顧啟林,馬增華 ,汪 成, 安宏鑫 ,田 宇,章寶玲

(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.海洋石油高效開發(fā)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(zhì)儲量超過24億t,開發(fā)潛力巨大,結(jié)合海上地質(zhì)油藏特征及開發(fā)方式,地下原油黏度超過350 mPa·s的稠油宜采用熱采開發(fā)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(guī)?；茝V應(yīng)用階段,取得了較好的增產(chǎn)效果[2]。稠油油田采用蒸汽吞吐開發(fā)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(shù),而蒸汽驅(qū)技術(shù)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(wǎng)不規(guī)則、井距大,平臺空間有限,安全要求高,開展蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗面臨諸多難點與挑戰(zhàn)。井口裝置是注汽過程中地面控制設(shè)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(qū)效果。關(guān)于熱采井口裝置,國內(nèi)外已開展了相關(guān)研究工作。王斌等[7]研制了一種KR14-337型熱采井口裝置,結(jié)構(gòu)簡單合理,現(xiàn)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(xiàn)不壓井作業(yè);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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(chǎn)中注汽、生產(chǎn)、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(yīng)海上350 ℃高溫多輪次蒸汽吞吐工況要求,實現(xiàn)了冷熱采轉(zhuǎn)換不更換井口裝置。

現(xiàn)役注汽井口裝置雖然在一定程度上滿足了吞吐熱采開發(fā)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(huán)槽腐蝕,閥門開關(guān)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(wěn)定性,以確保蒸汽驅(qū)長效注汽過程的安全性和持續(xù)性,本文研制了一種海上蒸汽驅(qū)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(qū)先導(dǎo)試驗提供了有力的技術(shù)保障。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

海上蒸汽驅(qū)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(qū)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(lián)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(qū)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(huán)空注入井底實現(xiàn)隔熱。采油樹上法蘭及油管懸掛器設(shè)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(xiàn)上法蘭的穿越及密封。停止注汽時關(guān)閉主閥、注熱翼閥。井口及井筒出現(xiàn)應(yīng)急情況時,可遠程快速泄放氣驅(qū)動安全閥控制管線壓力,關(guān)閉氣驅(qū)動安全閥,關(guān)斷井下流體通道。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

壓力等級

20.7 MPa

溫度等級

370 ℃

公稱主通徑

80 mm

側(cè)翼通徑

65 mm

材料等級

EE

規(guī)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(yōu)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(guān)鍵技術(shù)

2.1 平板閘閥設(shè)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(zhì)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(shè)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(xiàn)場人員及時發(fā)現(xiàn)。閥桿采用17-4PH材質(zhì),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(zhì),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(jié)構(gòu)

2.2 油管懸掛器設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)

2.3 液控管線雙級穿越密封設(shè)計

蒸汽驅(qū)注汽井需要下入液控式井下安全閥、封隔器實現(xiàn)井下安全控制,同時下入光纜實時監(jiān)測井下溫度、壓力等參數(shù),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(yán)苛的工況對井口穿越密封帶來了巨大挑戰(zhàn)。針對液控管線及光纜穿越蒸汽驅(qū)注汽井口上法蘭及懸掛器,設(shè)計了“石墨密封+卡套密封”的雙級穿越密封結(jié)構(gòu)(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(shè)計了2道密封結(jié)構(gòu),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(xiàn)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(jié)構(gòu)

2.4 提升整體性能設(shè)計

1) 提高井口裝置規(guī)范級別。將井口裝置規(guī)范級別從PSL2提升至PSL3,并采取嚴(yán)格的質(zhì)量控制,通過對承壓本體、控壓件等關(guān)鍵件進行內(nèi)部超聲波探傷,確保材料內(nèi)部沒有缺陷,從而避免內(nèi)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(xiàn)松弛現(xiàn)象,容易導(dǎo)致連接處出現(xiàn)松動、泄漏等情況。使用高強度螺栓能夠減緩松弛現(xiàn)象發(fā)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(jié)合,金屬包邊石墨填料環(huán)(如圖5),既保留了柔性石墨良好的密封性能和易激發(fā)的特性,又提高了與介質(zhì)接觸一側(cè)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(dǎo)致密封失效的可能性。

圖5 金屬包邊石墨密封結(jié)構(gòu)

4) 套升補償結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)部設(shè)置有套管熱應(yīng)力補償機構(gòu)[18],預(yù)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(huán)空的要求,有效抑制了因套管熱應(yīng)力變形引起的井口抬升問題,滿足長期安全注汽要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2020-06,蒸汽驅(qū)注汽井口裝置應(yīng)用于海上某蒸汽驅(qū)先導(dǎo)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(jīng)歷了多次設(shè)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(wěn)定可靠,閥門開關(guān)靈活,實現(xiàn)了21個月不動管柱,為該油田蒸汽驅(qū)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?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,研制的蒸汽驅(qū)長效注汽井口裝置滿足蒸汽驅(qū)長效密封要求,為蒸汽驅(qū)提供了堅實的安全保障,達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

圖6 拆檢后的長效注汽井口密封情況

4 結(jié)論

1) 海上蒸汽驅(qū)長效注汽井口結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)合理,密封性能穩(wěn)定可靠,使用效果良好,滿足了海上蒸汽驅(qū)長期高溫高壓以及多輪次冷熱交變工藝需求,實現(xiàn)了注汽21個月無刺漏、不動管柱,為某油田海上蒸汽驅(qū)先導(dǎo)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(tǒng)新穎的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了井口密封長期安全可靠。

3) 海上蒸汽驅(qū)長效注汽井口裝置是保障蒸汽驅(qū)長期運行重要的安全屏障,建議繼續(xù)優(yōu)化閥門及密封結(jié)構(gòu),探索海上平臺注汽井口安全快速維保技術(shù),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。