海上热采井筒隔热工艺管柱研制与应用

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(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中海油服 油田生产事业部，天津 300459)

在热采井中，由于井筒和周围环境存在较大的温度差，井筒中热流体携带的热量会向周围散失。大量的热量损失一方面会降低蒸汽干度，影响注汽效果；另一方面可能会使套管发生热应力损坏，甚至影响到水泥环[1]。为了提高注汽效果，降低开采成本，保护套管和水泥环，需采取一定的技术和工艺对热采井井筒进行隔热处理。

渤海海域稠油储量十分丰富，对渤海油田稳产增产具有十分重要的作用[2]。目前采用热采开发的油田，例如南堡35-2油田、旅大27-2油田等，油藏埋深多在900m以上，埋藏深且多为水平井，主要采用隔热油管+环空注氮气的井筒隔热工艺[3]，存在以下不足：①向环空中注入氮气，一方面会增加作业成本，另一方面会增加气窜的风险[4]，进而影响到热采效果；②使用的隔热油管接箍不具有隔热功能，在接箍处的热损失大[5-6]；③在井斜大的井段，注汽管柱存在“贴壁”现象，和套管内壁直接接触，使热损失增加。为了进一步提高海上热采井注汽管柱的整体隔热性能，降低热损失，提高热采效果，研制了海上热采井筒隔热工艺管柱，可提高海上稠油蒸汽吞吐、蒸汽驱开采的安全性及有效性。

1 工艺管柱结构及特点

1.1 设计思路

1) 注汽管柱的隔热。采用高真空隔热油管作为蒸汽的注入通道，减少热损失；隔热油管之间采用隔热型接箍连接，降低接箍处的热能损失，确保注汽管柱整体具有良好的隔热性能[7-8]。

2) 油套环空的密封。在防砂段上部采用热采封隔器将油套环空密封，封隔器上部油套环空充满氮气，防止高温高压流体窜入上部油套环空，保护套管和水泥环，延长油井的使用寿命。

3) 注汽管柱的热补偿。采用隔热型伸缩管补偿注汽管柱的伸长或缩短[9]，避免注汽管柱弯曲变形，并确保封隔器的密封位置和效果。

4) 注汽管柱的扶正。采用隔热型扶正器扶正注汽管柱，有效减少注汽管柱与套管内壁的接触面积，降低热损失，保护套管和水泥环。

1.2 管柱结构

该工艺管柱主要由高真空隔热油管、隔热型油管接箍、热敏封隔器、隔热型伸缩管以及隔热型扶正器等组成,如图1所示。隔热型工具能有效减少井筒热损失，提高井底注汽干度，热敏封隔器密封油套环空，减少氮气的注入量。

图1 海上热采井筒隔热工艺管柱结构示意

1.3 技术特点

1) 管柱适用于套管外径为ø244.5 mm的中深层大斜度热采井。

2) 管柱选用外径为ø114.3 mm的高真空隔热油管，隔热等级为E级，隔热油管之间通过隔热型接箍连接[9]，井斜程度大的井段安装隔热型扶正器，提高管柱整体的隔热性能，有效减少井筒沿程热损失。

3) 采用热敏封隔器密封油套环空，封隔器以上油套环空充满氮气，作业安全、简便、经济且密封可靠、持久。

4) 管柱采用隔热型伸缩管,具有良好的滑动密封性能和隔热性能。

5) 管柱耐温350 ℃,耐压21 MPa。

2 主要配套工具

2.1 热敏封隔器

2.1.1结构及工作原理

该封隔器主要由中心管、锁紧机构、密封机构、坐封机构与液体膨胀剂等组成，如图2所示。其工作原理是将封隔器下到设计位置，注汽开始后，在高温流体的加热作用下，热胀剂汽化膨胀，推动密封件扩张，密封油套环形空间，同时锁环与中心管锁紧，防止密封件回弹，封隔器实现坐封；注汽结束后，随着井筒温度的降低密封件收缩，上提管柱实现解封[3]。

1—中心管；2—锁紧机构；3—密封机构；4—坐封机构；5—液体膨胀剂。

2.1.2技术特点

1) 利用热胀剂受热体积膨胀完成坐封，不需要地面坐封操作，坐封简便。

2) 密封件采用特种耐高温材料，两端加有保护装置，且具有锁紧装置，从而提高了封隔器的密封效果和使用寿命。

3) 无锚定机构，不会对套管造成损害，随着井筒温度的降低实现解封，解封安全。

2.1.3主要技术参数

最大外径 ø210 mm

内通径 ø76 mm

坐封温度 200～260 ℃(耐温350 ℃)

