海上稠油熱采井井筒安全設備及其性能研究

余焱群 常宗瑜 綦耀光 薛 鑫

1.中國海洋大學工程學院，青島，2661002.中國石油大學(華東)機電工程學院，青島，266580

海上稠油熱采井井筒安全設備及其性能研究

余焱群1，2常宗瑜1綦耀光2薛 鑫2

1.中國海洋大學工程學院，青島，2661002.中國石油大學(華東)機電工程學院，青島，266580

針對海上平臺有桿采油油管井筒空間的變化，設計了密封油管與抽油桿環空的井筒安全裝置。基于體積不變性原理分析了密封橡膠筒的坐封和解封過程，建立了橡膠筒的力學模型，詳細研究了不同油井壓力下的開井力和關井力。設計的桿管環空密封的新裝置，可解決海上稠油熱采有桿舉升新工藝的井筒安全問題。

海洋平臺；稠油；熱采；井筒安全；力學模型

0 引言

受海洋平臺尺寸的限制及排采工藝的影響，海上采油多采用潛油電泵作為主要的舉升設備[1-3]，而潛油電泵機組耐溫較低，限制了稠油熱采工藝和熱采溫度的選擇。因此，筆者在海上稠油油田嘗試用有桿泵替代潛油電泵，實施“稠油蒸汽吞吐+三抽人工舉升”的新工藝[4]。

1 整體結構設計

海上油井采用的井下安全閥(surface subsurface safety valve，SSSV)可在非正常情況(地震、冰情、強臺風等)時，緊急關閉油井，防止井噴。井下安全閥結構如圖1所示。

圖1 井下安全閥結構圖Fig.1 Structure drawing of SSSV

如圖1所示，高壓液體經控制管線進入活塞腔，推動流管活塞下行，壓縮閥簧，頂開閥板，打開油井；泄去控制壓力，閥板在閥簧作用下復位，關閉油井。井下安全閥采用封閉油管流道實現封井，而新的有桿舉升工藝中，油管流道內有連續的抽油桿，這給油井關閉提出了挑戰。

目前國內外還沒有設備可以在封井時阻斷油管與抽油桿之間的環空，在開井時保障油管與抽油桿之間的環空大小。借鑒井下安全閥控制模式，井筒安全裝置開井時，采用液壓作為動力源；關井時，將高強壓縮彈簧作為主動力源，將液路作為輔助動力源；采用高溫密封橡膠筒作為密封件。

如圖2所示，井筒安全裝置主要由管筒本體、導向錐、高溫密封橡膠筒、微型液壓缸組、模具彈簧、內錐接箍短接、外錐接箍短接等組成。高溫密封橡膠筒與微型液壓缸組及附件組裝成密封主體模塊，通過螺栓連接安裝在井筒安全裝置管筒本體中，兩端接箍短接焊接封裝。

1.內錐接箍短接 2.管筒本體 3.導向錐 4.高溫密封橡膠筒 5.抽油桿 6.微型液壓缸組 7.彈簧 8.外錐接箍短接圖2 井筒安全裝置結構圖Fig.2 Structure drawing of wellbore safety device

井筒安全裝置作為油管的一段下入井中，入井深度約為100 m。向微型液壓缸的有桿腔注液，彈簧收縮，活塞桿帶動高溫密封橡膠筒下行，抽油桿與油管之間的環空打開。微型液壓缸的有桿腔泄壓時，活塞桿在模具彈簧的作用下外伸，高溫密封橡膠筒沿著導向錐進入油管-抽油桿環空，在活塞推力及導向錐的擠壓下變形，抱緊抽油桿，實現油井關閉。若遇油井井壓過高等極端狀況，液壓缸的有桿腔泄壓，無桿腔進液，高溫密封橡膠筒在彈簧力和液壓推力的共同作用下，實現高壓關井。

2 密封關鍵件的設計

井筒安全裝置的關井效果與高溫密封橡膠筒的結構及性能密切相關。稠油熱采井的惡劣井況對密封件的耐高溫、耐高壓及耐磨蝕性提出更高要求。圖2中的高溫密封筒選用新型高溫高壓橡膠材料，該橡膠材料是在原有氟橡膠的基礎上進行配方改性，采用雙酚類硫化體系，使用生膠F2462、雙酚AF、BPP、噴霧碳黑、輕質 MgO、Ca(OH)2，并加入適量MoS2和石墨纖維來提高膠筒耐磨性[5]，改性后的氟橡膠可耐300 ℃以上的高溫。橡膠筒結構尺寸如圖3所示。

圖3 橡膠筒結構圖Fig.3 Structure drawing of rubber sleeve

基于高溫密封橡膠筒結構，建立橡膠筒的截面面積方程：

(1)

