海上蒸汽驱井筒长效安全控制工具研制及应用

胡厚猛, 孙永涛, 孙玉豹, 马增华, 顾启林, 汪 成

(中海油田服务股份有限公司 油田生产研究院，天津 300459)

为了推动渤海油田稠油高效开发，渤海油田先后开展了多元热流体吞吐、蒸汽吞吐、蒸汽吞吐注采一体化等热采工艺的矿场试验[1-4]。随着渤海稠油热采现场试验深入，蒸汽驱作为稠油热采中后期重要的接替技术，也逐渐提上了现场试验的日程。蒸汽驱与其他热采工艺相比，具有注热时间长、井下工况高低温交变的特点，对井筒安全控制工具提出了更高的要求。目前，国内外尚无现场成熟应用的蒸汽驱井筒长效安全控制工具。为此，中海油服油田生产事业部在井下管柱、配套井下工具等方面开展了技术攻关，并在海上首口蒸汽驱井进行了现场试验。

1 管柱设计

蒸汽驱井筒长效安全控制管柱主要由高温井下安全阀、高温环空安全封隔器、高温排气阀和备用排气阀组成，如图1所示。实际工作过程中，高温环空安全封隔器位于井深约200 m处，有效封隔下部环空流体。其上安装有高温排气阀和备用排气阀，高温排气阀使用液控管线与地面液控柜相连接，可以在地面通过加液压和泄压来控制环空通道的开启和关闭，支撑蒸汽驱实施过程中的环空注氮隔热、洗压井等工艺措施[5-6]；封隔器上还安装有备用排气阀，在高温排气阀失效时也能可靠地通过环空加液压来开启环空通道；此外，考虑到蒸汽驱进行温压监测的需求，高温环空安全封隔器还有一定数量的穿越通道，能够配合相关线缆的井下工作。高温井下安全阀布置于高温环空安全封隔器上部，和高温排气阀使用同1根液控管线进行地面控制，能够在注热时通过地面液控柜加液压来开启油管通道，同时还能在紧急状况下通过地面液控柜泄压的方式关闭油管通道，保护地面设备和人员的安全。通过以上布置，既能保证蒸汽驱井在应急状态下的油管和环空通道可靠关断，也很好地配合了蒸汽驱温压监测、高效隔热工艺的开展。

图1 海上蒸汽驱井筒长效安全控制管柱

2 配套工具设计

为了满足海上蒸汽驱长期高温、高低温交变工况、环空通道地面控制、温压监测的要求，设计了高温环空安全封隔器、高温井下安全阀等配套工具。

2.1 高温环空安全封隔器

2.1.1结构及工作原理

高温环空安全封隔器主要由伸缩补偿机构、主体、坐封机构、锁紧机构、密封机构、锚定机构和解封机构组成，如图2 所示。

1-伸缩补偿机构；2-主体；3-坐封机构；4-锁紧机构；5-密封机构；6-锚定机构；7-解封机构。

1) 锚定和坐封。管柱下到设计位置后，地面通过连接在主体上的液控管线加液压，活塞推动坐封机构下行，剪断定位销钉，推动卡瓦伸出，完成卡瓦锚定。继续加液压，完成胶筒坐封。

2) 热伸缩补偿。注热时，蒸汽直接通过油管通道注入，封隔器上部管柱会产生热伸长。在上部管柱的伸长力的作用下，隔热管下行并剪断固定销钉。隔热管与主体间使用金属密封，实现滑动密封，从而实现自补偿功能。

