王 通， 孫永濤， 白健華， 馬增華， 蔣召平， 李海濤

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津300459；2.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300459)

渤海油田自2008年開(kāi)始先后在N區(qū)塊和L區(qū)塊推廣應(yīng)用稠油熱采技術(shù)，截至2016年11月已應(yīng)用了近30井次，取得了良好的開(kāi)采效果。但由于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有井下安全控制管柱系統(tǒng)達(dá)不到耐溫350 ℃的要求[1-7]，其采用的注熱管柱是沒(méi)有井下安全控制工具的簡(jiǎn)易注熱管柱，而海洋石油相關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)定要求海上生產(chǎn)井的生產(chǎn)管柱需采用井下安全控制管柱。因此，為了保證稠油熱采的安全，筆者通過(guò)優(yōu)選耐高溫密封材料、采用全金屬密封等方法研制了耐溫350 ℃的井下安全控制管柱系統(tǒng)，其關(guān)鍵工具包括Y241型熱采封隔器、耐高溫井下安全閥、隔熱型補(bǔ)償器和井口穿越裝置。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均表明，所研制的井下安全控制管柱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，常溫和高溫下的密封性能可靠、操作靈活，均達(dá)到了海上熱采作業(yè)的要求。

1 注熱井對(duì)井下安全控制管柱性能的要求

符合海洋安全生產(chǎn)規(guī)定的井下安全控制管柱(自下而上)為引鞋、普通油管(含若干配注閥)、變扣、加壓球座和隔熱油管(含Y241型熱采封隔器+補(bǔ)償器+耐高溫井下安全閥)，如圖1所示。其中，井下安全控制包含油管通道安全控制和油套環(huán)空安全控制2方面。

圖1 海上熱采井下安全控制管柱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of down-hole safe control pipe in offshore well with thermal production

油管通道安全控制主要是通過(guò)井下安全閥控制油管通道的開(kāi)啟關(guān)閉，但目前常規(guī)井下安全閥只能耐溫150 ℃，而注熱期間井下溫度最高可達(dá)350 ℃，因此要求井下安全閥能耐溫350 ℃，且要求其在注熱結(jié)束后的放噴期間依然能正常開(kāi)啟關(guān)閉。由于井下安全閥需要通過(guò)液控管線在地面進(jìn)行控制，因此要求液控管線井口穿越裝置能夠在常溫及高溫下均具有良好的密封性能。注熱期間液控管線井口穿越裝置一旦發(fā)生刺漏，將危及平臺(tái)人員及設(shè)備的安全，因此液控管線井口穿越裝置的耐溫耐壓性能應(yīng)與采油樹(shù)相同，即能耐溫350 ℃和耐壓35 MPa，以保證注熱期間的井口安全。

油套環(huán)空安全控制是通過(guò)Y241型熱采封隔器封閉油套環(huán)空。海上油井在注蒸汽或注多元熱流體期間會(huì)連續(xù)或間斷地從油套環(huán)空內(nèi)注入氮?dú)?，以達(dá)到減少井筒熱損失、提升管柱隔熱性能等目的[8-10]，因此，要求Y241型熱采封隔器具有雙通道結(jié)構(gòu)，以防止井下流體通過(guò)環(huán)空上返，允許環(huán)空內(nèi)的氮?dú)庥缮隙伦⑾蚓住４送?，隔熱型補(bǔ)償器與Y241型熱采封隔器連接后一起下入井內(nèi)，可以補(bǔ)償管柱的伸長(zhǎng)或縮短，防止管柱變形或因管柱熱應(yīng)力引起封隔器失效。隔熱型補(bǔ)償器也要具有良好的隔熱性能。

2 耐高溫井下安全控制關(guān)鍵工具

耐高溫井下安全控制管柱系統(tǒng)的關(guān)鍵工具包括Y241型熱采封隔器、隔熱型補(bǔ)償器、耐高溫井下安全閥和井口穿越裝置。

2.1 Y241型熱采封隔器

2.1.1 基本結(jié)構(gòu)

Y241型熱采封隔器(又稱雙通道熱采封隔器)主要由坐封鎖緊機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、環(huán)空注氮機(jī)構(gòu)和解封機(jī)構(gòu)等組成，如圖2所示。

