海上油田長效注汽井口技術研究與應用

顧啟林,馬增華 ,汪 成, 安宏鑫 ,田 宇,章寶玲

(1.中海油田服務股份有限公司 油田生產事業部,天津 300459; 2.海洋石油高效開發國家重點實驗室,北京 100010)

我國渤海油田原油黏度為50～53 208 mPa·s的稠油探明地質儲量超過24億t,開發潛力巨大,結合海上地質油藏特征及開發方式,地下原油黏度超過350 mPa·s的稠油宜采用熱采開發方式[1]。自2008年來中國海油先后在南堡35-2油田、旅大 27-2油田以及旅大21-2油田開展了多元熱流體吞吐與蒸汽吞吐試驗,目前已進入規模化推廣應用階段,取得了較好的增產效果[2]。稠油油田采用蒸汽吞吐開發形成熱連通后,一般只能采出油井附近油層中的原油,隨著吞吐輪次的增加,效果將逐漸變差,最終采收率低[3]。因此,亟需探索一種蒸汽吞吐接替技術,而蒸汽驅技術是蒸汽吞吐后進一步提高采收率的主要手段之一[4],最終采收率可達到50%～60%。

海上稠油油田埋藏深,井網不規則、井距大,平臺空間有限,安全要求高,開展蒸汽驅先導試驗面臨諸多難點與挑戰。井口裝置是注汽過程中地面控制設備的重要組成部分。要求注汽井口滿足高溫高壓、冷熱交變、安全控制以及長效密封等工藝需求[5-6],提升其服役壽命,減少井口及管柱更換頻次,降低熱采成本,保障蒸汽驅效果。關于熱采井口裝置,國內外已開展了相關研究工作。王斌等[7]研制了一種KR14-337型熱采井口裝置,結構簡單合理,現場維護方便;黃俠等[8]研制了一種注汽采油多用井口裝置,可懸掛注汽、采油2種管柱,實現不壓井作業;郭文德等[9]研制了一種KR14-337-65E型熱采井口裝置,適用于?177.8 mm套管,最高工作溫度337 ℃,具有結構簡單、成本低的特點;王麗軍等[10]針對有桿泵采油研制了BKR熱采井口裝置,增加了BOP組合閥及雙級光桿密封器,實現了稠油井的注汽采油一體化;彭輝[11]研制了一種SAGD雙管熱采井口裝置,工作壓力 ≤14 MPa,工作溫度 ≤337 ℃,可滿足新疆油田SAGD生產中注汽、生產、測試等工藝要求;王寶軍等[12]研制出一套350 ℃稠油熱采井注采一體化井口裝置,適應海上350 ℃高溫多輪次蒸汽吞吐工況要求,實現了冷熱采轉換不更換井口裝置。

現役注汽井口裝置雖然在一定程度上滿足了吞吐熱采開發的使用要求,但缺少遠程安全控制功能、多管線穿越密封通道;而且長期注汽及冷熱交變工況下,噴焊層脫落,閥板、閥座密封面有劃痕,閥座密封孔、墊環槽腐蝕,閥門開關靈活性、密封性能可靠性難以保障[13]。為最大限度地提高熱采井口的密封性能與穩定性,以確保蒸汽驅長效注汽過程的安全性和持續性,本文研制了一種海上蒸汽驅長效注汽井口裝置。該井口裝置具有遠程安全控制功能以及多穿越通道,良好的耐高溫高壓、冷熱交變、耐沖蝕及長效密封性能,為海上蒸汽驅先導試驗提供了有力的技術保障。

1 技術分析

1.1 結構組成

海上蒸汽驅注汽井口裝置(以下簡稱井口)整體如圖1所示。該裝置主要由油管四通、油管懸掛器、上法蘭、主閥、氣驅動安全閥、注熱翼閥、清蠟閥、液控管線穿越、截止閥以及壓力表等部分組成[14]。閥門與各組件之間采用法蘭連接,提高了緊固件之間的聯接強度,增加了鋼圈密封的可靠性,整套井口具有良好的耐高溫、耐高壓及長效密封性能。

