國內(nèi)熱采井高溫膠筒發(fā)展現(xiàn)狀

馬認琦，劉 鵬，王世強，鞠少棟

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

稠油資源豐富，約占世界剩余油資源的70%，如何利用有效技術開采稠油，已成為石油企業(yè)面臨的首要任務[1]。根據(jù)稠油的材質(zhì)特點來看，稠油對溫度十分敏感，溫度越高，稠油的黏度便會越低。熱力采油是稠油開采的主要方法，其中熱流體注入是最常用的增長措施[2-3]。陸地油田使用較多的是蒸汽吞吐，海上油田則是混合流體驅(qū)(成份主要為水蒸汽、CO2和N2)和蒸汽吞吐2種[4]。無論是哪種注熱形式，都對井下工具的耐溫、耐壓等級要求較高，混合流體驅(qū)，井下工具的耐溫等級不低于280 ℃，蒸汽吞吐，耐溫需達到350 ℃；井下工具剛體部分的強度在高溫下降低率一般不超過20%，可以通過增加鋼件厚度和提高鋼級的方法進行改進。密封件，特別是封隔器的膠筒，面臨較大挑戰(zhàn)[5-6]。

1 聚四氟改良復合膠筒

勝利油田、遼河油田和海上油田的稠熱井較多，由于蒸汽吞吐過程溫度高，驅(qū)替效果更好，因此開采方式以蒸汽吞吐為主。稠油井的完井方式主要以礫石充填水平井為主[7]，勝利油田稠油區(qū)塊的熱采水平井占到水平井總數(shù)的40%左右[8]。對于井下的完井管柱，封隔器主要有高溫懸掛封隔器和層間的分層封隔器，對于注汽管柱，注汽管柱下方連接有熱敏高溫封隔器和在完井管柱內(nèi)分層的注汽封隔器。

高溫懸掛封隔器膠筒和分層封隔器高溫膠筒的材質(zhì)使用較多的是聚四氟改良的復合材料，膠筒硬度遠高于普通的橡膠膠筒。該類膠筒在高溫下保持較高的強度，從而可以在高溫環(huán)境下使用。相對于勝利油田，遼河油田的注汽溫度較低，注汽時井口溫度一般不超過320 ℃，勝利油田注汽時井口溫度較高，最高可達到350 ℃。通過調(diào)節(jié)高溫膠筒添加劑的含量，可以使膠筒在320～350 ℃溫度下使用。

該類膠筒的優(yōu)點：①未注蒸汽前，即溫度較低時可以在較低坐封力下實現(xiàn)坐封，且密封的壓力較高，滿足礫石充填工藝要求；②注入蒸汽后，膠筒硬度降低，在高溫下會在坐封的基礎上進一步膨脹，可在350 ℃高溫下密封21 MPa以上的壓力，滿足第1輪次中分層均勻注汽的需要。

該類膠筒只能在第1輪次中實現(xiàn)密封，一旦溫度降低，則密封能力劇降。通過對常用的聚四氟改良復合膠筒進行高低溫試驗，發(fā)現(xiàn)當溫度降到常溫下后僅能密封3 MPa以內(nèi)的壓力，無法實現(xiàn)較好的密封。

該類膠筒雖然在溫度降低后密封能力降低，并不影響其使用，因為在第1輪次的蒸汽吞吐過程中，一些細砂礫石會被沖到膠筒下面，形成砂橋，即使第1輪次結束后，懸掛封隔器的膠筒無法進行高壓密封，在膠筒下方砂橋的阻擋下，地層砂及充填的砂礫也很難沖到膠筒上方，也就是說低壓密封僅起到擋砂的作用。目前，該類膠筒在勝利油田已應用幾百口井，因懸掛封隔器膠筒失效而出砂的事故井極少；同時該類膠筒的成本較低，一套膠筒的成本僅為2 000～3 000元，因此在各油田得到了大規(guī)模應用。

對于聚四氟改良材質(zhì)的高溫膠筒，膠筒的坐封方式有2種，一種是壓縮式，坐封方式與普通的橡膠膠筒一樣，將膠筒壓縮后，實現(xiàn)封隔，如圖1；另一種是楔入式，坐封方式相對于壓縮式，對膠筒壓縮的更加充分，且不用考慮膠筒被壓縮后在軸向發(fā)生回復。該坐封方式對鎖定機構要求較低，如圖2。

