海上熱采井耐高溫井下安全控制技術(shù)研究

鄒 劍，韓曉冬，王秋霞，張 華，劉志龍

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459； 2.中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引 言

熱力采油技術(shù)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的稠油開發(fā)技術(shù)[1-10]。渤海油田稠油儲(chǔ)量巨大，為探索稠油油藏高效開發(fā)技術(shù)，渤海油田自2008年開始進(jìn)行熱采先導(dǎo)試驗(yàn)，取得了較好的開發(fā)效果[11-19]。由于現(xiàn)有安全閥、封隔器等關(guān)鍵安全控制工具的耐溫和耐壓性能無法滿足注蒸汽過程中的工況條件，海上油田熱采井在注熱期間無法下入井下安全控制系統(tǒng)[20-23]。為進(jìn)一步降低海上熱采井的作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，急需研制耐高溫井下安全控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)注熱、放噴和生產(chǎn)整個(gè)蒸汽吞吐周期內(nèi)的井下安全控制，為后續(xù)稠油熱采油田的規(guī)?；_發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和安全保障。

1 高溫井下安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱采井耐高溫井下安全控制系統(tǒng)與常溫條件下安全控制系統(tǒng)在組成上基本相同，主要工具包括耐高溫封隔器、耐高溫井下安全閥和耐高溫排氣閥(圖1)。井下安全控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)油管和油套環(huán)空通道的開啟和應(yīng)急關(guān)閉。

圖1 耐高溫井下安全控制系統(tǒng)示意圖

正常注汽和生產(chǎn)情況下，通過地面提供動(dòng)力可以打開安全閥和排氣閥，并使其保持開啟狀態(tài)，保證油管和油套環(huán)空的暢通；當(dāng)出現(xiàn)緊急情況需關(guān)井時(shí)，通過地面控制系統(tǒng)切斷動(dòng)力源，關(guān)閉安全閥和排氣閥，可同時(shí)關(guān)閉油管和油套環(huán)空通道，防止井下流體上返至地面，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生或者污染的出現(xiàn)[24-26]。

耐高溫井下安全控制技術(shù)的核心在于提升關(guān)鍵工具和安全系統(tǒng)整體的耐溫、耐壓性能，使其可以達(dá)到海上稠油熱采井要求的耐溫350 ℃、耐壓21 MPa的技術(shù)指標(biāo)。為此，通過工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、耐高溫材質(zhì)優(yōu)選，以及大量的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和改進(jìn)，研制了相應(yīng)的耐高溫封隔器、耐高溫井下安全閥和耐高溫排氣閥等關(guān)鍵工具。

2 高溫井下安全控制系統(tǒng)關(guān)鍵工藝技術(shù)

2.1 耐高溫封隔器

耐高溫封隔器主要功能是作為管柱的一部分與油管連接后下入井下，在高溫條件下密封油管和套管間的環(huán)形空間，防止注熱期間井下高溫?zé)崃黧w通過環(huán)空上返。耐高溫封隔器主要由中心管、中心管密封機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、耐高溫膠筒、卡瓦及卡瓦鎖緊機(jī)構(gòu)和解封機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成(圖2)。

圖2 耐高溫封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1) 中心管隔熱。封隔器膠筒材質(zhì)為全氟橡膠，耐溫為250 ℃左右，為降低膠筒的實(shí)際工況溫度，保證其在高溫條件下的密封效果，借鑒隔熱油管隔熱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將中心管設(shè)計(jì)成雙層隔熱結(jié)構(gòu)，中間填充隔熱材料并抽真空，使隔熱管的隔熱等級(jí)達(dá)到D級(jí)以上。實(shí)驗(yàn)證明，中心管內(nèi)蒸汽溫度在350 ℃左右的工況下，中心管外膠筒處的實(shí)際溫度低于250 ℃，可使膠筒始終在合理的工況溫度下工作，保證了膠筒密封的可靠性。