1.2 工作原理

需要注汽時打開注熱翼閥、耐高溫氣驅動安全閥、主閥,高壓蒸汽通過采油樹、油管懸掛器、油管注入井底;注氮氣時打開注氮翼閥,氮氣通過油管四通、油套環空注入井底實現隔熱。采油樹上法蘭及油管懸掛器設有多個穿越通道,井下安全閥、封隔器控制管線以及測試光纜通過穿越密封實現上法蘭的穿越及密封。停止注汽時關閉主閥、注熱翼閥。井口及井筒出現應急情況時,可遠程快速泄放氣驅動安全閥控制管線壓力,關閉氣驅動安全閥,關斷井下流體通道。

1.3 主要技術指標

壓力等級

20.7 MPa

溫度等級

370 ℃

公稱主通徑

80 mm

側翼通徑

65 mm

材料等級

EE

規范級別

PSL3

性能級別

PR1

連接形式

法蘭式

油管懸掛器

油管四通

上、下法蘭公稱直徑

優化研制的海上熱采長效注汽井口與陸地油田熱采井口性能對比如表1所示。

2 關鍵技術

2.1 平板閘閥設計

平板閘閥主要由閥體、閥蓋、閥板、閥座、閥桿、軸承、密封、手輪以及螺母等部件組成(如圖2)。閥板、閥座與閥體之間的密封采用端面密封[15]。閥板與閥座采用金屬密封,閥座與閥體之間采用鑲嵌的膨脹石墨密封,注熱過程中石墨受熱膨脹,在介質壓力作用下閥板與閥座、閥座與閥體緊密貼合,達到密封目的。閥桿軸承盒上設計有泄漏孔,如果閥桿密封泄漏,則蒸汽從泄漏孔中溢出,既能保護軸承,也有助于現場人員及時發現。閥桿采用17-4PH材質,大大提高閥桿的耐腐蝕性能,保證閥桿處的密封更加可靠。 閥板、閥座采用不銹鋼材質,特殊的表面處理工藝,提高長期注汽期間表面防腐耐磨性能,提高使用壽命。

1-閥體;2-閥板;3-閥座,4-閥桿;5-閥蓋;6-矩形密封;7-軸承;8-壓蓋;9-手輪。圖2 平板閘閥結構

2.2 油管懸掛器設計

如圖3所示,油管懸掛器主要由卡套接頭、懸掛器本體、組合密封、石墨密封、密封壓蓋、密封圈以及壓帽組成。主體采用718合金,具有良好耐腐蝕、耐沖蝕性能。采用耐高溫橡膠、石墨以及金屬密封的組合密封形式[15],確保在高溫高壓、低溫以及冷熱交變工況下均具有良好的密封性能。懸掛器上下兩端設計有多個液控管線/光纜穿越通道,采用雙級密封,確保穿越密封性能的可靠性、長效性。

1-卡套接頭;2-懸掛器本體;3-組合密封;4-石墨密封;5-密封壓蓋;6-壓帽;7-密封圈。圖3 油管懸掛器結構

2.3 液控管線雙級穿越密封設計

蒸汽驅注汽井需要下入液控式井下安全閥、封隔器實現井下安全控制,同時下入光纜實時監測井下溫度、壓力等參數,光纜及液壓控制管線均需要井口提供穿越密封通道。長期350 ℃高溫以及冷熱交變嚴苛的工況對井口穿越密封帶來了巨大挑戰。針對液控管線及光纜穿越蒸汽驅注汽井口上法蘭及懸掛器,設計了“石墨密封+卡套密封”的雙級穿越密封結構(如圖4),保證液控管線穿越上法蘭和懸掛器的密封可靠性[16-17]。上法蘭上部設計了2道密封結構,連接接頭首先通過下部的密封螺紋連接于上法蘭上,然后再與上法蘭進行焊接,進一步增強兩者之間的密封可靠性。液控管線穿過連接接頭后,通過卡套密封實現液控管線穿越的第1道密封。石墨密封、連接接頭與密封接頭之間的螺紋密封組成了液控管線穿越的第2道密封。

