陸戰(zhàn)隊攻破海上開采難關(guān)

○ 文／楊建英 常換芳 趙 亮

陸戰(zhàn)隊攻破海上開采難關(guān)

○ 文／楊建英 常換芳 趙 亮

河南油田工程院科研人員歷經(jīng)一年多艱難攻關(guān)，填補了國內(nèi)外技術(shù)空白。

今年6月中旬，中海油服再次給河南油田工程院打來電話，提出繼續(xù)合作的意向。

一個服務(wù)海洋石油的上市公司為什么會青睞一家陸上油田科研單位呢？這緣自他們之間的第一次友好合作。

今年3月19日，河南油田工程院歷經(jīng)一年多艱難攻關(guān)，獨立自主研發(fā)的《海上熱采防污染管柱配套工具的研制及工具高溫工況試驗》項目，順利通過中海油服的驗收。這套工具在實際應(yīng)用中效果良好，不僅填補了國內(nèi)外技術(shù)空白，而且為該院的舞臺從陸地拓展到海洋，進一步開拓外部市場打開了新天地。

勇接“燙手芋”

2013年5月，河南油田采油工程技術(shù)專家馬宏偉接到中海油服科研人員的求助電話。對方說，他們在9.625英寸套管井防污染熱采技術(shù)上遇到了瓶頸。

海上石油開采對環(huán)保要求非常高，稠油熱采防污更是世界級難題。中海油服需要一種能夠控制開關(guān)的防污染管柱來實現(xiàn)不壓井作業(yè)。但是，目前國內(nèi)現(xiàn)有的井下工具密封件，要么耐高溫高壓，要么耐中低溫高壓，缺少高低溫下均耐高壓的封隔器。這一技術(shù)國際上也在探索階段，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可供借鑒。中海油服在向多家油田求助遭婉拒后，最后找到了河南油田工程院。

“我院具有成熟的陸地稠田熱采技術(shù)和40年的熱采經(jīng)驗，以前在密封件方面有一些積累，有實力完成這個項目。”首次涉足海上石油開采領(lǐng)域的工程院院長魏淋生勇敢接了這個“燙手芋”，“與中海油服合作一旦成功，將使工程院的舞臺從陸地拓展到海洋，實現(xiàn)海上業(yè)務(wù)零的突破。”

2013年6月，工程院與中海油服正式簽訂《海上熱采防污染管柱配套工具的研制及工具高溫工況試驗》合同。

造門先制鎖

合同簽訂后，以馬宏偉為總負責(zé)的工程院項目組成員，通過查閱大量資料、實地調(diào)研，提出了一種適合海上熱采井工況條件的防污染工藝方案，獲得通過。由于沒有成功的經(jīng)驗可以借鑒，所有的工具都需要自主研發(fā)。

這個項目的關(guān)鍵是選到合適的封隔器。而封隔器的密封件是其核心部件。“如果把封隔器比作一扇自動開關(guān)門的話，密封件就是門上的鎖。鎖如果做不好，門就無法設(shè)計。”馬宏偉說。

“要造門，先制鎖。”這是項目組的設(shè)計思路。他們買來兩個國外的封隔器進行試驗，結(jié)果失敗了。在制鎖材料的選擇上，他們先選擇國內(nèi)常用的碳纖維復(fù)合膠筒試驗，后來發(fā)現(xiàn)不能滿足海上熱采350℃時耐壓20兆帕的要求。隨后便采用改性聚四氟乙烯試驗，但是封隔器漏失只好再次放棄。

通過反復(fù)篩選，他們發(fā)現(xiàn)柔性石墨抗腐蝕、耐高溫、耐熱沖擊，在低溫下也能正常使用。石墨膠筒沒有成品，他們就把購買的石墨環(huán)壓碎，自制磨具動手壓制。可是，壓制好的石墨膠筒封隔器在高溫和低溫環(huán)境下雖然密封良好，卻十分嬌貴，在組裝和搬運時稍有磕碰就會破損，影響膠筒的密封性能。

“這么脆弱的密封件怎么適應(yīng)海上熱采的作業(yè)環(huán)境呢？”馬宏偉不禁發(fā)愁。

當(dāng)時，合同約定的一年半項目研發(fā)時間已經(jīng)快過去一半了，大家心急如焚，情緒一落千丈。

“既然接了這個項目，就必須拿下，否則人就丟大了。我們能否換個思路解決問題呢？”院長魏淋生給大家鼓勁。

在魏淋生的鼓勵下，項目組又重整旗鼓，向膠筒的密封問題發(fā)起進攻。一天，馬宏偉忽然靈感乍現(xiàn)：“能不能以石墨為主體，再為它制造一個抗高溫高壓的薄薄的保護套？就像餅干也是一碰就碎，可是一層薄薄的包裝紙就讓它安全了。”

