海上稠油熱采防砂工具設計與應用

王寶軍 喬中山 隋成龍 王翊民 王 太 李 根

（1、中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300459 2、中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

隨著我國海上稠油油田開發探索，逐漸突破海上熱采設備瓶頸，初步驗證了多元熱流體增產效果，探索出了適合海上的熱采完井方式。為了擴大熱采規模，海上將對多輪次吞吐開發油田采用熱采防砂技術來深化試驗，并提高熱采經濟性。但是在350 度高溫下注熱，井筒隔熱性和防砂多輪耐受性要求較高。如何保證高溫防砂工具密封性、可靠性、以及熱應力補償等，有效增強現場作業的穩定性及作業時效，成為技術的關鍵。針對海上非常規稠油規模化開發的不斷深化，推動自主化熱采完井防砂技術全面研究應用勢在必行。

1 熱采防砂管柱設計

對于稠油熱采防砂項目來說，外層管柱要經受300 至350度高溫及至少8 輪次蒸汽吞吐。頂部封隔器的耐高溫密封件是重要部件，還要考慮篩管抗高溫沖蝕的能力，其次是滑套密封件和熱應力補償工具。熱采防砂外層管柱設計（如圖1 所示）有六大技術特點：（1）防提前坐封屏蔽機構可大排量頂替裸眼段泥漿；（2）各作業階段對裸眼段保持一定的正壓力，維持井壁穩定；（3）一趟管柱可以實現打砂作業與破膠作業；（4）服務工具正打壓脫手，具備防正轉脫手功能；（5）機械定位器確保充填位置準確；（6）反循環時座封球被鎖緊機構，充填滑套關閉。

圖1 熱采防砂外層管柱設計示意圖

2 高溫防砂頂部封隔器

高溫防砂頂部封隔器的作用是懸掛和定位防砂管柱，有效封隔產層，因此其必須滿足壓力、溫度、抗拉載荷要求。其密封采用橡膠與金屬網結合，利用多片碟簧組合蓄能加壓。其長度較短、方便下入，在狗腿度大的斜度井優勢更明顯；自鎖機構穩定可靠，具有防提前坐封設計；使用配套專用回收工具可輕松回收該封隔器。進行了高溫封隔器的整機模擬測試，解封過提11.3t，封隔器至完全釋放摩阻為2-3t。碟簧組合外觀完整、無裂紋損傷，驗證了其蓄能載荷和安全回收的可靠性。在300 度高溫下，膠筒順利收縮，其表面完整、無發生擠出損傷，驗證了其抗壓和耐高低溫交變的可靠性；高溫插入密封的泛塞、模塊、V組完整，無損傷，密封有效。壓環結構優化：增加了聚四氟乙烯材質保護套，防止下井途中損壞，同時大大減小了壓環與中心管的滑動摩阻。

建立ANSYS 力學模型進行多次計算，通過動畫模擬每一步支反力大小可知，由于熱采頂部封隔器坐封過程需要反復打高壓并泄壓至零，容易導致液壓脫手剪切銷釘提前疲勞，導致脫手壓力降低, 提前脫手。優化后的剪切銷釘液壓脫手壓力在4600-4800psi 之間，壓力平穩可靠，滿足封隔器的坐封要求。在實際應用中，考慮到注熱溫度可達350 度，因此采用了防砂后在頂部封隔器上部串聯350 度的高溫封隔器，以保障耐溫可靠性。

3 耐高溫井下插入密封設計

回插定位密封創新采用金屬和非金屬雙密封組合，其中金屬密封采用銅環密封，非金屬密封采用V 組和泛塞密封形式（如圖2 所示）。插入密封的可靠性直接關系到熱采的隔熱性能，隔熱油管主利用低導熱系數，減少井筒熱損失和水泥環免受損壞。隔熱油管與封隔器的連接必須接受多輪次冷熱交替轉換考驗，保證密封和隔熱效果。

圖2 雙層槽口立體化設計

測試系統因不具備保溫試壓條件而降溫導致壓降，高溫驗封時的相對壓差為0.2-0.35MPa，常溫驗封時壓降為0.05-0.13MPa，判斷封隔器和改進后插入密封滿足設計要求（如表1 所示）。

4 其他關鍵附件

4.1 熱應力補償器

為了防止防砂管柱在注熱條件下的熱膨脹和冷縮，設計增加了熱應力補償工具。這種工具可以有效防止篩管伸縮導致的管柱變形和充填礫石的大范圍松動，有助于高溫防砂的長效性。補償器經過性能測試，在180℃、近3 小時后鎖定機構釋放，剪切壓力穩定為18.2Mpa。測試內外筒相對移動壓力＜1Mpa，即移動所需載荷＜0.75 噸，滿足現場需求。做300℃-90℃-300℃，8 輪次交變耐溫試驗后，內承壓725ps（i即5Mpa），保證注熱過程中不發生泄漏、不返砂。

表1 插入密封多輪測試效果

圖3 CMS 過濾體設計

內外筒相對移動壓力＜0.75 噸，由于金屬的熱應力遠遠超過此數值，所以滿足現場需求。

4.2 裸眼循環閥性能的優化

裸眼循環閥用于裸眼井中，保證管柱液體只能正循環，防止液體倒流至防砂管柱內。其產品結構簡單、性能穩定；雙模塊式單流閥設計，具有更好的密封效果；閥頭引鞋設計，便于管柱下入。熱采完井中，項目完成了全氟醚密封圈替代常規密封圈以滿足耐溫300℃的要求；完成了Inconel 718 彈簧替代原有60Si2MnA 材料彈簧，以滿足高溫作業需要。

4.3 耐高溫防砂篩管

項目采用了5-1/2″復合篩管礫石充填防砂，篩管基管磅級：17 lb/ft，基管鋼級：TP110H，基管螺旋布孔，孔密360 孔/米，最大外徑176mm，篩管內徑124.3mm。篩管從內向外依次為基管，內護套，支撐網1，過濾網1，支撐網2，過濾網2，繞絲層，外護套。外層為卷網及卷網后點焊工藝，設計增加了兩個過濾體：CMS 金屬網布過濾體和繞絲過濾體（如圖3 所示）。基管打孔后對孔眼周圍毛刺進行了處理，篩管接箍應雙向45°倒角，可以有效增加篩管的耐受性。

5 應用

旅大21-1 稠油熱采開發項目中，8 口井為8-1/2" 裸眼+5-1/2" 優質篩管礫石充填防砂，2 口井為9-5/8″套管射孔＋5-1/2″復合篩管礫石充填防砂，防砂精度120μm。8 口井坐封和充填順利，充填效率及盲管埋高均符合標準要求，B2H 井充填效率90%，其他井充填效率均為100%。B1H1 井于2020 年11月啟泵投產，高峰時日產液153.12m3，日產油137 噸，含水9.1%。目前開始采用電泵人工舉升生產，產液93m3/d，含水13%。其余井都實現第一輪預期生產目標，取得了較好注熱開采效果。

6 結論與建議

6.1 旅大21-2 海上規模化稠油熱采完井防砂實現蒸汽吞吐的初步要求，較好的阻擋地層砂的同時保障了蒸汽注入，并有效提高了作業時效。

6.2 該技術針對性強，有大量改進之處，可以作為海上稠油熱采防砂的新技術手段，但是耐溫性和可靠性還有待進一步驗證和提高，實踐中發現工具在關鍵密封件的研究方面還有很大提高空間。

6.3 對于高溫補償器的適用性和所發揮的作用還需要大量實驗和定量研究，為今后高溫井充填和壓裂是提供更有利的支撐。