海上熱采井筒隔熱工藝管柱研制與應用

，，，，

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中海油服 油田生產事業部，天津 300459)

在熱采井中，由于井筒和周圍環境存在較大的溫度差，井筒中熱流體攜帶的熱量會向周圍散失。大量的熱量損失一方面會降低蒸汽干度，影響注汽效果；另一方面可能會使套管發生熱應力損壞，甚至影響到水泥環[1]。為了提高注汽效果，降低開采成本，保護套管和水泥環，需采取一定的技術和工藝對熱采井井筒進行隔熱處理。

渤海海域稠油儲量十分豐富，對渤海油田穩產增產具有十分重要的作用[2]。目前采用熱采開發的油田，例如南堡35-2油田、旅大27-2油田等，油藏埋深多在900m以上，埋藏深且多為水平井，主要采用隔熱油管+環空注氮氣的井筒隔熱工藝[3]，存在以下不足：①向環空中注入氮氣，一方面會增加作業成本，另一方面會增加氣竄的風險[4]，進而影響到熱采效果；②使用的隔熱油管接箍不具有隔熱功能，在接箍處的熱損失大[5-6]；③在井斜大的井段，注汽管柱存在“貼壁”現象，和套管內壁直接接觸，使熱損失增加。為了進一步提高海上熱采井注汽管柱的整體隔熱性能，降低熱損失，提高熱采效果，研制了海上熱采井筒隔熱工藝管柱，可提高海上稠油蒸汽吞吐、蒸汽驅開采的安全性及有效性。

1 工藝管柱結構及特點

1.1 設計思路

1) 注汽管柱的隔熱。采用高真空隔熱油管作為蒸汽的注入通道，減少熱損失；隔熱油管之間采用隔熱型接箍連接，降低接箍處的熱能損失，確保注汽管柱整體具有良好的隔熱性能[7-8]。

2) 油套環空的密封。在防砂段上部采用熱采封隔器將油套環空密封，封隔器上部油套環空充滿氮氣，防止高溫高壓流體竄入上部油套環空，保護套管和水泥環，延長油井的使用壽命。

3) 注汽管柱的熱補償。采用隔熱型伸縮管補償注汽管柱的伸長或縮短[9]，避免注汽管柱彎曲變形，并確保封隔器的密封位置和效果。

4) 注汽管柱的扶正。采用隔熱型扶正器扶正注汽管柱，有效減少注汽管柱與套管內壁的接觸面積，降低熱損失，保護套管和水泥環。

1.2 管柱結構

該工藝管柱主要由高真空隔熱油管、隔熱型油管接箍、熱敏封隔器、隔熱型伸縮管以及隔熱型扶正器等組成,如圖1所示。隔熱型工具能有效減少井筒熱損失，提高井底注汽干度，熱敏封隔器密封油套環空，減少氮氣的注入量。

圖1 海上熱采井筒隔熱工藝管柱結構示意

1.3 技術特點

1) 管柱適用于套管外徑為?244.5 mm的中深層大斜度熱采井。

2) 管柱選用外徑為?114.3 mm的高真空隔熱油管，隔熱等級為E級，隔熱油管之間通過隔熱型接箍連接[9]，井斜程度大的井段安裝隔熱型扶正器，提高管柱整體的隔熱性能，有效減少井筒沿程熱損失。

3) 采用熱敏封隔器密封油套環空，封隔器以上油套環空充滿氮氣，作業安全、簡便、經濟且密封可靠、持久。

4) 管柱采用隔熱型伸縮管,具有良好的滑動密封性能和隔熱性能。

5) 管柱耐溫350 ℃,耐壓21 MPa。

2 主要配套工具

2.1 熱敏封隔器

2.1.1結構及工作原理

該封隔器主要由中心管、鎖緊機構、密封機構、坐封機構與液體膨脹劑等組成，如圖2所示。其工作原理是將封隔器下到設計位置，注汽開始后，在高溫流體的加熱作用下，熱脹劑汽化膨脹，推動密封件擴張，密封油套環形空間，同時鎖環與中心管鎖緊，防止密封件回彈，封隔器實現坐封；注汽結束后，隨著井筒溫度的降低密封件收縮，上提管柱實現解封[3]。

1—中心管；2—鎖緊機構；3—密封機構；4—坐封機構；5—液體膨脹劑。

2.1.2技術特點

1) 利用熱脹劑受熱體積膨脹完成坐封，不需要地面坐封操作，坐封簡便。

2) 密封件采用特種耐高溫材料，兩端加有保護裝置，且具有鎖緊裝置，從而提高了封隔器的密封效果和使用壽命。

3) 無錨定機構，不會對套管造成損害，隨著井筒溫度的降低實現解封，解封安全。

2.1.3主要技術參數

最大外徑 ?210 mm

內通徑 ?76 mm

坐封溫度 200～260 ℃(耐溫350 ℃)