3) 解封。上提管柱，隔热管带动解封块剪断解封销钉，解封块继续上行带动锁爪回收，卡瓦失去支撑而锚定失效，整体管柱上行，释放坐封胶筒，最终完成封隔器解封。

2.1.2 性能参数

高温环空安全封隔器的性能参数如表1。

表1 高温环空安全封隔器性能参数

2.2 高温排气阀

2.2.1 结构及工作原理

高温排气阀主要由上接头、连杆、密封套等部件组成，如图3所示，安装于高温环空安全封隔器上部。上接头上部连接使用NPT卡套密封的液控管线，下部通过静密封连接阀座，阀座内部和密封套也是采用金属密封连接[7-8]，于是形成上部密闭腔体；阀座下部和下接头通过金属密封连接，同时在排气阀关闭时阀座和活塞杆形成球-锥密封，形成下部密封腔体。为了保证活塞杆在上下密封腔之间形成可靠密封，设置了2处滑动密封，分别通过固定压套和垫环将金属密封环固定在密封套内部。地面加液压时，上部密封腔压力增加并压缩弹簧，同时活塞杆下移，下部密封腔和上部环空连通，形成环空通道。地面液控柜泄压时，下部密封腔压力配合弹簧回弹力带动活塞杆上移，活塞杆下部的球-锥密封隔断上下环空。

1-上接头；2-压帽；3-连杆；4-弹簧；5-上固定压套；6-垫环；7-金属密封环；8-密封套；9-下固定压套；10-阀座；11-活塞杆；12-下接头。图3 高温排气阀结构示意

2.2.2 性能参数

高温排气阀的性能参数如表2。

表2 高温排气阀性能参数

2.3 高温井下安全阀

2.3.1结构及工作原理

高温井下安全阀主要由液控机构、复位机构和阀板机构组成，如图4所示。液控机构通过地面液控压力控制，向安全阀传递开启、关闭的夜力；复位机构既是动作的传递机构，也能保证安全阀可靠关闭；阀板机构则具体实现安全阀的开启和关闭动作。在密封结构的设计上，高温井下安全阀采用与高温排气阀相同的金属滑动密封和金属静密封结构，降低研发的风险和成本，提高整体的密封可靠性。

1-液控机构；2-复位机构；3-阀板机构。图4 高温井下安全阀结构示意

高温井下安全阀的工作原理为：安全阀通过液控管线与地面液控柜连接，需要安全阀开启时，地面液控柜加液压，压力推动柱塞向下移动，然后压缩弹簧、带动中心管向下运动，从而顶开阀板，打开安全阀，油管通道打开；当需要关闭安全阀时，地面液控柜泄压，柱塞压力降低，弹簧回弹带动中心管上行，阀板复位后与阀板座形成可靠密封，油管通道关闭。

2.3.2 性能参数

高温井下安全阀的性能参数如表3。

表3 高温井下安全阀性能参数

3 技术特点

1) 海上蒸汽驱井筒长效安全控制管柱设计充分考虑了蒸汽驱井筒高效隔热、井下温压监测以及洗压井等工艺需求。通过地面液控柜控制环空通道和油管通道的方式简单、可靠。

2) 高温环空安全封隔器、高温排气阀和高温井下安全阀采用了通用的全金属结构设计(封隔器胶筒除外)，降低了设计、加工和装配难度，提高了配套工具高低温交变工况下的密封可靠性。

3) 高温环空安全封隔器采用液控管线坐封的方式，结合全金属密封活塞，能够在多次高低温交变后对封隔器进行补压坐封；高温环空安全封隔器采用隔热中心管配合滑动密封方式，既降低了封隔器处热损失，也实现了自补偿功能，减少了入井工具数量。

4 室内高温试验

样机试制完成后，所有工具都进行了高温环境下的室内试验，下面以高温环空安全封隔器为例进行介绍。

4.1 试验装置

高温环空安全封隔器高温室内试验设备主要包括：高温油槽、高温环空安全封隔器、高温环空安全封隔器试验工装、压力平衡容器、压力表和加液压泵。如图5所示，高温环空安全封隔器放置于工装内，拧紧下部端盖，连接坐封及测试管线，然后将封隔器工装放入高温油槽。高温环空安全封隔器试验工装的坐封管线和下腔测试管线分别连接压力平衡容器，防止高温油槽内的热油返出伤害其他设备；封隔器坐封管线和下腔测试管线分别连接压力表和加压泵。