坐封鎖緊機(jī)構(gòu)主要由活塞、缸套、大鎖環(huán)、小鎖環(huán)和鎖套組成。錨定機(jī)構(gòu)主要由卡瓦、錐體和卡瓦罩組成。密封機(jī)構(gòu)由膠筒、碟簧和坐封套組成。環(huán)空注氮機(jī)構(gòu)主要由球閥、彈簧、彈簧罩和下接頭組成。解封機(jī)構(gòu)主要由上接頭、指形爪套、指形爪管、解封銷(xiāo)釘和中心管組成。

Y241型熱采封隔器具有以下特點(diǎn)：

1) 氮?dú)馔ǖ滥┒瞬捎脝瘟鏖y，在承受井筒下部高壓的同時(shí)允許油套環(huán)空注入的氮?dú)馔ㄟ^(guò)封隔器注向井底。

2) 耐高溫膠筒采用了分散柔性石墨加改性聚四氟乙烯的組合密封方式，不僅在常溫下具有良好的密封性，而且能夠在350 ℃高溫下保持密封可靠性，并且經(jīng)過(guò)多輪次高低溫后仍能保持密封[11]。

圖2 Y241型熱采封隔器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the Y241 type packer for thermal production1.上接頭；2.提拉套；3.指形爪套；4.解封銷(xiāo)釘；5.錐體；6.中心管；7.卡瓦；8.指形爪管；9.卡瓦護(hù)罩；10.防坐封銷(xiāo)釘；11.膠筒；12.坐封銷(xiāo)釘；13.碟簧；14.坐封套；15.小鎖環(huán)；16.大鎖環(huán)；17.缸套；18.活塞；19.內(nèi)孔道；20.加壓孔；21.注氮孔道；22.球閥；23.彈簧；24.彈簧罩；25.下接頭

2.1.2 工作原理

Y241型熱采封隔器下入井內(nèi)后，從油管加壓，坐封機(jī)構(gòu)依次推動(dòng)卡瓦撐開(kāi)錨定機(jī)構(gòu)、坐封膠筒，鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊以防止密封件回彈，完成坐封。然后，從油套環(huán)空注入氮?dú)?，?dāng)注入壓力大于Y241型熱采封隔器以下環(huán)空壓力時(shí)，Y241型熱采封隔器的注氮閥打開(kāi)，氮?dú)庾⑾蚓?。上提管柱即可解封，若遇卡可以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)管柱，上接頭與中心管脫開(kāi)，上提取出封隔器以上管柱，再進(jìn)行打撈。

2.1.3 主要技術(shù)參數(shù)

Y241型熱采封隔器長(zhǎng)2 105 mm，最大外徑為210.0 mm，內(nèi)通徑為76.0 mm，適用于內(nèi)徑為220.5～224.4 mm的套管，兩端為φ88.9 mm EU螺紋，坐封壓差24～26 MPa，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa。

2.2 隔熱型補(bǔ)償器

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)

隔熱型補(bǔ)償器[5]主要由中心管、隔熱上接箍、內(nèi)密封組件、隔熱管、承重接頭、中間接箍和下接頭組成，如圖3所示。隔熱上接箍包括接箍本體、隔熱體和接箍外管。內(nèi)密封組件包括壓環(huán)、隔熱環(huán)、密封材料、壓帽和密封盒。隔熱管組件包括內(nèi)管、外管和隔熱體。隔熱型補(bǔ)償器的本體及接箍均采取復(fù)合隔熱結(jié)構(gòu)，具有良好的隔熱性能，能減少熱損失，提高注熱效果。