高溫耐壓 21 MPa

解封載荷 <50 kN

2.2 隔熱型伸縮管

2.2.1結構及工作原理

該伸縮管主要由隔熱接箍、內管、密封機構、連接機構、隔熱外管與傳遞轉矩機構等組成，如圖3所示。其工作原理是將伸縮管下到設計位置；注汽時，隨著溫度的升高注汽管柱伸長，此時伸縮管的內管就縮進隔熱外管內；停止注汽，溫度降低注汽管柱縮短，伸縮管的內管從隔熱外管中伸出[6]。另外，上提中心管時，承重接頭的凸凹槽與密封盒的凹凸槽嚙合，此時伸縮管能夠整體旋轉，可實現傳遞轉矩。

1—隔熱接箍；2—內管；3—密封機構；4—連接機構；5—隔熱外管；6—傳遞轉矩機構。

2.2.2技術特點

1) 采用復合密封材料，具有良好的滑動密封和耐溫耐壓性能。

2) 本體及接頭均采用復合式隔熱結構設計，具有良好的隔熱性能。

3) 補償效果明顯，且具有傳遞轉矩功能，可滿足旋轉管柱作業的需求。

2.2.3主要技術參數

最大外徑 ?168 mm

內通徑 ?76 mm

補償距 1 700 mm

耐溫 350 ℃

高溫耐壓 21 MPa

隔熱等級 D級

2.3 隔熱型油管扶正器

2.3.1結構及工作原理

該扶正器主要隔熱接箍、隔熱主體、彈性扶正機構與固定機構等組成，如圖4所示。其工作原理是采用多組沿周向分布的扶正塊，確保注汽管柱的居中效果[6]，減少接觸面積；利用多組彈簧實現扶正塊的回收和彈出，下入管柱期間遇阻時扶正塊能回縮，確保管柱的正常下入。

1―隔熱接箍；2―隔熱主體；3―彈性扶正機構；4―固定機構。

2.3.2技術特點

1) 采用多組扶正塊均勻排列方式，使扶正器在周向上受力均勻，確保管柱的居中效果。

2) 扶正塊內放置多組圓柱彈簧，彈性扶正結構確保扶正塊的扶正力。

3) 本體及接頭均采用復合式隔熱結構設計，具有良好的隔熱性能。

2.3.3主要技術參數

最大外徑 ?190 mm

內通徑 ?76 mm

耐溫 350 ℃

高溫耐壓 21 MPa

隔熱等級 D級

2.4 隔熱型油管接箍

2.4.1結構及工作原理

該接箍由外管、接箍體與隔熱層組成,如圖5所示。接箍連接在隔熱油管之間，在接箍處形成密封隔熱夾層，從而降低隔熱管接箍處的熱損失[10]。

圖5 隔熱型油管接箍

2.4.2技術特點

采用復合式隔熱結構設計，并抽真空、添加吸氣劑，具有良好的隔熱性能。

2.4.3主要技術參數

最大外徑 ?136 mm

耐溫 350 ℃

高溫耐壓 21 MPa

隔熱等級 D級。

3 現場應用

2017-04，該井筒隔熱工藝管柱在渤海某油田X1井進行了現場應用。該井為水平井，井深1 578 m，采用多元熱流體吞吐開采。注入參數為溫度262 ℃，壓力13.5 MPa，排量3.8 t/h，注入量3 000 t；井口參數為油壓6.5 MPa，套壓6.6 MPa。采用隔熱型工具，進一步提高了井筒隔熱性能及注熱質量，熱敏封隔器密封油套環空，減少了氮氣的注入量，有效減緩了氣竄情況。

4 結論

1) 綜合考慮注汽管柱的隔熱、熱補償、扶正以及油套環空的密封，研制了海上熱采井筒隔熱工藝管柱及關鍵配套工具，耐溫耐壓性能好，安全可靠。

2) 與傳統的隔熱工藝管柱相比，該工藝管柱能夠減少氮氣的注入量，從而節約作業成本、減緩氣竄的程度；降低隔熱油管接箍處的熱損失，減少管柱的貼壁現象，進一步減少熱損失，提高熱采開發的效果和安全性。

3) 隨著海上稠油熱采區塊進入吞吐開采后期，將轉入蒸汽驅開采階段，井筒隔熱工藝將成為影響注汽井使用壽命、蒸汽驅效果的一個關鍵因素。該工藝管柱可為蒸汽驅提供很好的技術保障。