海上熱采井高效注汽及監測工藝研究與應用

韓曉冬，鄒 劍，唐曉旭，王秋霞，劉海英，鐘立國

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；3.中海油能源發展有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引 言

渤海油田蒸汽吞吐先導試驗取得了較好的開發效果[1-7]。統計分析發現，在現有海上常用注汽管柱工藝條件下，熱采井井底蒸汽干度較低，達不到方案設計中蒸汽干度為0.40的要求，在一定程度上影響了熱采開發效果[8-11]。另一方面，注汽管柱自身無長效測試功能，無法有效監測注蒸汽過程中井筒沿程的熱力參數變化，只能通過高溫五參數測試或者微溫差測試在較短時間段內獲取溫壓參數，無法實現全井筒全時域監測，且上述作業相對復雜，風險較高[12-18]。為進一步提升海上油田注汽工藝管柱性能，從提高注汽效果和兼具長效測試功能兩方面入手，開展了海上油田高效注汽及監測工藝管柱研究，并進行了現場試驗，以期為海上稠油規模化熱采提供有效的技術支持。

1 注汽管柱隔熱效果影響因素分析

隔熱管隔熱性能直接影響熱采開發效果，而隔熱管隔熱等級和接箍隔熱效果是影響隔熱性能的2個主要因素[19-22]。為了對比隔熱管隔熱等級和接箍隔熱效果對井底蒸汽質量的影響，應用Wellflo軟件建立典型井模型進行了模擬分析(圖1、2)。計算參數如下：井口蒸汽干度為0.82，注汽壓力為15 MPa，注汽速度為9 t/h；注汽管柱外徑為114.30 mm，內徑為88.90 mm；A級至E級5個隔熱等級的隔熱管的導熱系數分別為0.070、0.050、0.030、0.010、0.005 W/(m·℃)；接箍分為不帶隔熱襯套和帶隔熱襯套2種。

圖1 隔熱等級和接箍情況對井底熱損失的影響

Fig.1 Effects of thermal insulation grade and coupling performance on bottom-hole heat loss

圖2 隔熱等級和接箍情況對井底蒸汽干度的影響

由圖1、2可知：接箍隔熱條件下井底蒸汽干度可達0.22～0.37，熱損失為19.2%～25.6%，與無隔熱襯套條件下相比，井底干度大幅提高，井筒沿程熱損失明顯降低；在接箍隔熱條件下，隔熱等級從A級升高至E級，井底蒸汽干度提高0.15，熱損失降低6.4個百分點。因此，為保證注汽質量，注汽管柱接箍要進行隔熱處理，同時盡可能使用高隔熱等級的隔熱油管。

目前海上油田應用的隔熱油管屬于內連接隔熱油管，接箍不隔熱，導致油套環空中存在局部高溫點，管柱熱損失較大。采用的高真空隔熱油管隔熱等級出廠標準為E級，但隨著使用周期的增加，其隔熱性能會隨著真空度的降低逐漸變差，影響注汽效果和套管安全。

2 高效注汽管柱工藝優化

2.1 隔熱管柱優化

針對高真空隔熱油管的隔熱等級對真空度依賴度高、隔熱等級下降較快，使用壽命短的不足，研制了氣凝膠隔熱油管[23]。氣凝膠隔熱油管與高真空隔熱油管的主要區別是內外管之間除了抽真空之外，填充了導熱系數和密度極低的氣凝膠材料(導熱系數λ≤0.02 W/(m·℃)；密度為3.55 kg/m3，僅為空氣密度的2.75倍)，降低了隔熱性能對真空度的依賴，使用壽命可延長50%以上，提高了隔熱油管應用時效，降低了熱采開發成本。氣凝膠隔熱油管視導熱系數不大于0.010 W/(m·℃)，耐溫可達400 ℃，接箍處連接方式為外連接，接箍扣型為114.30 mm BC。

2.2 隔熱接箍優化

為了降低隔熱油管接箍處的熱損失，提高隔熱效果，采用可與氣凝膠隔熱油管配合的高真空隔熱接箍。高真空隔熱接箍隔熱原理與高真空隔熱油管類似，結構包括外管、內管，內外管中段有真空隔熱層。高真空隔熱接箍的最高隔熱等級為C級(0.020 W·m-1·℃-1≤λ<0.040 W·m-1·℃-1)，接箍扣型為114.30 mm BC，最大外徑為139.00 mm，長度為226 mm。

優化后的隔熱油管內外管采用外連接方式且采用高真空隔熱接箍，可有效降低接箍處非隔熱段長度，降低接箍的熱損失，提升隔熱管柱整體隔熱性能。

3 高溫長效測試工藝優化

為實現海上熱采井全井筒長效溫度監測，在綜合調研國內外現有高溫監測工藝的基礎上，初步篩選高溫光纖作為測試工藝[24]。

3.1 室內實驗評價

對光纖在高溫條件下的適應性進行了研究。在光纖上設置2個光柵監測點，將光纖放置于400 ℃烘箱中，共實驗288 h，實驗測試曲線如圖3所示。

由圖3可知，2個光柵監測點的溫度在烘箱溫度控制精度內(±2 ℃)，且2個監測點的溫度差在1 ℃之內，說明該高溫光纖可在400 ℃條件下實現長效測試，滿足海上熱采井高溫測試需求。

