開啟、關閉性能以及密封性能。

其主要技術參數(shù)為：最大外徑160.0 mm，內通徑71.5 mm，耐溫350 ℃，耐壓35 MPa，液控管線接口為6.35 mm(in)NPT，完全開啟壓力19 MPa。

2.1.2 耐高溫環(huán)空封隔器

耐高溫環(huán)空封隔器主要由坐封機構、鎖緊機構、密封機構、錨定機構和解封機構等組成，如圖3所示。

1—坐封機構；2—鎖緊機構；3—密封機構；4—錨定機構；5—解封機構。

其工藝原理為：通過地面液控柜向液控管線加壓，推動坐封活塞移動，壓縮密封膠筒膨脹貼緊套管內壁，卡瓦伸出咬住套管內壁，完成坐封并密封油套環(huán)空。同時封隔器配套高溫排氣閥及環(huán)空定壓開啟裝置，具備遠程環(huán)空安全控制功能的同時，可實現(xiàn)環(huán)空注氮氣/洗壓井作業(yè)。該工具采用液控管線控制坐封，坐封簡便，具備自補償功能，補償因溫度變化引起的注汽管柱伸縮。中心管隔熱，提升封隔器隔熱性能。具備注氮氣/洗壓井通道，在實現(xiàn)環(huán)空安全控制的同時不影響流體通道。采用“石墨+改性聚四氟乙烯”組合密封，在高低溫下均具有良好的密封性能。

其主要技術參數(shù)為：最大外徑216.0 mm，內通徑76.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，坐封壓力27.5～31.0 MPa，解封力180～220 kN。

2.1.3 耐高溫排氣閥

耐高溫排氣閥主要由關閉機構、柱塞密封機構和開啟機構組成(見圖4)。

1—關閉機構；2—柱塞密封機構；3—開啟機構。

耐高溫排氣閥與封隔器配套使用，通過地面液控柜向液控管線加壓，推動彈簧及活塞桿，活塞桿與閥座密封面分開，排氣閥通道打開；當液控管線泄壓時，在圓彈簧的作用下，活塞桿歸位，密封面與閥座實現(xiàn)密封，此時排氣閥關閉[16-17]。該排氣閥通過液控結構設計，開啟、關閉靈活可靠；采用全金屬密封結構設計，在常溫和350 ℃高溫下均可保持優(yōu)良的密封性能。

其主要技術參數(shù)為：最大外徑55.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，全開壓力20 MPa，坐封溫度≥240 ℃，下端連接螺紋40.64 mm(1.6 in)NU。

2.2 高效隔熱工藝配套管柱工具

2.2.1 氣凝膠隔熱油管

氣凝膠隔熱油管主要由內管、外管、隔熱接箍以及氣凝膠隔熱材料組成(見圖5)。

其工藝原理為：采用雙層管結構設計，中間填充氣凝膠隔熱材料，添加吸氣劑，并進行抽真空處理。

技術特點：接箍與本體均采用“內、外管+中間隔熱層”的結構設計，具有良好的隔熱性能；同時，采用氣凝膠作為隔熱材料，導熱系數(shù)只有傳統(tǒng)材料的，具有優(yōu)良的隔熱性能且隔熱性能穩(wěn)定長效，可延長隔熱管的隔熱壽命1倍。

2.2.2 溫敏封隔器

溫敏封隔器主要由連接機構、鎖緊機構、密封機構、坐封機構以及膨脹機構組成，上端安裝有單流閥(見圖6)。

其工藝原理為：封隔器液缸內的膨脹劑受熱后汽化膨脹，推動楔入體上行進入膠筒，使膠筒軸向壓縮、徑向擴張，逐步實現(xiàn)坐封、密封油套環(huán)空。同時封隔器上部安裝有單流閥，密封油套環(huán)空的同時，實現(xiàn)環(huán)空注氮氣或者洗壓井作業(yè)[10]。該封隔器采用熱力坐封結構設計，坐封簡便；無錨定機構，對套管無損害、解封安全、可靠；采用“多組內密封+改性聚四氟乙烯”密封結構設置有鎖緊機構，具有良好的密封性能；具有環(huán)空單流通道，可實現(xiàn)環(huán)空注氮氣/反循環(huán)洗壓井。

其主要技術參數(shù)為：最大外徑210.0 mm，內通徑76.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，坐封溫度≥240 ℃，解封力≤100 kN，配套單流閥48.26 mm(1.9 in)NU。

2.2.3 隔熱型補償器

隔熱型補償器主要由隔熱接箍、滑動機構、密封機構、連接機構、隔熱外管與傳遞扭矩機構組成(見圖7)。

1—隔熱接箍；2—滑動機構；3—密封機構；4—連接機構；5—隔熱外管；6—傳遞扭矩機構。

其工藝原理為：采用內管、外管雙層結構，通過內管的伸縮實現(xiàn)對注熱管柱伸長/縮短的補償，防止管柱因熱應力變形損壞。注熱時，溫度升高注熱管柱伸長，此時補償器的內管縮進隔熱外管中；停止注熱，溫度降低管柱縮短，補償器的內管從隔熱外管中伸出[18]。補償器主體及接頭采用“內管+隔熱層+外管”的隔熱結構設計，具有良好的隔熱性能；采用組合密封結構，確保高低溫下具有良好的滑動密封性能；采用嚙合結構設計，中心管上提后旋轉管柱可傳遞扭矩。

其主要技術參數(shù)為：最大外徑168.0 mm，內通徑76.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，伸縮距3 m(可根據(jù)需求調節(jié))，隔熱等級為D級。