Aq=θ1(48+zcot75°)2-100/tanθ1+

20(48+zcot75°)cosθ1-852.184

式中，AⅠ(z)為橡膠筒的截面面積，mm2；z為縱向坐標，mm；Aq為鏤空段的截面面積，mm2。

與高溫密封橡膠筒配合的導向錐結構如圖4所示。基于圖4，建立導向錐內環空的截面面積方程：

AⅡ(z)=

(2)

圖4 導向錐結構圖Fig.4 Structural drawing of guide cone

式中，AⅡ(z)為導向錐內環空的截面面積，mm2。

橡膠筒作為大變形不可壓縮的非線性材料，可以采用體積不變性原理來計算其變形量，聯立式(1)、式(2)可得z=65.597 mm時，橡膠筒的截面面積與導向錐接觸位置內環空的截面積相等。

3 密封關鍵件的受力分析

3.1 坐封井筒受力分析

橡膠筒為軸對稱結構，坐封井筒過程中的受力如圖5所示。圖5中，p為橡膠筒受到的軸向壓力，MPa；po1為管筒本體對橡膠筒的壓力，MPa；po2為導向錐內錐面對橡膠筒的壓力，MPa；pi為油井壓力，MPa；Ff1、Ff2分別為po1、po2對應的摩擦力，N；Ff3、Ff4分別為pi對應橡膠筒外表面、內表面的摩擦力，N。

圖5 橡膠筒的坐封受力圖Fig.5 Setting force diagram of rubber sleeve

根據厚壁圓筒的拉梅公式及平衡方程得z截面任意位置處的應力。徑向應力(MPa)為

(3)

式中，a為橡膠筒變形后的內徑，mm。

環向應力(MPa)為

(4)

軸向應力(MPa)為

(5)

式中，A為橡膠筒下端面的面積，mm2。

Ff1、Ff2、Ff3、Ff4分別為

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，μ1為橡膠筒與本體間的摩擦因數；μ2為橡膠筒與油面的摩擦因數。

在軸向力p的推動下，橡膠筒上行，變形封堵油管與抽油桿之間的環空，最終工況如圖6所示。

圖6 橡膠筒密封油管-抽油桿的環空示意圖Fig.6 Schematic diagram of rubber sleeve sealing annular space of sucker rod and tubing

坐封后橡膠筒受力如圖7所示，圖7中，pu為橡膠筒上部的油壓，MPa；p1為管筒本體對橡膠筒的壓力，MPa；p2為導向錐錐面對橡膠筒的壓力，MPa；p3為導向錐柱面對橡膠筒的壓力，MPa；p4為抽油桿對橡膠筒的壓力，MPa；F1、F2、F3、F4分別為p1、p2、p3、p4產生的摩擦力，N。

圖7 坐封后橡膠筒受力圖Fig.7 Force diagram of rubber sleeve after setting

橡膠筒作為不可壓縮的彈性體，坐封狀態下，根據徑向受力平衡有

(10)

橡膠筒軸向受力平衡后，得到

pA+piAd=F1+F2cos75°+F3+F4+puAu=

μ3(p1A1+p2A2cos75°+p3A3+p4A4)+puAu

(11)

式中，Ad為橡膠筒下方油壓的當量面積，mm2；Au為橡膠筒上方油壓的當量面積，mm2；A1、A2、A3、A4分別為p1、p2、p3、p4的受力面積，mm2；μ3為動摩擦因數，μ3=0.1。

井筒安全裝置安裝于井口下100 m位置，橡膠筒上部的油壓pu=p0+940.8 kPa(p0為井口壓力，一般為1.0～1.5 MPa)，關井瞬間近似有pi=pu。基于式(11)，可得油井常壓2 MPa時關井力為1.027 kN。關井后，井口放空，橡膠筒上方的壓力pu不變，橡膠筒下方的壓力隨著井況變化，實現封井的條件是p3=p4≥pi，即

pA≥μ3pi(A1+A2cos75°+A3+A4)+puAu-piAd

(12)

關井后，油井中的壓力pi≤1.025 MPa時，液壓缸必須保壓，油井壓力pi越大，所需的活塞桿推力越小；當油井壓力pi超過1.025 MPa時，井筒安全裝置可以依靠油井壓力自封，壓力越大，自封效果越好。

3.2 啟封井筒分析

如圖8所示，橡膠筒啟封時，變形過程將歷經3個階段。

圖8 橡膠筒啟封過程Fig.8 Process of rubber sleeve unsealing

首先克服的是橡膠筒第①部分與管筒之間的靜摩擦力，隨著橡膠筒軸向變形，靜摩擦轉為滑動摩擦，至兩者分離。橡膠筒第②部分是錐體結構，第一階段變形結束后，橡膠筒第②部分會自動脫離導向錐的錐面。在活塞桿的拉力作用下，橡膠筒在克服第③、④部分的擠壓力及摩擦力后，整體下行，油管與抽油桿之間的環空打開。