2.2.2 工作原理

隔熱型補(bǔ)償器用于補(bǔ)償注熱期間高溫引起的井下管柱的伸長(zhǎng)，同時(shí)具有隔熱和傳遞扭矩的功能。注熱時(shí)，隨著溫度升高，注熱管柱會(huì)伸長(zhǎng)，此時(shí)注熱管柱中隔熱型補(bǔ)償器的內(nèi)中心管縮進(jìn)隔熱外管內(nèi);注熱結(jié)束或注熱過(guò)程中由于其他原因停注導(dǎo)致溫度下降時(shí)，隔熱型補(bǔ)償器的內(nèi)中心管就會(huì)伸出，以補(bǔ)償注熱管柱的縮短。補(bǔ)償器上提時(shí)，補(bǔ)償內(nèi)管上的凹凸槽與密封機(jī)構(gòu)上的凸凹槽嚙合，此時(shí)內(nèi)外管可同時(shí)旋轉(zhuǎn)，以滿足管柱傳遞扭矩的要求[12]。

圖3 隔熱型補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of thermodynamic insulated tubing compensator1.隔熱上接箍；2.中心管；3.壓帽；4.內(nèi)密封組件；5.密封盒；6.中間接箍；7.隔熱管；8.承重接頭；9.下接頭

2.2.3 主要技術(shù)參數(shù)

隔熱型補(bǔ)償器長(zhǎng)4 326 mm(含補(bǔ)償距2 000 mm)，最大外徑為145.0 mm，內(nèi)通徑為62.0 mm，兩端為φ88.9 mm EU螺紋，耐溫350 ℃，耐壓21 MPa。

2.3 耐高溫井下安全閥

2.3.1 基本結(jié)構(gòu)

耐高溫井下安全閥主要由上接頭、液控接頭、內(nèi)密封、柱塞、彈簧、外筒、中心管、閥座、閥門(mén)、扭簧和下接頭組成，如圖4所示。

圖4 耐高溫井下安全閥的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of heat-resistant down-hole safety valve1.上接頭；2.液控接頭；3.內(nèi)密封；4.柱塞；5.彈簧；6.外筒；7.中心管；8.閥座；9.閥門(mén)；10.扭簧；11.下接頭

目前井下工具常用的彈性密封材料，如丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、氟橡膠和環(huán)氧樹(shù)脂等在350 ℃高溫下均會(huì)失去密封作用，所以耐高溫井下安全閥采用了全金屬密封結(jié)構(gòu)。耐高溫井下安全閥的柱塞與柱塞腔體采用C形金屬密封，閥門(mén)與閥座采用錐面對(duì)錐面的金屬密封；耐高溫井下安全閥的主體(包括上接頭、外筒和下接頭)均采用金屬密封螺紋連接。

2.3.2 工作原理

井下安全閥的上接頭設(shè)計(jì)有液壓孔，從液壓孔處加壓，液壓驅(qū)動(dòng)柱塞向下移動(dòng)，柱塞推動(dòng)連接的彈簧和中心管向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)中心管接觸到閥門(mén)上的平衡塞時(shí)，閥門(mén)上下液體連通建立壓力平衡，繼續(xù)加壓，中心管向下頂開(kāi)閥門(mén)，井下安全閥處于打開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)需要關(guān)閉安全閥時(shí)，泄掉上接頭處液壓孔的壓力，彈簧回位，中心管和柱塞在彈簧的作用下回至初始位置，閥門(mén)失去支撐，在扭簧回復(fù)扭矩的作用下閥門(mén)與閥門(mén)座緊密貼合，井下安全閥關(guān)閉，達(dá)到隔離井下油氣的目的。

2.3.3 主要技術(shù)參數(shù)

耐高溫井下安全閥長(zhǎng)度1 260 mm，最大外徑為160.0 mm，內(nèi)通徑為71.45 mm，兩端為φ88.9 mm EU螺紋，耐溫350 ℃，耐壓35 MPa。

2.4 井口穿越裝置

2.4.1 基本結(jié)構(gòu)

井口穿越裝置由內(nèi)卡套、外卡套、NPT接頭和壓緊螺母組成。為滿足耐高溫350 ℃的要求，井口穿越裝置也采用了金屬密封。

2.4.2 工作原理

在熱采井采油樹(shù)上開(kāi)有φ6.35 mm液控管線通孔，通孔的上端制有φ19.05 mm NPT接頭螺紋，在壓緊螺母的作用下，外卡套與NPT接頭壓緊密封，內(nèi)卡套分別與外卡套密封、液控管線外表面壓緊密封。

2.4.3 主要技術(shù)參數(shù)

