稠油熱采高溫定位插入密封的研制與測試

吳雪濤 張斌 王明杰 包陳義 李寧

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300452

在稠油油田的開發過程中，為了增加原油的流動性，通常會往地層里注入高溫熱蒸汽，來提高地層原油的溫度，降低原油黏度。在海上油田，為了控制注入蒸汽的流動方向，降低熱損耗，需要采用定位插入密封的方式來保證所有的蒸汽能夠直接進入目的層，防止蒸汽進入油套環空[1-2]。目前常規的定位插入密封主要有兩種，一種是橡膠硫化環結構，采用丙氟橡膠（AFLAS）橡膠材料過盈密封，一種是采用V型密封或泛塞封等硬密封形式，密封材料可以采用四聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK）等非彈性材料。但以上這些密封形式最高適用溫度只能達到280～300℃，無法滿足實際井下350～370℃的高溫作業需要。與此同時，面對實際在蒸汽吞吐的高溫燜井和降溫冷采兩種復合工況，定位插入密封不僅要滿足高溫注采的密封條件，還需解決降溫至油藏溫度50℃左右的高低溫交變難題，受目前業內常規密封材料耐溫區間平均100℃的交變條件，常規密封結構和材料普遍存在耐溫不足、承壓不夠的技術瓶頸[3-4]。

為了解決海上稠油熱采中面臨的難題，研發了一種能夠承受熱采高低溫交變的大通徑定位插入密封工具，以滿足長期有效的油套環空保護，減少熱量損失的需要。

1 結構設計

如圖1所示，海上蒸汽吞吐井用定位插入密封主體結構由五大功能構成，主要由主體芯管、復合密封件、支撐環、儲能彈簧、鎖緊外套、啟動剪釘、鎖環、刮泥環等部件構成。

圖1 蒸汽吞吐用定位插入密封結構示意圖

本款插入密封主要用于海上稠油油田蒸汽吞吐采油井中，插入到防砂完井管柱的頂部，起到長期封閉環空，防止高溫蒸汽和油氣進入油套環空的作用。具有同時在高低溫交變（350～50℃）條件下，承受21MPa高壓的超強能力，高低溫循環次數大于8次，技術指標達到國內同類最高。

1.1 工作原理

1）下井過程：工具連接在生產管柱的下端，由于安全機構的固定作用，下井過程中密封件不受任何作用力。

2）定位啟動：當導向機構進入防砂管柱內部，并定位成功后，管柱壓載超過60kN，剪釘剪斷，鎖緊外套上行，壓縮蓄能機構，再推動密封機構上行，復合密封件膨脹，并與井筒形成擠壓密封。

3）密封鎖定：當管柱上部管柱壓載解除后，鎖定機構無法后退，將使密封件永久保持密封狀態。

4）工具回收：后期作業需要回收插入密封時，只需上提管柱即可，上提載荷小于等于20kN。

1.2 技術參數

定位插入技術密封技術參數見表1。

表1 定位插入密封技術參數

2 關鍵技術

2.1 復合密封件設計

密封件設計是該定位插入密封的關鍵部件，結構示意如圖2所示，為了能夠阻擋來自高溫蒸汽的壓力，創新采用了軟金屬作為高溫密封的基礎材料，這里用到的軟金屬包括但不限于銅合金、鋁合金、不銹鋼、低碳鋼等，由于軟金屬在錐體的擠壓后，可以很好的起到高溫高壓密封作用。測試表明，金屬密封可以滿足400℃以內70MPa的極端測試環境。雖然金屬密封可以不懼高溫高壓，但是降溫后，由于金屬密封件的體積收縮，通常會發生液體微滲的情況。為了滿足稠油井不同階段的密封需求，在金屬密封件的外密封面增加多組非金屬的高分子密封件，以補充低溫階段金屬密封件滲漏的問題。

圖2 復合密封結構

2.2 蓄能機構設計

由于熱采高溫和常溫冷采的作業需要，環境溫度周期性的發生變化，為了抵消溫度變化的引起的鎖緊力的變化，文章在鎖緊結構的前端增加一級蓄能機構，蓄能機構主要由多級碟簧組成，如圖3所示，當下推套的推力停止時，蓄能彈簧將壓縮的動力保留下來，這樣保證工具在整個生命周期均受到持續的推力，從而抵消溫度變化引起的工具長度尺寸的輕微變化。

圖3 蓄能機構

2.3 鎖緊機構設計

為了防止密封件啟動推力的消失后保持持續的壓縮效果，防止插入密封在坐封后發生回退，增加了單向鎖緊機構，如圖4所示，主要由開口鎖環去實現，開口鎖環能夠實現鎖緊外套的向左方向運動，鎖環外圓和外套的內表面具有相同牙型的鋸齒形螺紋，一旦沒有外界推力時，鎖環將與外套緊緊咬在一起，回退空間不超過1.5mm。

圖4 鎖緊機構

2.4 下入安全性設計

下入安全性分為主動安全和被動安全。其中主動安全設計有雙級刮泥環設計，具有較大外徑和一定的彈性，能夠起到通井和刮削井壁的作用，保證了復合密封件位置的絕對光潔，可以大大提高復合密封件的密封效果。被動安全有啟動銷釘、導向引鞋等可以有效防止下入過程中提前發生定位擠壓，密封件提前膨脹。

3 關鍵強度校核

為了驗證定位插入密封在下壓坐封和承壓抗拉的極限強度，考慮最大遇阻和過提500kN，使用solidworks有限元分析軟件，本體材料選擇42CrMo，彈性模量為2.1×105MPa，屈服強度考慮溫度影響為385MPa，分析計算得到本體的應力和應變如圖5所示。

圖5 本體應力和應變分析

分析發現最大應力出現在本體螺紋退刀槽根部，最大應力為265.5MPa，小于材料的屈服強度，故滿足設計承載下壓和遇阻過提需要。

4 室內高溫高壓測試

為了驗證本款定位插入密封的綜合性能，需要模擬現場條件（高溫350℃，低溫50℃，密封壓差21MPa）進行高低溫交變下的密封性能測試。

實驗方案如圖6所示，模擬現場將本款定位插入密封通過拉拔機器壓入試壓工裝的密封筒內，壓載80kN，泄載后打緊背帽。工裝整體放入恒溫箱中，試壓接頭連接高壓管線出烘箱，并連接高壓油泵，高壓油泵可以在不同的溫度條件下進行試壓。

圖6 高溫高壓測試后定位密封和測試工裝

圖6 試驗方案

共進行8個輪次由50℃至350℃的高低溫交變測試，圖6為工具測試取出后的實物照片，插入密封外觀良好，穩壓最低21MPa，最高可以測試到35MPa，保溫保壓過程中均未發現滲漏現象。

5 結束語

1）采用軟金屬與高分子材料的復合密封方式，并結合單向鎖緊機構、碟簧蓄能機構等特殊結構設計，通過結構創新和材料優選解決了高溫插入密封的技術瓶頸。

2）通過模擬熱采工況8個輪次50℃至350℃的高低溫交變測試，穩壓21MPa未見明顯壓降，其下壓坐封、驗封和插拔載荷均滿足設計要求。

3）該工具的測試成功為解決大跨度溫度區間的高溫插入密封提供了有效的解決方案，為稠油熱采高效開發提供了技術保障，同時為拓展其它系列高溫分層、分段密封奠定了經驗基礎。