第一階段的最大摩擦阻力：

F1max=μ1p1A1

(13)

第三階段的最大摩擦阻力：

F3max=μ1(p3A3+p4A4)+(pi-pu)Au

(14)

井筒安全裝置在各階段的開井力與油井壓力之間的關系如圖9所示。由圖9可知，油井壓力小于5.208 MPa時，井筒安全裝置最大開井力由第一階段的摩擦力決定；大于5.208 MPa后，最大開井力由第三階段的摩擦力決定。常規油井壓力2 MPa時的開井力為10.254 kN，高壓油井10 MPa時的開井力為55.969 kN。

4 結語

基于海上稠油有桿采油的需要，設計了密封油管與抽油桿環空的井筒安全裝置，井筒安全裝置將液控組件及模具彈簧作為動力源，通過高溫密封橡膠筒的擠壓變形來實現坐封關井和解封開井。基于非線性大變形、不可壓縮材料的體積不變性及拉梅公式，建立了橡膠筒的物理模型和力學模型，研究了不同油井壓力下的開井力和關井力。常規油井壓力2MPa時，關井力為1.027kN，開井力為10.254kN；油井壓力超過1.025MPa時，關井后井筒安全裝置可以依靠油井壓力自封，壓力越大，自封效果越好。

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[2] 董振剛，張銘鈞，張雄，等. 潛油電泵合理選配工藝研究[J].石油學報，2008，29(1)：128-131.DONGZhengang,ZHANGMingjun,ZHANGXiong,etal.StudyonReasonableChoiceofElectricSubmersiblePump[J].ActaPetroleiSinica, 2008, 29(1):128-131.

[3] 侯健，高達，孫建芳，等. 稠油油藏不同熱采開發方式經濟技術界限[J]. 中國石油大學學報(自然科學版)，2009，33(6)：66-70.HOUJian,GAODa,SUNJianfang,etal.EconomicandTechnicalBoundaryValuesofDifferentThermalRecoveryMethodsinHeavyOilReservoirDevelopment[J].JournalofChinaUniversityofPetroleum(EditionofNaturalScience), 2009, 33(6):66-70.

[4] 余焱群,常宗瑜,綦耀光,等.海上稠油熱采井下安全裝置的研究[J]. 東華大學學報(自然科學版), 2016, 42(4):527-531.YUYanqun,CHANGZongyu,QIYaoguang,etal.StudyonDownholeSafetyDeviceofOffshoreHeavyOilThermalRecovery[J].JournalofDonghuaUniversity(NaturalScience), 2016, 42(4):527-531.

[5] 孫磉墩，陳剛，李鵬，等.新型高溫高壓膠筒研制及應用[J]. 石油鉆采工藝，2012，34(S)：81-83.SUNSangdun,CHENGang,LIPeng,etal.DevelopmentandApplicationofaNewTypeofRubberTubewithHighTemperatureandHighPressure[J].OilDrilling&ProductionTechnology, 2012, 34(S):81-83.

(編輯 張 洋)

Research on Wellbore Security Equipment and Performance of Offshore Heavy Oil Thermal Recovery Wells

YU Yanqun1，2CHANG Zongyu1QI Yaoguang2XUE Xin2

1.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao,Shandong,266100 2.College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum(East China), Qingdao,Shandong,266580

A wellbore security device with sealed tubing and annulus was designed in response to spatial changes of wellbores in rod pumping systems. Setting and unseting processes of the rubber sleeves were analyzed based on principle of volume invariance. Mechanics models of the rubber sleeves were established, and the well startup and shut-in forces under different pressures were studied. A new equipment of sealed rods was developed to solve the wellbore security problems in thermal recovery and rod lifting of offshore heavy oil.

offshore platform; heavy oil; thermal recovery; wellbore security; mechanics model

2016-06-07

國家自然科學基金資助項目(51174224);國家科技重大專項(2016ZX05066,2016ZX05042);山東省自然科學基金資助項目(ZR2014El015)

TE933；TE952

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.08.006

余焱群，男，1980年生。中國海洋大學工程學院博士研究生，中國石油大學(華東)機電工程學院副教授。主要研究方向為海洋石油裝備設計和結構動力學研究。發表論文20余篇。E-mail:yuyq_hdpu@126.com。常宗瑜，男，1973年生。中國海洋大學工程學院教授、博士研究生導師。綦耀光，男，1957年生。中國石油大學(華東)機電工程學院教授、博士研究生導師。薛 鑫，男，1992年生。中國石油大學(華東)機電工程學院碩士研究生。