經(jīng)過反復(fù)試驗和摸索，馬宏偉創(chuàng)造性地研制出了以柔性石墨為主體、改性聚四氟乙烯膠套為保護套的組合密封件。他們經(jīng)過50多次高低溫交替試驗、改進、優(yōu)化，最終達到了密封要求。這項成果，也填補了國內(nèi)超高溫密封材料的空白。

茶壺啟靈感

“鎖”制好后，“門”的難題又出現(xiàn)了。

海上熱采井的套管內(nèi)徑是220.5毫米，大直徑防污染熱采懸掛密封器是實現(xiàn)熱采防污染工藝的重要工具。這么大直徑的封隔器國內(nèi)聞所未聞也無處借鑒，又得自己研制工具。海上稠油開采成本高，打一口井動輒數(shù)億元，設(shè)計出來的封隔器必須能夠下得去、封得住、起得出。

封隔器的設(shè)計是一個系統(tǒng)的工程。它主要由座封機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)、密封部件、懸掛部件、脫手機構(gòu)等組成，要求機構(gòu)之間配合可靠，零件之間活動靈活。設(shè)計初期，馬宏偉采用常規(guī)的單密封方式、雙級活塞坐封機構(gòu)。在實驗過程中，封隔器發(fā)生漏失，耐壓性能達不到要求。他們反復(fù)討論，最后確定采取雙密封機構(gòu)，通過下密封助推卡瓦錨定機構(gòu)，密封性能大大提高。他們還設(shè)計出6種不同尺寸的卡瓦結(jié)構(gòu)，反復(fù)試驗20多套次，摸索出了最佳尺寸，錨定和密封性能終于達到了合同要求的指標(biāo)。

海上熱采管柱要實現(xiàn)防污染功能，需要單流機構(gòu)，在注汽和采油時連通地層，燜井時自動關(guān)閉，以此達到不壓井的目的。但是，在熱采井高溫狀況下，單流閥的設(shè)計難度非常大：既要耐高溫高壓，又要滿足閥體在開啟和關(guān)閉的動作轉(zhuǎn)換時的密封。密封機構(gòu)的設(shè)計相當(dāng)困難，大家絞盡了腦汁也沒解決方案。

一天，馬宏偉在家吃飯，看到餐桌的茶壺眼前一亮：“如果單流開啟裝置也像茶壺開啟一樣，不就好了嗎？”他顧不上吃飯，抱著茶壺就跑向辦公室。結(jié)果，這個設(shè)想大為成功，難題逐個被攻破。

實現(xiàn)零突破

受油田科研基地試驗井井深的限制，項目組來到長葛試驗工房對管柱進行中間井試驗，論證方案的可行性。李輝、司光禮、陳升宏、楊柏陽四位科研人員長期堅守在那里，有時候一個月也回不了一次家。210毫米外徑、2米多長、重達180千克的海上熱采工具，一次又一次地試驗，來來回回地起下，一天下來，讓人精疲力盡。

●項目組每解決一個難題，都要經(jīng)過反復(fù)實驗。 攝影/趙 亮

經(jīng)過連續(xù)三個月的中間井試驗和反復(fù)改進，熱采防污染工藝管柱全部達到技術(shù)指標(biāo)要求。像熱采懸掛密封器采用卡瓦錨定和靜液壓楔入式輔助鉚釘結(jié)構(gòu)，采取雙重密封方式，懸掛可靠，密封可靠，同時解封可靠。

2015年 3月19日，《海上熱采防污染管柱配套工具的研制及工具高溫工況試驗》項目以詳實的報告、充足的數(shù)據(jù)、充分的論證，獲得了中海油服的高度評價，海上熱采防污染工藝技術(shù)填補了國內(nèi)外技術(shù)空白。該院的“一種多輪次高低溫膠筒及制備方法”“一種熱采井懸掛密封器及專用撈矛”也申請了國家發(fā)明專利，“井筒防噴開關(guān)器及采油泵組”申請了國家實用新型專利。

責(zé)任編輯：趙 雪

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