圖3 光纖高溫監測室內實驗

3.2 測試工藝管柱優化

在室內實驗評價的基礎上，結合海上熱采井管柱結構特點和測試技術需求對測試工藝管柱進行了優化(圖4)。測試管柱主要由光纖、Y型穿越裝置、光纖尾端固定裝置等幾部分構成。為同時實現水平段和直井段油套環空的實時溫度監測，光纖從油套環空下入井中，在進入水平段前通過Y型穿越裝置穿越進入油管內部，并在水平段沿油管內部延伸至趾部，通過尾端固定裝置與測試管柱連接和固定。

圖4 高溫長效測試工藝管柱示意圖

3.2.1 光纖封裝保護

為了確保光纖在井下復雜環境下的長期有效性，將光纖整體封裝在外徑為6.35 mm、材質為825合金的不銹鋼管內部。單根不銹鋼管內部至少可以同時裝入4根光纖，可滿足不同類型光纖同時測試的技術需求。

3.2.2 Y型穿越裝置

為解決光纖在油管內外的穿越問題，注汽管柱在水平段頂部封隔器位置以上設計并安裝了Y型穿越裝置(圖5)，提供光纖穿越油管的通道。該裝置主要由上端接頭、下端接頭、Y型穿越接頭以及光纖密封結構組成。現場應用時，Y型裝置上下兩端分別與油管連接，光纖從油套環空經Y型穿越接頭處穿入油管，通過穿越接頭處的密封結構實現光纖穿越處的管柱密封，并沿油管內部延伸至水平段。Y型裝置上部的光纖可對油套環空的溫度進行檢測，下部的光纖可對水平段油管內的溫度進行檢測。Y型穿越裝置外徑為149.00 mm，內徑為62.00 mm，長度為780 mm，上下端扣型分別為88.90 mm EUB和73.03 mm NUP。

圖5 Y型穿越裝置示意圖

3.2.3 尾端光纖固定裝置

為了對水平段油管內的光纖進行固定，設計并研發了光纖尾端固定裝置(圖6)。該裝置主要由限位環、壓環、銷釘、掛鉤、卡扣、對接接頭、尾管等組成。現場應用時，尾管與油管通過絲扣連接，內嵌光纖的不銹鋼管穿過限位環后經卡扣卡緊，對接接頭與掛鉤插入尾管內部，掛鉤嵌入尾管內臺肩，實現光纖與油管間的固定。起出管柱時，從井口下入重錘，震擊剪斷銷釘，實現對接接頭與掛鉤的脫開，即可解除固定，上提取出光纖。尾端固定裝置最大外徑為56.00 mm，長度為130 mm。

圖6 尾端固定裝置結構示意圖

4 現場應用及效果分析

選取海上熱采蒸汽吞吐井A23 h井進行了海上高效注汽及監測工藝現場試驗。該井斜深為2 160 m，垂深為1 295 m，周期注汽量為5 560 t，累計注汽21 d。

高溫光纖測試工藝成功實現了該井全井筒長效測試，實現了注汽、燜井及放噴整個過程的溫度實時監測。根據光纖實時測試數據顯示結果可以看出(圖7)，新型高效注汽管柱與以往工藝相比，隔熱油管外壁平均溫度下降超過100 ℃，隔熱效果提升明顯。

結合監測數據，應用軟件對該井關鍵熱力參數進行擬合計算，并與A22 h井進行對比(表1)。由表1可知，A23H井井底干度為0.50左右，比上一周期提高0.32，且與A22 h井相比，沿程熱損失降低8.26個百分點，井底干度提高0.38，蒸汽注入質量明顯改善。對使用后的氣凝膠隔熱油管進行抽檢。結果表明，氣凝膠隔熱油管使用1周期后，隔熱等級D級以上合格率達90%，遠高于常規高真空隔熱油管。

圖7 高溫光纖測試溫度對比

表1 隔熱效果對比

5 結論與認識

(1) 為提升海上油田注汽管柱隔熱效果，研制了外連接氣凝膠隔熱技術+高真空隔熱接箍注汽工藝，形成全密封無熱點井筒配套工藝，能有效降低井筒熱損失，提升井底干度。

(2) 為保證注汽效果，海上熱采井注熱管柱應盡可能選用隔熱等級較高的隔熱油管且選用隔熱接箍來進一步降低注熱管柱散熱點。

(3) 優選高溫光纖作為海上熱采井高溫監測工藝，形成了海上熱采高效注汽及監測工藝管柱，并取得了較好的應用效果，可為海上稠油規模化熱采開發提供有效技術支持。