□ 楊建英 常換芳 趙 亮

挑戰(zhàn)海上熱采配套工具世界難題

□ 楊建英 常換芳 趙 亮

“既然接了這個(gè)項(xiàng)目，就必須拿下。”

6月中旬，中海油服再次給河南油田工程院打來電話，提出繼續(xù)合作意向。一個(gè)服務(wù)海洋石油的上市公司為什么會青睞一家陸上油田科研單位？

這源自他們之間的第一次友好合作。

今年3月19日，河南油田工程院歷經(jīng)一年多艱難攻關(guān)，獨(dú)立自主完成的《海上熱采防污染管柱配套工具的研制及工具高溫工況試驗(yàn)》項(xiàng)目，順利通過中海油服的驗(yàn)收。該院研制的這套工具在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，不僅填補(bǔ)了國內(nèi)外技術(shù)空白，而且為進(jìn)一步開拓外部市場打開了新天地。

勇接“燙手芋”

2013年5月，河南油田采油工程技術(shù)專家馬宏偉接到中海油服科研人員的求助電話。對方說，他們在9.625英寸套管井防污染熱采技術(shù)上遇到了瓶頸。

海上石油開采，對環(huán)保要求非常高，稠油熱采防污更是世界難題。目前國內(nèi)普遍采用的壓井防噴技術(shù)會對油層產(chǎn)生冷傷害，造成油層污染，如果壓井液比重過小，還有可能發(fā)生井噴造成海上污染。

中海油服需要一種能夠控制開關(guān)的防污染管柱，實(shí)現(xiàn)不壓井作業(yè)。但是，目前國內(nèi)現(xiàn)有的井下工具密封件，要么耐高溫高壓，要么耐中低溫高壓，缺少高低溫下均耐高壓的封隔器。國際上也在探索階段，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。中海油服在向多家油田求助均遭婉拒后，不得已找到河南油田工程院。

“我院具有成熟的陸地稠田熱采技術(shù)和40年的熱采經(jīng)驗(yàn)，以前在密封件方面有一些積累，有實(shí)力完成這個(gè)項(xiàng)目?！笔状紊孀愫Ｉ鲜烷_采領(lǐng)域的工程院院長魏淋生勇敢接受了這個(gè)“燙手芋”，“與中海油服合作一旦成功，將使工程院的舞臺從陸地拓展到海洋，實(shí)現(xiàn)海上業(yè)務(wù)零的突破”。

2013年6月，工程院與中海油服正式簽訂《海上熱采防污染管柱配套工具的研制及工具高溫工況試驗(yàn)》項(xiàng)目研發(fā)合同。

造“門”先制“鎖”

合同簽訂后，以馬宏偉為總負(fù)責(zé)的工程院項(xiàng)目組成員，通過大量查閱資料、實(shí)地調(diào)研，提出了一種適合海上熱采井工況條件的防污染工藝方案，獲得通過。由于沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以參考，所有的工具都需要自主研發(fā)。

這個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵是選到合適的封隔器，而封隔器的密封件是其核心部件。“如果把封隔器比作一扇自動開關(guān)門的話，密封件就是門上的鎖。鎖如果做不好，門就無法設(shè)計(jì)?！瘪R宏偉說。

要造門，先制鎖。他們買來兩個(gè)國外的封隔器試驗(yàn)，失敗了。在制鎖材料的選擇上，他們先選擇國內(nèi)常用的碳纖維復(fù)合膠筒試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不能滿足海上熱采350攝氏度時(shí)耐壓20兆帕的要求。采用改性聚四氟乙烯試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它具備耐高溫高壓性能，但當(dāng)溫度降到200攝氏度時(shí)，封隔器漏失，只好再次放棄。

通過反復(fù)篩選，他們欣喜地發(fā)現(xiàn)柔性石墨抗腐蝕、耐高溫、耐熱沖擊，在低溫下也能正常使用。石墨膠筒沒有成品，他們就把購買的石墨環(huán)壓碎，自制磨具動手壓制。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓制好的石墨膠筒封隔器在高溫及低溫環(huán)境下都能密封良好，可是十分嬌貴，在組裝和搬運(yùn)時(shí)，稍有磕碰就會破損，影響膠筒的密封性能。

“如此嬌貴的密封件怎能適用于惡劣的海上熱采作業(yè)環(huán)境呢？”馬宏偉愁上心頭。

那時(shí)，一年半的項(xiàng)目研發(fā)時(shí)間已經(jīng)快過去一半了，項(xiàng)目組還被困在細(xì)枝末節(jié)上。大家心急如焚。

“既然接了這個(gè)項(xiàng)目，就必須拿下，否則人就丟大了。能否換個(gè)思路解決問題呢？”院長魏淋生鼓勵(lì)他們。

項(xiàng)目組又重整旗鼓，向膠筒的密封問題發(fā)起進(jìn)攻。一天，馬宏偉忽然靈感乍現(xiàn)：“能不能以石墨為主體，再為它制造一個(gè)抗高溫高壓的薄薄的保護(hù)套？就像我們吃的餅干，也是一碰就碎，可是一層薄薄的包裝紙就讓它安全無損了?！?/p>