图5 高温环空安全封隔器室内高温试验流程

4.2 试验方法

1) 封隔器坐封管线阶梯加液压至27.5 MPa，将封隔器坐封。

2) 下腔测试管线阶梯加液压至21 MPa，保压15 min，对封隔器进行验封。

3) 将高温油槽升温至350 ℃。

4) 下腔测试管线阶梯加液压至21 MPa，高温下保压8 h[10]。

5) 根据下腔测试管线压力补压至21 MPa，稳压15 min，测试高温下的密封性能。

6) 高温油槽停止加热冷却至室温，下腔测试管线加液压21 MPa，然后稳压15 min，测试高温排气阀回到低温后的密封性能。

7) 重复步骤3～6，共计4个轮次。

4.3 试验结果

多轮次高低温密封试验结果如表4，高温保压曲线如图6，可以看出在350 ℃下，经过6轮次共计41 h的保压，每轮次下腔压力均缓慢下降，每轮次下腔压降均小于3.5 MPa，证明高温环空安全封隔器高温长期密封较为可靠。同时，通过每轮次高温和低温的15 min保压试验，可以看到压降均为0，满足相关标准[11]中压降小于1%的要求。

表4 多轮次高低温密封试验结果

图6 高温环空安全封隔器5轮次高温保压曲线

5 现场应用

研制的蒸汽驱井筒长效安全控制工具，在渤海X油田的B36井进行了现场试验。B36井完钻井深1 752 m，水深12.2 m，采用508 mm隔水导管、339.7 mm表层套管和244.5 mm生产套管与水平段防砂筛管砾石充填完井。该井前期共进行了3轮次的多元热流体吞吐作业，然后转入蒸汽驱。2020-05-21，完成了注热管柱的下入，高温环空安全封隔器、高温排气阀及备用排气阀下入深度为189.1 m，高温井下安全阀下入深度为154.7 m，高温光纤穿越高温环空封隔下入深度1 037.5 m，保证了井下测温工艺的顺利实施。B36井为渤海第1口蒸汽驱井，2020-06-29开始注热，注热温度为280～346 ℃，油管压力6.4～9.7 MPa，套管压力6.0～8.5 MPa，注汽速度8.0～11.8 t/h，环空采用间歇注氮进行隔热。截止2021-08-09，环空通道和油管通道均能正常开启，总注入湿蒸汽和过热蒸汽49 734 t，环空注氮量47 698 m3。

在注热过程中由于地面锅炉停注，产生了多次温度交变，如图7所示，地面液控柜成功多次泄压，安全阀和高温排气阀液控压力保持在27.5～30 MPa内波动，表明高温排气阀和高温井下安全阀长期高低温交变下的液控端的密封性能良好。

图7 高温井下安全阀温度与液控柜压力数据曲线

通过停注期间关闭高温排气阀和不关闭高温排气阀套压的对比，如图8所示，可以看到，2次停注期间，在不关闭高温排气阀的情况下，随着井筒温度的下降，套压不断下降；在关闭高温排气阀的情况下，高温环空安全封隔器封隔了油套环空，套压在短暂变化后长期稳定在5.8 MPa，表明高温环空安全封隔器在长期高低温交变后，仍具有可靠的密封性能。

图8 高温环空安全封隔器密封试验曲线

此外，在注热期间还进行了高温井下安全阀的阀板密封性能测试。在停注期间，关闭高温井下安全阀，释放油管压力后关井，通过图9可以看到，油管压力保持1 MPa，19 h内无压降，套压为6.5～6.4 MPa，表明高温井下安全阀能够可靠关闭，密封性能良好。

图9 高温井下安全阀密封试验曲线

6 结论

1) 针对海上蒸汽驱长期高温工作及高低温交变工况，设计了工艺管柱及高温环空安全封隔器、高温井下安全阀等配套工具。在配套工具设计中，充分考虑了井筒高效隔热、井下温压检测等配套工艺需求，采用了全金属密封机构设计，添加了环空穿越、热伸缩自动补偿、中心管隔热等功能，更加贴合现场应用。

2) 通过5轮次的高低温试验，验证了高温环空安全封隔器、高温井下安全阀等工具的在长期高温密封以及高低温交变工况下的密封性能。

3) 海上蒸汽驱井筒长效安全控制工具在海上第1口蒸汽驱井进行了现场试验，经过1 a的现场应用，高温排气阀、高温井下安全阀保持正常开启，地面液控系统压力保持稳定，各配套工具保持正常工作状态，有力地保障了海上蒸汽驱工艺在第1口试验井的顺利实施。