高温耐压 21 MPa

解封载荷 <50 kN

2.2 隔热型伸缩管

2.2.1结构及工作原理

该伸缩管主要由隔热接箍、内管、密封机构、连接机构、隔热外管与传递转矩机构等组成，如图3所示。其工作原理是将伸缩管下到设计位置；注汽时，随着温度的升高注汽管柱伸长，此时伸缩管的内管就缩进隔热外管内；停止注汽，温度降低注汽管柱缩短，伸缩管的内管从隔热外管中伸出[6]。另外，上提中心管时，承重接头的凸凹槽与密封盒的凹凸槽啮合，此时伸缩管能够整体旋转，可实现传递转矩。

1—隔热接箍；2—内管；3—密封机构；4—连接机构；5—隔热外管；6—传递转矩机构。

2.2.2技术特点

1) 采用复合密封材料，具有良好的滑动密封和耐温耐压性能。

2) 本体及接头均采用复合式隔热结构设计，具有良好的隔热性能。

3) 补偿效果明显，且具有传递转矩功能，可满足旋转管柱作业的需求。

2.2.3主要技术参数

最大外径 ø168 mm

内通径 ø76 mm

补偿距 1 700 mm

耐温 350 ℃

高温耐压 21 MPa

隔热等级 D级

2.3 隔热型油管扶正器

2.3.1结构及工作原理

该扶正器主要隔热接箍、隔热主体、弹性扶正机构与固定机构等组成，如图4所示。其工作原理是采用多组沿周向分布的扶正块，确保注汽管柱的居中效果[6]，减少接触面积；利用多组弹簧实现扶正块的回收和弹出，下入管柱期间遇阻时扶正块能回缩，确保管柱的正常下入。

1―隔热接箍；2―隔热主体；3―弹性扶正机构；4―固定机构。

2.3.2技术特点

1) 采用多组扶正块均匀排列方式，使扶正器在周向上受力均匀，确保管柱的居中效果。

2) 扶正块内放置多组圆柱弹簧，弹性扶正结构确保扶正块的扶正力。

3) 本体及接头均采用复合式隔热结构设计，具有良好的隔热性能。

2.3.3主要技术参数

最大外径 ø190 mm

内通径 ø76 mm

耐温 350 ℃

高温耐压 21 MPa

隔热等级 D级

2.4 隔热型油管接箍

2.4.1结构及工作原理

该接箍由外管、接箍体与隔热层组成,如图5所示。接箍连接在隔热油管之间，在接箍处形成密封隔热夹层，从而降低隔热管接箍处的热损失[10]。

图5 隔热型油管接箍

2.4.2技术特点

采用复合式隔热结构设计，并抽真空、添加吸气剂，具有良好的隔热性能。

2.4.3主要技术参数

最大外径 ø136 mm

耐温 350 ℃

高温耐压 21 MPa

隔热等级 D级。

3 现场应用

2017-04，该井筒隔热工艺管柱在渤海某油田X1井进行了现场应用。该井为水平井，井深1 578 m，采用多元热流体吞吐开采。注入参数为温度262 ℃，压力13.5 MPa，排量3.8 t/h，注入量3 000 t；井口参数为油压6.5 MPa，套压6.6 MPa。采用隔热型工具，进一步提高了井筒隔热性能及注热质量，热敏封隔器密封油套环空，减少了氮气的注入量，有效减缓了气窜情况。

4 结论

1) 综合考虑注汽管柱的隔热、热补偿、扶正以及油套环空的密封，研制了海上热采井筒隔热工艺管柱及关键配套工具，耐温耐压性能好，安全可靠。

2) 与传统的隔热工艺管柱相比，该工艺管柱能够减少氮气的注入量，从而节约作业成本、减缓气窜的程度；降低隔热油管接箍处的热损失，减少管柱的贴壁现象，进一步减少热损失，提高热采开发的效果和安全性。

3) 随着海上稠油热采区块进入吞吐开采后期，将转入蒸汽驱开采阶段，井筒隔热工艺将成为影响注汽井使用寿命、蒸汽驱效果的一个关键因素。该工艺管柱可为蒸汽驱提供很好的技术保障。