井口穿越裝置長(zhǎng)50 mm，內(nèi)通徑為8.0 mm，端部為φ19.05 mm NPT螺紋，適用于φ6.35 mm液控管線，耐溫350 ℃，耐壓35 MPa。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)各井下安全控制管柱系統(tǒng)關(guān)鍵工具的運(yùn)動(dòng)部件是否動(dòng)作良好，以及在常溫和高溫下的密封是否可靠，是否能達(dá)到注熱的要求，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 Y241型熱采封隔器性能測(cè)試

3.1.1 常溫試驗(yàn)

以水為試驗(yàn)介質(zhì)，參照文獻(xiàn)[13-14]在常溫下進(jìn)行地面試驗(yàn)和井下試驗(yàn)，檢驗(yàn)封隔器的坐封性能、解封性能、承壓性能、錨定性能和解封負(fù)荷。

試驗(yàn)過(guò)程中，封隔器坐封動(dòng)作靈活、無(wú)卡阻，封隔器整體耐壓35 MPa，不滲不漏，鋼件不變形。封隔器的坐封力為23～25 MPa，坐封距為94～97 mm；其錨定力超過(guò)1 050 kN，錨定可靠；封隔器承受的單向工作壓差達(dá)到32 MPa；解封順利，解封力為100～120 kN。這表明，封隔器動(dòng)作設(shè)計(jì)合理，坐封與解封順利，常溫下密封可靠。

3.1.2 高溫試驗(yàn)

以高溫氮?dú)鉃樵囼?yàn)介質(zhì)，參照文獻(xiàn)[10-11]將Y241型熱采封隔器下入到試驗(yàn)井進(jìn)行耐高溫試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1高溫下Y241型熱采封隔器承壓試驗(yàn)結(jié)果

Table1Dataofpressure-bearingoftheY241typepackerforthermalproductionunderhightemperatures

序號(hào)試驗(yàn)溫度/℃油管壓力/MPa封隔器下壓力/MPa封隔器上壓力/MPa備注1350.022.5622.320第一輪高溫2350.021.1020.930保溫8h3350.021.2121.030462.821.5721.390第一輪降溫5350.021.6321.450第二輪高溫6350.021.2621.050保溫8h7350.021.4821.300828.621.6521.460第二輪降溫

由表1可以看出：Y241型熱采封隔器能耐350 ℃高溫、21 MPa壓力；經(jīng)過(guò)高低溫交替，密封壓差仍能達(dá)到21 MPa。這表明，Y241型熱采封隔器的耐溫、耐壓和密封性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.2 耐高溫井下安全閥性能測(cè)試

以高溫導(dǎo)熱油為介質(zhì)，參照文獻(xiàn)[15-16]在常溫和350 ℃高溫下進(jìn)行耐高溫井下安全閥開(kāi)關(guān)和密封試驗(yàn)，結(jié)果為：井下安全閥的開(kāi)啟壓力為11.0～11.7 MPa，關(guān)閉壓力為9.6 MPa，閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉順暢，開(kāi)關(guān)液控壓力符合要求；工作壓力為35 MPa；整體耐壓達(dá)50 MPa；密封良好，液控管線無(wú)滲漏。這表明，耐高溫井下安全閥的啟閉靈活性、密封性、耐溫性及開(kāi)啟和關(guān)閉的靈活性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.3 井口穿越裝置性能測(cè)試

熱采井井口設(shè)備體積較大，且影響因素復(fù)雜，因此根據(jù)井口穿越裝置的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了液控管線穿越模擬試驗(yàn)裝置，如圖5所示。以高溫導(dǎo)熱油為試驗(yàn)介質(zhì)，利用該裝置進(jìn)行井口穿越裝置常溫和高溫350 ℃下的密封試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在常溫下還是在高溫350 ℃下，加壓至35 MPa后均穩(wěn)壓10 min以上。這表明，井口穿越裝置在常溫和高溫350 ℃下的密封性能可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 液控管線穿越模擬試驗(yàn)裝置Fig.5 Testing devices for crossing of hydraulic pipelines