2.3 光纖監(jiān)測配套工具

2.3.1 井下光纜穿越轉換器

井下光纜穿越轉換器主要由固定機構、密封機構、穿越機構以及連接機構組成(見圖8)。

1—上接頭；2—固定機構；3—密封機構；4—穿越機構；5—下接頭。

其工藝原理為：采用偏心結構設計，光纜通過光纜轉換器穿越通道后，實現(xiàn)注汽管柱內外的轉換。采用多組卡扣結構設計，扶正固定光纜；穿越通道采用多組石墨密封，具有良好的密封性能。

其主要技術參數(shù)為：最大外徑150.0 mm，內通徑76.0 mm，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa，穿越密封通道6.35 mm(in)。

2.3.2 光纜尾端固定器

光纜尾端固定器主要由解鎖機構、彈簧機構、限位機構、固定機構、錨定機構以及導向機構組成(見圖9)。

1—解鎖機構；2—彈簧機構；3—限位機構；4—固定機構；5—錨定機構；6—導向機構。

其工藝原理為：實現(xiàn)光纜在油管內的底部固定，防止光纜受到注汽沖擊發(fā)生跳動而影響測試數(shù)據(jù)。下入管柱過程中，在垂直井段時，光纜固定工具依靠自身重力滑入井底，并通過對接掛鉤與管柱末端固定；需要起出時，依靠重錘重力解鎖光纜尾端固定工具，從而取出光纜。該固定器采用彈簧結構設計實現(xiàn)固定與解鎖，作業(yè)便捷；錨裝置內置于圓堵內部，有效保護錨定機構不受沖擊破壞。

其主要技術參數(shù)為：最大外徑為88.9 mm，耐溫為350 ℃，解鎖力不超過5 kN，兩端連接螺紋為73.0 mm(2in)EU。

3 現(xiàn)場應用

X1井為渤海某油田一口熱采水平井，完鉆井深1 752 m，先期熱采階段采用多元熱流體吞吐技術開發(fā)，隨著吞吐輪次的增加，增油效果及經濟效益逐漸變差。為進一步提高該油田熱采采收率，2022年6月開展大井距水平井蒸汽驅先導試驗。為保障長期安全高效注汽，注汽井采用集“耐高溫井下安全控制+井筒高效隔熱+水平段均勻注熱+高溫光纖監(jiān)測”多功能于一體的安全高效注汽管柱，并利用Landmark 軟件進行管柱下入模擬分析。模擬分析結果見圖10。結果表明，注汽管柱并未產生正弦屈曲或螺旋屈曲，管柱可正常下入。

圖10 X1井注汽管柱可下入性模擬結果Fig.10 Simulation results of the runnability of the steam injection string in Well X1

該井最高注汽溫度348.5 ℃、過熱度20～25 ℃，最高注汽壓力12.2 MPa、最大注汽速度300 t/h。該井注汽630 d后，于2022年3月更換注汽管柱及工具，期間經歷了長期高溫、多次蒸汽鍋爐停注、冷熱交變工況考驗。耐高溫井下安全閥啟閉及液控系統(tǒng)密封良好，耐高溫環(huán)空封隔器關鍵密封部件和密封面未見明顯損傷，耐高溫排氣閥及液控系統(tǒng)密封良好，驗證了耐高溫井下安全控制工具的長效性，為蒸汽驅長期運行提供了安全保障。分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實時監(jiān)測、顯示井下溫度，為井筒管柱隔熱效果、安全評估提供了科學指導和依據(jù)。X1井分布式光纖測溫曲線如圖11所示。光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隔熱油管外壁平均溫度約142 ℃，遠低于油管內注汽溫度，說明采用“氣凝膠隔熱油管+隔熱型接箍+熱敏封隔器+環(huán)空充氮氣”的井筒高效隔熱工藝[19]，取得了較好的隔熱效果。通過開展連續(xù)管光纖測試了解了水平段吸汽剖面，測試結果表明雖然水平段吸汽情況存在差異，但整體來說均勻注汽工藝取得了較好的效果。

圖11 X1井分布式光纖測溫曲線Fig.11 Temperature measurement curves of distributed optical fiber in Well X1

截至2022年12月，該油田蒸汽驅累增油近6萬m3，現(xiàn)場階段實施情況表明，采用的集“井筒高效隔熱+安全控制+光纖監(jiān)測+水平段均勻注汽”多功能于一體的海上蒸汽驅安全高效注汽工藝取得了良好的效果，為首次海上蒸汽驅先導試驗安全、平穩(wěn)運行提供了有力支持與可靠保障。

4 結 論

(1)研發(fā)的海上蒸汽驅安全長效注汽工藝管柱，具備井筒高效隔熱、井下安全控制、光纖監(jiān)測以及水平段均勻注汽等多種功能，有效地滿足了海上蒸汽驅長期安全高效注汽需求。

(2)現(xiàn)場應用結果表明，高效注汽工藝管柱及配套的高溫井下安全閥、封隔器及補償器等工具經受了長期高溫高壓，多次蒸汽鍋爐停注以及冷熱交變工況考驗，性能穩(wěn)定可靠，具有良好的效果，為海上油田首次蒸汽驅先導試驗安全、平穩(wěn)運行，增產增效提供了有力支持與可靠保障。

(3)蒸汽驅是一項長期作業(yè)工程，注汽管柱及配套工具的壽命影響著換管柱周期、成本及效益，有必要進一步優(yōu)化隔熱油管結構及加工制造工藝，持續(xù)優(yōu)化提升其功能及配套工具可靠性，尤其是井筒高效隔熱及分段均勻注汽，保障長期汽驅效果。