(2) 自補(bǔ)償功能。油管在注熱期間會(huì)受熱伸長(zhǎng)，但封隔器坐封后其位置是固定的，為保障封隔器以上管柱可以自由伸長(zhǎng)，該封隔器具有自補(bǔ)償功能。中心管和封隔器本體之間設(shè)計(jì)為動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，并優(yōu)選了動(dòng)密封處的密封材質(zhì)，優(yōu)選的密封材質(zhì)為耐高溫橡膠材料HT-400，可滿足動(dòng)密封的要求。隨著中心管的受熱伸長(zhǎng)，中心管可在封隔器本體內(nèi)上下移動(dòng)，避免由于管柱受熱伸長(zhǎng)導(dǎo)致應(yīng)力破壞，并可保證密封效果。

(3) 排氣閥連接及測(cè)試穿越孔。預(yù)留有排氣閥連接接口，并考慮今后進(jìn)行高溫測(cè)試的技術(shù)需求，預(yù)留2個(gè)Φ6.35 mm液控管線接口。

2.1.2 技術(shù)參數(shù)

工作溫度為350 ℃；工作壓力為21 MPa；最大外徑為215 mm；內(nèi)部通徑為76 mm；補(bǔ)償距離為800 mm；坐封壓力為18～20 MPa；適用Φ244.5 mm套管。

2.2 耐高溫井下安全閥

耐高溫井下安全閥主要由上接頭、下接頭、全金屬液控組件、耐高溫彈簧、中心管、閥板及閥座構(gòu)成(圖3)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，井口控制盤通過液控管線與井下安全閥連接，地面打壓后，液控組件向下移動(dòng)，推動(dòng)中心管向下運(yùn)動(dòng)，頂開閥板，實(shí)現(xiàn)安全閥開啟和油管通道的打開；地面泄壓后，中心管在彈簧的作用下向上運(yùn)動(dòng)回到初始位置，閥板關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)油管通道的關(guān)閉。

圖3 耐高溫井下安全閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1) 全金屬耐高溫動(dòng)密封。不同于常規(guī)安全閥的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該安全閥通過全金屬液控組件來實(shí)現(xiàn)高溫條件下的動(dòng)密封設(shè)計(jì)，主體材質(zhì)為35 CrMo，關(guān)鍵部件材質(zhì)為750合金。其內(nèi)部為波紋管結(jié)構(gòu)，當(dāng)其內(nèi)部壓力增大時(shí)，波紋管伸長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)從壓力變化轉(zhuǎn)換為位移變化的目的。

(2) 單(雙)液控管線?？紤]高溫高壓條件下結(jié)構(gòu)和工具的不穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)雙液控管線結(jié)構(gòu)，在必要的時(shí)候可以采用雙液控管線，在實(shí)際應(yīng)用過程中可在一側(cè)出現(xiàn)滲漏情況下實(shí)現(xiàn)安全閥的正常開啟，提高安全閥的工作穩(wěn)定性。

(3) 耐高溫合金彈簧。通過高溫和高低溫交變條件下多輪次實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和篩選，優(yōu)選了耐高溫750合金材質(zhì)，保證多周期高低溫條件下的有效回彈。

2.2.2 技術(shù)參數(shù)

耐溫為350 ℃；耐壓為21 MPa；外徑為174.7 mm；內(nèi)徑為71.5 mm；開啟壓力為12.0 MPa；關(guān)閉壓力為4.5 MPa。

2.3 耐高溫排氣閥

耐高溫排氣閥主要由全金屬液控組件、耐高溫彈簧、閥球及閥座等組成(圖4)。通過與封隔器連接后下入井筒內(nèi)，工作原理與安全閥類似。上部連接液控管線，通過液控管線加壓推動(dòng)排氣閥活塞移動(dòng)，井下排氣閥的排氣通道打開，封隔器上下環(huán)空連通；當(dāng)?shù)孛婵刂埔嚎毓芫€泄壓后，井下排氣閥流通通道關(guān)閉，封隔器上下環(huán)空通道關(guān)閉。