說干就干。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和摸索，馬宏偉創(chuàng)造性地研制出了以柔性石墨為主體、改性聚四氟乙烯膠套為保護(hù)套的組合密封件。經(jīng)過50多次高低溫交替試驗(yàn)、改進(jìn)、優(yōu)化，最終達(dá)到了密封要求。這項(xiàng)成果，填補(bǔ)了國內(nèi)超高溫密封材料的空白。

茶壺激發(fā)靈感

“鎖”制好后，“門”的難題又出現(xiàn)了。

海上熱采井的套管內(nèi)徑是220.5毫米，大直徑防污染熱采懸掛密封器是實(shí)現(xiàn)熱采防污染工藝的重要工具。這么大直徑的封隔器國內(nèi)聞所未聞，也無處借鑒，又得自己研制工具。而且海上稠油開采成本高，打一口井動輒數(shù)億元，設(shè)計(jì)出來的封隔器必須能夠下得去、封得住、起得出。

封隔器的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的工程。它主要由坐封機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、密封部件、懸掛部件、脫手機(jī)構(gòu)等組成，要求機(jī)構(gòu)之間配合可靠，零件之間活動靈活。設(shè)計(jì)初期，馬宏偉采用常規(guī)的單密封方式、雙級活塞坐封機(jī)構(gòu)。在試驗(yàn)過程中，封隔器發(fā)生漏失，耐壓性能達(dá)不到要求。他們反復(fù)討論，最后確定采取雙密封機(jī)構(gòu)，通過下密封助推卡瓦錨定機(jī)構(gòu)，使密封性能大大提高。他們還設(shè)計(jì)出6種不同尺寸的卡瓦結(jié)構(gòu)，反復(fù)試驗(yàn)20多套次，摸索出最佳尺寸，使錨定和密封性能終于達(dá)到了合同要求的指標(biāo)。

海上熱采管柱要實(shí)現(xiàn)防污染功能，需要單流機(jī)構(gòu)，在注汽和采油時(shí)連通地層，燜井時(shí)自動關(guān)閉，以此達(dá)到不壓井的目的。但是在熱采井高溫狀況下，單流閥的設(shè)計(jì)難度非常大：既要耐高溫高壓，又要滿足閥體在開啟和關(guān)閉的動作轉(zhuǎn)換時(shí)的密封。密封機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)相當(dāng)困難，大家絞盡了腦汁。

一天，馬宏偉在家吃飯，看到餐桌上放著的茶壺，眼前一亮：“如果單流開啟裝置也像茶壺開啟一樣，不就好了嗎？”他放下飯碗，抱著茶壺就跑向辦公室。

難題逐個(gè)被攻破。受油田科研基地試驗(yàn)井井深的限制，項(xiàng)目組來到長葛試驗(yàn)工房對管柱進(jìn)行中間井試驗(yàn)，論證方案的可行性。李輝、司光禮、陳升宏、楊柏陽四位科研人員長期堅(jiān)守在那里，有時(shí)候一個(gè)月也回不了一次家。210毫米外徑、2米多長、重達(dá)180千克的海上熱采工具，著實(shí)讓他們吃不消。一次又一次地試驗(yàn)，來來回回地起下，工具拆了連，連了又拆，一天下來，讓人筋疲力盡?！叭?dāng)是健身了，等試驗(yàn)做完，我們也都一個(gè)個(gè)成肌肉男了?！痹诰o張的工作之余，他們互相打趣對方。

經(jīng)過連續(xù)三個(gè)月的中間井試驗(yàn)和反復(fù)改進(jìn)，熱采防污染工藝管柱全部達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。管柱在高溫注汽和中低溫起出時(shí)，均密封可靠。注汽管柱和生產(chǎn)管柱轉(zhuǎn)換過程中不需要壓井，有效地避免了壓井作業(yè)帶來的地層污染。他們設(shè)計(jì)的熱采懸掛密封器采用卡瓦錨定和靜液壓楔入式輔助鉚釘結(jié)構(gòu)，采取雙重密封方式，懸掛可靠，密封可靠，同時(shí)解封可靠。他們采用插桿控制井下旋板開關(guān)的開啟和關(guān)閉，可反復(fù)開關(guān)，并且開關(guān)的狀態(tài)容易判斷。

2015年3月19日，《海上熱采防污染管柱配套工具的研制及工具高溫工況試驗(yàn)》項(xiàng)目以充足的數(shù)據(jù)、充分的論證，獲得了中海油服的高度評價(jià)，海上熱采防污染工藝技術(shù)填補(bǔ)國內(nèi)外技術(shù)空白。同時(shí)，該院的“一種多輪次高低溫膠筒及制備方法”“一種熱采井懸掛密封器及專用撈矛”申請了國家發(fā)明專利，“井筒防噴開關(guān)器及采油泵組”申請了國家實(shí)用新型專利。

“創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展不竭的動力。工程院科研人員以不畏艱險(xiǎn)的精神和永不停歇的腳步，獨(dú)立自主地開展海上工具的研制開發(fā)，成功地將發(fā)展的舞臺從陸地拓展到了海洋，為進(jìn)一步開拓外部市場打開了一片新天地?！痹谛卵邪l(fā)的海上熱采工具正式起運(yùn)發(fā)往客戶前，魏淋生對工程院的明天充滿了信心。

（作者單位：河南油田）