圖1 壓縮式膠筒

圖2 楔入式膠筒結構

除了完井管柱上的懸掛封隔器和分層封隔器，為了均勻注汽，注汽管柱上連有2種封隔器，一種是坐封在套管內(nèi)的熱敏封隔器，該封隔器是防止注入的蒸汽返到套管內(nèi)[9]；另一種是坐封在篩管內(nèi)的管內(nèi)封隔器，實現(xiàn)完井管柱內(nèi)的均勻注汽。熱敏封隔器膠筒由內(nèi)外兩部分組成，內(nèi)部是數(shù)組熱敏金屬材料，外部是聚四氟改良復合膠筒。每組熱敏金屬材料是由上下兩層金屬構成的，當注入蒸汽溫度升高時，由于兩層金屬的熱膨脹系數(shù)不同而迫使本身發(fā)生撓曲變形而產(chǎn)生變形力，當溫度達到200 ℃時，熱敏金屬件即可擴張撐開膠筒使其與套管內(nèi)壁接觸，實現(xiàn)初步坐封，當溫度到達280 ℃左右時，膨脹到最大，實現(xiàn)套管內(nèi)的密封[10-11]。篩管內(nèi)的管內(nèi)封隔器膠筒屬于皮碗單向密封件，材質(zhì)也是聚四氟改良復合材料，注汽壓力越大，皮碗外徑被撐的越大，密封效果越好，而該類膠筒可密封的壓差僅為5 MPa左右，適合均勻注汽。

2 石墨硅基復合膠筒

為了讓膠筒在第2輪次及以后的輪次中能夠密封，實現(xiàn)可靠的分層，勝利油田與北京某科技公司合作開發(fā)了一種新型耐高溫復合材料。該復合材料主要由膨化預氧絲、核基石墨和聚氮環(huán)硅烷基組成，采用幾微米到20 μm的硅基纖維為基材，通過在其分子矩陣內(nèi)加入納米級的交聯(lián)劑鏈接矩陣，并融入核用石墨，增強其耐腐蝕性與潤滑性，形成一種新型的能夠耐高溫高壓的高強度高彈性復合材料，如圖3。該新型復合材料的抗拉強度不低于20 MPa，壓縮率不低于50%，回彈率不低于50%。該材質(zhì)制成的膠筒雖然也需要在高溫下能保持較高強度，但是該膠筒材質(zhì)的硬度與普通橡膠膠筒相近，手可以壓縮，如圖4。該膠筒可以在高溫下仍有較好的彈性，即使溫度從350 ℃高溫降至常溫，膠筒對套管的回彈力也較好，仍能密封20 MPa的壓力。將該膠筒用高溫噴槍進行烘烤，烘烤處的表面出現(xiàn)一層白色灰狀物質(zhì)，用手一擦，即可擦掉，與烘烤前一樣，如圖5。

圖3 新型耐高溫復合材料膠筒

該膠筒優(yōu)點：①膠筒材質(zhì)較軟，硬度與普通橡膠膠筒相當，可以在較低的坐封力作用下實現(xiàn)充分坐封，且可以在常溫下密封不低于20 MPa的壓力，不影響后續(xù)的礫石充填工藝的實施；②注蒸汽過程，第1輪次完成后，在后續(xù)的幾個輪次過程中，即使溫度下降，該膠筒仍對套管有大的側(cè)壓力，可以密封不低于20 MPa的壓力，實現(xiàn)分層均勻注汽，也可以分層開采。

圖4 手壓膠筒

圖5 擦拭后的膠筒

該膠筒雖然在性能上優(yōu)于聚四氟改良復合膠筒，但該新型復合材料的合成工藝相對復雜，成本高于聚四氟改良復合膠筒，因此在推廣應用上存在較大困難。目前，該新型膠筒僅在勝利油田成功應用3口井左右。

3 新高溫膠筒方案

考慮到聚四氟改良復合膠筒無法在高低溫交替環(huán)境下正常工作，而新型的石墨硅基膠筒成本過高，設計了2種新的高溫膠筒方案，一種是為了防止已經(jīng)膨脹的聚四氟改良材質(zhì)膠筒在溫度降低時回復，影響密封，將聚四氟改良復合膠筒外側(cè)和內(nèi)側(cè)增加石墨，因為石墨隨膠筒一旦被壓實，在高低溫變化過程中，體積變化極小，從而防止了聚四氟改良復合膠筒回縮，膠筒組合結構如圖6。另一種是通過在聚四氟改良復合膠筒兩邊增加碟簧或熱敏材料，碟簧或熱敏材料可增加聚四氟改良復合膠筒的預緊力，增加密封效果。

圖6 高溫膠筒方案一示意

4 結論

1) 聚四氟改良復合膠筒成本較低，應用較廣泛，但只能在第1輪次注汽中密封較好，實現(xiàn)均勻注汽，在后續(xù)輪次僅能起到擋砂的作用。

2) 石墨硅基復合膠筒可以在多輪次注汽中密封良好，可以在多次冷熱交替環(huán)境下使用。但成本過高，推廣較難，需要大幅降低成本。

3) 通過增加石墨和預緊力，設計了2種新的膠筒方案，便于后續(xù)研究。