圖4 耐高溫排氣閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

耐高溫排氣閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與安全閥類似，采用全金屬耐高溫動(dòng)密封設(shè)計(jì)，優(yōu)選耐高溫合金彈簧，且采用了全金屬閥球閥座設(shè)計(jì)。

2.3.2 技術(shù)參數(shù)

耐溫為350 ℃；耐壓為21 MPa；外徑為53.0 mm；開啟壓力為12.0 MPa。

3 礦場(chǎng)應(yīng)用

在室內(nèi)高溫實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證該安全控制系統(tǒng)的礦場(chǎng)應(yīng)用效果，在渤海某熱采油田A1井第3周期蒸汽吞吐注熱過程中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)高溫試驗(yàn)。該試驗(yàn)井斜深為2 400 m，垂深為1 272 m，水平段長(zhǎng)度為300 m，油層有效厚度為8 m，地下原油黏度約為2 336 mPa·s。該井設(shè)計(jì)注汽參數(shù)為：蒸汽吞吐注入量為5 000 t，井底溫度為340 ℃，井底干度為40%，注入速度為250 m3/d，燜井時(shí)間為5 d。在注汽中期，對(duì)封隔器的密封性能以及安全閥的開關(guān)和密封性能進(jìn)行了試驗(yàn)。

3.1 封隔器密封性試驗(yàn)

對(duì)高溫井下封隔器進(jìn)行膠筒密封試驗(yàn)過程中，首先將排氣閥關(guān)閉，封隔器膠筒上油套環(huán)空壓力降為0.0 MPa，膠筒上下建立一定壓差。試驗(yàn)過程中觀察套管壓力表壓力變化(表1)，每隔30 min檢測(cè)一次套壓參數(shù)變化，整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)3.0 h左右，結(jié)果顯示，套壓無變化，證明封隔器膠筒密封良好。

表1 封隔器密封效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 安全閥密封性及開關(guān)性能試驗(yàn)

安全閥試驗(yàn)過程中，將安全閥控制管線泄壓，關(guān)閉閥板，切斷油管內(nèi)通道；將油管壓力泄壓至5.0 MPa左右，穩(wěn)壓2.0 h，每0.5 h監(jiān)測(cè)一次油壓，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)油壓無變化(表2)，證明安全閥閥板密封性能良好。安全閥開關(guān)性能試驗(yàn)過程中，通過控制管線加壓，三次重復(fù)開關(guān)安全閥，安全閥均正常開啟，證明高溫井下安全閥開啟關(guān)閉正常。

表2 安全閥密封效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論及建議

(1) 通過材質(zhì)優(yōu)選、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及高溫實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)等多種手段，研制了耐高溫井下安全閥、耐高溫封隔器、耐高溫排氣閥等關(guān)鍵工具，耐高溫井下安全控制系統(tǒng)整體耐溫為350 ℃、耐壓為21 MPa。

(2) 耐高溫井下安全控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海上稠油蒸汽吞吐開發(fā)注熱、放噴和生產(chǎn)整個(gè)周期內(nèi)的安全控制，提高熱采生產(chǎn)安全。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和礦場(chǎng)試驗(yàn)，該系統(tǒng)可基本滿足海上稠油熱采井高溫井下安全控制的技術(shù)要求，為海上稠油熱采的規(guī)?；_發(fā)提供技術(shù)支撐和安全保障。

(3) 目前海上熱采井耐高溫井下安全控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井次及經(jīng)驗(yàn)較少，需要進(jìn)一步擴(kuò)大礦場(chǎng)試驗(yàn)井次及規(guī)模，全面評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并針對(duì)可能存在的問題進(jìn)行進(jìn)一步研究。