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)?zāi)透邷鼐掳踩刂乒苤到y(tǒng)能否在高溫下長(zhǎng)時(shí)間正常工作，該管柱系統(tǒng)在渤海油田A區(qū)塊的B27井進(jìn)行了5個(gè)月的試驗(yàn)。B27井完鉆井深2 813.05 m，水深12.20 m，采用φ508.0 mm隔水導(dǎo)管、φ339.7 mm表層套管和φ244.5 mm生產(chǎn)套管與防砂篩管完井。耐高溫井下安全閥、隔熱型補(bǔ)償器和Y241型熱采封隔器分別位于井深191.38，222.03 和227.22 m處。

注入多元熱流體的溫度244～289 ℃，注入水排量3.0～5.6 t/h，注入水當(dāng)量2 600 t，油管壓力9.0～17.6 MPa，套管壓力9.0～18.0 MPa，注入時(shí)間30 d；油套環(huán)空注入常溫氮?dú)庥糜诟魺?，注入速? 040 m3/d。燜井3 d后，放噴生產(chǎn)，平均日產(chǎn)液量44.75 m3，日產(chǎn)油量24.09 m3，放噴生產(chǎn)時(shí)間44 d。

注熱期間，測(cè)試了耐高溫井下安全閥、Y241型熱采封隔器和井口穿越裝置的性能:1)當(dāng)注入水當(dāng)量達(dá)到200 t時(shí)，停止注熱，通過(guò)地面液控管線開(kāi)啟、關(guān)閉耐高溫井下安全閥3次，當(dāng)開(kāi)啟壓力和關(guān)閉壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，耐高溫井下安全閥能正常開(kāi)啟和關(guān)閉;2)關(guān)閉耐高溫井下安全閥，將耐高溫井下安全閥以上油管壓力泄掉，測(cè)試30 min后的油管壓力，油管壓力為0，這表明耐高溫井下安全閥在高溫下的密封性能可靠;3)當(dāng)注入水當(dāng)量達(dá)到300 t時(shí)，油套環(huán)空停止注入氮?dú)?，此時(shí)套管壓力為12.0 MPa，將套管壓力泄至5.0 MPa，測(cè)試90 min后的套管壓力為5.0 MPa，這表明Y241型熱采封隔器和隔熱型補(bǔ)償器在高溫下整體密封性能良好，Y241型熱采封隔器的單流閥開(kāi)啟和關(guān)閉靈活；4)在30 d的注熱期間，巡檢采油樹(shù)未發(fā)現(xiàn)井口穿越裝置發(fā)生泄漏，表明井口穿越裝置在高溫下密封可靠。

5 結(jié)論與建議

1) 為提高海上熱采井的安全性，考慮海上熱采井的具體特點(diǎn)，研制了適用于海上熱采井的耐高溫井下安全管柱系統(tǒng)。

2) 室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果均表明，耐高溫井下安全控制管柱系統(tǒng)的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能滿足海上熱井的需求。

3) 目前耐高溫井下安全控制管柱系統(tǒng)只試驗(yàn)了1井次，建議增加試驗(yàn)井次，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果完善耐高溫井下安全控制管柱系統(tǒng)的性能，為海上熱采井提供安全保障。

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[12] 劉花軍，王通，孫永濤，等.新型油管高保溫?zé)崃ρa(bǔ)償器[J].石油機(jī)械，2014，42(9)：69-71.

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[13] GB/T20970—2007/ISO 14130：2001 石油天然氣井工業(yè)：井下工具：封隔器和橋塞[S].

GB/T20970—2007/ISO 14130:2001 Petroleum and natural gas industries:downhole equipment:packers and bridge plugs[S].

[14] SY/T 6304—2013 注蒸汽封隔器及井下補(bǔ)償器技術(shù)條件[S].

SY/T 6304—2013 Technical standard of thermal packer and expansion joint[S].

[15] GB/T 28259—2012 石油天然氣工業(yè)：井下設(shè)備：井下安全閥[S].

GB/T 28259—2012 Petroleum and natural gas industries:downhole equipment:subsurface safety valve equipment [S].

[16] API Spec 14A-2000 井下安全閥設(shè)備規(guī)范[S].

API Spec 14A-2000 Subsurface safety valve equipment specification[S].