水平井隔热注采一体化管柱优化设计

【摘 要】针对水平井隔热注采一体化管柱存在的热力补偿器拉伸和注汽时套压控制难的问题，通过力学计算和分析，设计了一种新的水平井用热力补偿系统，采用地面拉伸和井下打压拉伸相结合的方式，确保补偿器在水平段完全拉伸，并研制配套了油套压力自动平衡器，通过现场应用，验证了系统的可行性，实现了热采水平井隔热注采一体化技术的规模应用。

【关键词】水平井隔热 热力补偿 压力平衡

1 目前稠油热采水平井隔热注汽采油管柱存在的问题

1.1热力补偿器拉伸问题

常见的稠油热采直井隔热管柱，热力补偿器安装在管柱中部，依靠下部管柱自重，确保在注汽之前是补偿器是拉伸状态[1-2]，但是稠油热采水平井受到水平井段长、油稠等因素影响，在下管柱过程中管柱与套管内壁接触产生摩擦、油稠遇阻（井筒内原油粘度大）等因素，导致管柱受阻后将热力补偿器顶回至收缩状态，造成注汽时后管柱挤压弯曲。因此在稠油热采水平井，只能采取下隔热管柱注汽、下采油管柱转抽两次作业，不仅浪费了大量的作业成本和蒸汽热能，而且作业转抽时施工难度大，风险高，极易出现井涌、井喷事故。

1.2注汽时套压控制难度大

在注汽过程中，若关闭套管闸门注汽，环空液体受热蒸发，套压升高，导致管柱和套管因受压力过高而被挤坏；若套管放压过多，导致封隔器上下受力不均，蒸汽通过封隔器截面上顶管柱，造成热力补偿器失效，管柱弯曲，通过人工操作控制套压存在难度大、安全性差的问题。

针对以上问题，设计一种新的水平井热力补偿系统，该系统能解决热力补偿器失效的问题，同时实现油套压差自动调节，以保证合理的套压，实现热采水平井一趟管柱满足隔热注汽、采油两项需要（简称为水平井隔热注采一体化管柱），减少频繁作业和热能损失。

2 水平井隔热注采一体化管柱优化设计

2.1设计思路

研制适应热采水平井的热力补偿器，采用地面拉伸和井下打压拉伸相结合的方式，确保热力补偿器在水平段完全打开伸长；研制油套压力自动平衡器，实现套压始终小于或等于注汽压力，解决套压控制问题。

2.2 结构原理

水平井隔热注采一体化管柱结构如图1所示，由隔热油管、热力补偿器、油套压力平衡器、定压阀等组成。在下完管柱后通过井口正打压使其完全伸出，定压阀销钉剪断前使管柱形成密闭空间，补偿器完全伸出后继续打压剪断销钉，形成注采通道。注汽过程油管受热伸长，热力补偿器起补偿作用。当环空液体受热蒸发膨胀，套压大于注压时压力平衡器被打开，注套压达到平衡。

注汽时，只需在地面上提抽油杆将抽油泵活塞提出工作筒，打开注汽通道实施注汽；注汽转抽时下放抽油杆，调好防冲距即可实现采油，实现水平井隔热注汽采油一体化。

1-套管；2-隔热管；3-抽油杆；4-热力补偿器；5-水平泵；

6-油套压力平衡器；7-隔热封隔器；8-定压阀；9-筛管；10-导向丝堵

2.3热力补偿器

热力补偿器结构如图2所示，由外套和活塞组成，采用石墨碳纤维盘根密封，耐高温高压、耐磨，活塞可以在外套内伸缩滑动，通过调整盘根数量和压紧程度调节开启压力。注汽时管柱伸长活塞回缩起热补偿作用。热力补偿器主要技术参数如表2。

2.4油套压力平衡器

为简化现场操作，保障现场人员安全，提高井下管柱安全性，设计了油套压力平衡器，结构如图3所示，工作原理如下：

主要由弹簧和小球组合而成的单流阀构成。当套压>油压，单流阀被顶开，油套连通，套压减小；当套压≤油压，弹簧和蒸汽作用在单流阀上，油套连通通道关闭。油套压力平衡器主要技术参数如表2。

2.5定压阀

定压阀结构如图4所示，包括1上接头、2外筒、3阀罩、4限位弹簧、5阀芯、6定压销钉、7阀座、8下接头。工作原理如下：

当管柱下到设计位置后，通过油管打压，液体通过阀罩3上面的孔进入，压力作用在阀芯5上面，使阀芯5座在阀座7上面并密封，管柱内憋压。

当管柱内升压达到热力补偿器的开启压力后，热力补偿器开始伸出，继续升压（或保持压力），热力补偿器完全打开伸长，同时剪断定压销钉6，将阀罩3、限位弹簧4、阀芯5、定压销钉6、阀座7一起打掉，落入下面的导向丝堵中，形成注采通道。

当下井遇阻需要反洗井时，从油套环空打压，压力作用在阀芯5下端面，阀芯5受到向上的压力后离开阀座7并上顶限位弹簧4，反洗通道打开实现反洗井。反洗井结束后，在限位弹簧4的弹力作用下将阀芯5复位座落在阀座7上，阀芯关闭。

3 现场应用

热采水平井注采一体化管柱热力补偿系统于2012年10月在楼平2、楼平3井进行试验， 并于2013年开始推广应用，截止2014年12月已累计应用89口井，工艺成功率98%，实现了水平井注采一体化管柱的规模应用。

4 结语

水平井热力补偿系统的成功，有效地解决了热采水平注采一体化管柱井存在的问题，减少了热采水平井作业成本和蒸汽热损失，降低了工人操作强度，实现了水平井注采一体化管柱的规模应用，改善了热采油田经济开发效益。

参考文献：

[1] 王东，陈磊.井下工具高温试验井系统[J].石油矿场机械，2009，38（7）：75-79.

[2] 李志方，高诚辉，林有希.聚四氟乙烯的摩擦学性能[J].塑料工业，2005，28（1）31-32.

[3] 李洪.实用机床设计手册[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，2005：78-79.

专利技术：国家实用新型专利 （ZL201320492307.9）

作者简介：宋明臣（1982-），男，河南南阳人，采油工程师，主要从事石油开采与生产技术管理工作。