1-連接接頭;2-卡套密封總成;3-密封接頭;4-密封石墨;5-壓帽。圖4 井口雙級穿越密封結構

2.4 提升整體性能設計

1) 提高井口裝置規范級別。將井口裝置規范級別從PSL2提升至PSL3,并采取嚴格的質量控制,通過對承壓本體、控壓件等關鍵件進行內部超聲波探傷,確保材料內部沒有缺陷,從而避免內部缺陷影響井口的長期使用壽命。

2) 采用高強度螺栓提升法蘭連接強度。注熱過程中,螺栓長時間受高溫和壓力影響出現松弛現象,容易導致連接處出現松動、泄漏等情況。使用高強度螺栓能夠減緩松弛現象發生,從而延長螺栓的使用壽命,更好地保證法蘭連接處的密封性能。

3) 提升密封性能。采用金屬密封與柔性石墨相結合,金屬包邊石墨填料環(如圖5),既保留了柔性石墨良好的密封性能和易激發的特性,又提高了與介質接觸一側的抗沖擊和抗沖刷的性能;采用低硫含量的進口石墨,從而降低因硫損失導致密封失效的可能性。

圖5 金屬包邊石墨密封結構

4) 套升補償結構設計。注熱期間冷熱交變,溫度急劇變化,會引起套管的伸長、縮短。因此,在油管四通內部設置有套管熱應力補償機構[18],預留補償距(≥200 mm),采用一種不受卡瓦牙影響的耐高溫高壓密封材料,可同時滿足套管伸長補償和密封油套環空的要求,有效抑制了因套管熱應力變形引起的井口抬升問題,滿足長期安全注汽要求。

3 現場應用

2020-06,蒸汽驅注汽井口裝置應用于海上某蒸汽驅先導試驗油田。注汽井口裝置安裝于X1井后,對采油樹主體、油管懸掛器、閥門、密封鋼圈以及液控管線穿越密封進行了常溫試壓,試壓合格。注汽溫度330～350 ℃、注汽壓力9.5～12.0 MPa、過熱溫度>20 ℃。至2022-03,更換管柱前,經歷了多次設備停注,長期高溫高壓以及多次高低溫交變工況考驗。在此期間,整套井口裝置無刺漏,密封性能穩定可靠,閥門開關靈活,實現了21個月不動管柱,為該油田蒸汽驅長期安全運行保駕護航。更換井口管柱后,對返回陸地的井口進行了拆檢、試驗,采油樹主體及法蘭承壓性能依然良好。如圖6所示,閥門石墨密封、油管懸掛器密封保存完好。現場應用表明,研制的蒸汽驅長效注汽井口裝置滿足蒸汽驅長效密封要求,為蒸汽驅提供了堅實的安全保障,達到了預期的設計目標。

圖6 拆檢后的長效注汽井口密封情況

4 結論

1) 海上蒸汽驅長效注汽井口結構設計科學合理,密封性能穩定可靠,使用效果良好,滿足了海上蒸汽驅長期高溫高壓以及多輪次冷熱交變工藝需求,實現了注汽21個月無刺漏、不動管柱,為某油田海上蒸汽驅先導試驗提供了有力保障。

2) 整套井口法蘭連接采用金屬密封,所有的閥門均有采用金屬密封或者組合密封形式,液控管線穿越密封采用“卡套密封+石墨密封”的雙級密封,系統新穎的密封結構設計保證了井口密封長期安全可靠。

3) 海上蒸汽驅長效注汽井口裝置是保障蒸汽驅長期運行重要的安全屏障,建議繼續優化閥門及密封結構,探索海上平臺注汽井口安全快速維保技術,進一步提升安全性能及長效密封性能,進一步延長服役壽命。