水平井隔熱注采一體化管柱優化設計

宋明臣

（河南油田分公司采油二廠，河南唐河 473400）

水平井隔熱注采一體化管柱優化設計

宋明臣

（河南油田分公司采油二廠，河南唐河 473400）

針對水平井隔熱注采一體化管柱存在的熱力補償器拉伸和注汽時套壓控制難的問題，通過力學計算和分析，設計了一種新的水平井用熱力補償系統，采用地面拉伸和井下打壓拉伸相結合的方式，確保補償器在水平段完全拉伸，并研制配套了油套壓力自動平衡器，通過現場應用，驗證了系統的可行性，實現了熱采水平井隔熱注采一體化技術的規模應用。

水平井隔熱 熱力補償 壓力平衡

1 目前稠油熱采水平井隔熱注汽采油管柱存在的問題

1.1 熱力補償器拉伸問題

常見的稠油熱采直井隔熱管柱，熱力補償器安裝在管柱中部，依靠下部管柱自重，確保在注汽之前是補償器是拉伸狀態［1-2］，但是稠油熱采水平井受到水平井段長、油稠等因素影響，在下管柱過程中管柱與套管內壁接觸產生摩擦、油稠遇阻（井筒內原油粘度大）等因素，導致管柱受阻后將熱力補償器頂回至收縮狀態，造成注汽時后管柱擠壓彎曲。因此在稠油熱采水平井，只能采取下隔熱管柱注汽、下采油管柱轉抽兩次作業，不僅浪費了大量的作業成本和蒸汽熱能，而且作業轉抽時施工難度大，風險高，極易出現井涌、井噴事故。

1.2 注汽時套壓控制難度大

在注汽過程中，若關閉套管閘門注汽，環空液體受熱蒸發，套壓升高，導致管柱和套管因受壓力過高而被擠壞；若套管放壓過多，導致封隔器上下受力不均，蒸汽通過封隔器截面上頂管柱，造成熱力補償器失效，管柱彎曲，通過人工操作控制套壓存在難度大、安全性差的問題。

針對以上問題，設計一種新的水平井熱力補償系統，該系統能解決熱力補償器失效的問題，同時實現油套壓差自動調節，以保證合理的套壓，實現熱采水平井一趟管柱滿足隔熱注汽、采油兩項需要（簡稱為水平井隔熱注采一體化管柱），減少頻繁作業和熱能損失。

2 水平井隔熱注采一體化管柱優化設計

2.1 設計思路

研制適應熱采水平井的熱力補償器，采用地面拉伸和井下打壓拉伸相結合的方式，確保熱力補償器在水平段完全打開伸長；研制油套壓力自動平衡器，實現套壓始終小于或等于注汽壓力，解決套壓控制問題。

2.2 結構原理

水平井隔熱注采一體化管柱結構如圖1所示，由隔熱油管、熱力

……

……補償器、油套壓力平衡器、定壓閥等組成。在下完管柱后通過井口正打壓使其完全伸出，定壓閥銷釘剪斷前使管柱形成密閉空間，補償器完全伸出后繼續打壓剪斷銷釘，形成注采通道。注汽過程油管受熱伸長，熱力補償器起補償作用。當環空液體受熱蒸發膨脹，套壓大于注壓時壓力平衡器被打開，注套壓達到平衡。

注汽時，只需在地面上提抽油桿將抽油泵活塞提出工作筒，打開注汽通道實施注汽；注汽轉抽時下放抽油桿，調好防沖距即可實現采油，實現水平井隔熱注汽采油一體化。

2.3 熱力補償器

熱力補償器結構如圖2所示，由外套和活塞組成，采用石墨碳纖維盤根密封，耐高溫高壓、耐磨，活塞可以在外套內伸縮滑動，通過調整盤根數量和壓緊程度調節開啟壓力。注汽時管柱伸長活塞回縮起熱補償作用。熱力補償器主要技術參數如表1。

2.4 油套壓力平衡器

為簡化現場操作，保障現場人員安全，提高井下管柱安全性，設計了油套壓力平衡器，結構如圖3所示，工作原理如下：

主要由彈簧和小球組合而成的單流閥構成。當套壓＞油壓，單流閥被頂開，油套連通，套壓減小；當套壓≤油壓，彈簧和蒸汽作用在單流閥上，油套連通通道關閉。油套壓力平衡器主要技術參數如表2。

2.5 定壓閥

定壓閥結構如圖4所示，包括1上接頭、2外筒、3閥罩、4限位彈簧、5閥芯、6定壓銷釘、7閥座、8下接頭。工作原理如下：

當管柱下到設計位置后，通過油管打壓，液體通過閥罩3上面的孔進入，壓力作用在閥芯5上面，使閥芯5座在閥座7上面并密封，管柱內憋壓。

當管柱內升壓達到熱力補償器的開啟壓力后，熱力補償器開始伸出，繼續升壓（或保持壓力），熱力補償器完全打開伸長，同時剪斷定壓銷釘6，將閥罩3、限位彈簧4、閥芯5、定壓銷釘6、閥座7一起打掉，落入下面的導向絲堵中，形成注采通道。

當下井遇阻需要反洗井時，從油套環空打壓，壓力作用在閥芯5下端面，閥芯5受到向上的壓力后離開閥座7并上頂限位彈簧4，反洗通道打開實現反洗井。反洗井結束后，在限位彈簧4的彈力作用下將閥芯5復位座落在閥座7上，閥芯關閉。

3 現場應用

熱采水平井注采一體化管柱熱力補償系統于2012年10月在樓平2、樓平3井進行試驗， 并于2013年開始推廣應用，截止2014年12月已累計應用89口井，工藝成功率98%，實現了水平井注采一體化管柱的規模應用。

4 結語

水平井熱力補償系統的成功，有效地解決了熱采水平注采一體化管柱井存在的問題，減少了熱采水平井作業成本和蒸汽熱損失，降低了工人操作強度，實現了水平井注采一體化管柱的規模應用，改善了熱采油田經濟開發效益。

［1］王東，陳磊.井下工具高溫試驗井系統［J］.石油礦場機械，2009，38（7）：75-79.

［2］李志方，高誠輝，林有希.聚四氟乙烯的摩擦學性能［J］.塑料工業，2005，28（1）31-32.

［3］李洪.實用機床設計手冊［M］.遼寧：遼寧科學技術出版社，2005：78-79.

圖1 水平井隔熱注采管柱熱力補償系統

圖3 油套壓力平衡器

圖4 定壓閥結構圖

圖2 熱力補償器和石墨碳纖維盤根

表1 熱力補償器技術參數

表2 油套壓力平衡器技術參數

專利技術：國家實用新型專利 （ZL201320492307.9）

宋明臣（1982-），男，河南南陽人，采油工程師，主要從事石油開采與生產技術管理工作。