渤海中深層稠油井注熱管柱優化設計

2018-12-12 02:24:04張彬奇孫玉豹胡厚猛

石油化工應用 2018年11期

張彬奇，姬輝，劉峰，孫玉豹，胡厚猛

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；2.中海油田服務股份有限公司油田生產研究院，天津 300450）

稠油在渤海海域的儲量發現及產能建設中占據著重要的地位[1]，然而稠油油藏在冷采開發方式下開采效果差，部分稠油冷采甚至無開發效益[2]。渤海油區稠油熱采現場試驗結果表明熱采可以明顯地提高稠油開采效果[3-5]。渤海某稠油油田埋藏深度在1 000 m以上，管柱長，熱損失大；都是大斜度水平井，經驗軌跡復雜，管柱易趟壁，造成溫度損失和溫度集中；油井水平段較長，一般大于300 m，存在水平段油藏動用不均甚至局部氣竄的問題。注熱管柱在熱采設計中起著非常重要的作用，不僅要減少溫度損失保證井下蒸汽干度，還擔負著分配注入蒸汽，提高熱利用率的作用。注熱管柱對于注熱效果起著決定性作用。合理的管柱設計能解決以上中深層稠油油藏熱采問題。之前已有對井筒隔熱和均勻注汽方面的研究，孫玉豹等提出的均勻注汽方式沒有考慮到長水平井段地層吸氣能力不一的問題，其提出的隔熱方式沒有考慮接箍散熱以及大斜度井注入管柱與井壁接觸問題[6]。本文對渤海某中深層油田油井，在以上研究基礎上對熱采管柱進行優化設計。

1 隔熱設計

稠油熱采井筒隔熱方式出發點都是減少油管及油套環空的熱損失，注熱段以上使用全隔熱管柱是提高隔熱效果的有效方式。常用的隔熱方式是使用隔熱管柱以及環空充氮隔熱措施，在渤海已有應用，且效果較好[6]。但是該管柱采用的是連續充氮的方式，可能導致注入氣體太多，導致氣竄風險增大，另外也沒有考慮到注入管柱和油管接觸問題以及接箍散熱問題，需要對這幾個方面進行優化設計。

1.1 注入管柱隔熱優化

隔熱油管接箍是散熱風險點，可以使用隔熱接箍保證管柱隔熱性能，形成全隔熱的注熱管柱。該工具主要由內管、外管兩大部分組成，內管和外管通過環形焊縫密閉連接，并對所形成的夾層進行抽真空、填充隔熱材料。推薦使用高真空隔熱油管配合隔熱接箍來達到較好的隔熱效果（見圖1、表1）。

圖1 隔熱接箍示意圖

表1 隔熱油管及工具參數

1.2 環空隔熱方式優化

陸地油田普遍使用高真空隔熱油管或者使用光油管加環空充氮的方式[7]，由于其油井相對較淺，也能達到既保證井底干度也節約成本的目的。海上前期熱采成熟的井筒隔熱方式是隔熱油管+環空連續充氮，能大幅度降低熱損失，并在海上試驗成功。但是這種方式導致注入地層氮氣量大，容易造成氣竄。隨著海上熱采封隔器的研發[8]，海上熱采推薦采用封隔器+高真空隔熱油管+環空補氮的隔熱方式。

陸地油田常用的封隔器有雙向卡瓦液力坐封的Y441封隔器[9]，目前由于雙向卡瓦大斜度井存在解封問題，不適合海上應用，陸地油田應用也減少；Y241封隔器單向卡瓦、單向承壓，一般與Y341封隔器組合使用，存在著工具復雜，可靠性低等問題，陸地油田應用也較少；熱敏封隔器，熱力坐封、無卡瓦，高溫密封可靠、低溫解封；綜合來看熱敏封隔器由于其受熱坐封、降溫解封的工作原理，坐封、解封動作可靠，基本不受井斜結構影響，較為適合在海上應用。

圖2 熱敏封隔器示意圖

表2 熱敏封隔器參數

其主要原理為：坐封時，注熱時隨著井筒溫度的升高，液缸內部的熱脹劑受熱氣化膨脹，推動液缸、脹環上行，使密封件擴張，貼緊套管內壁，實現密封油套環空；解封時，注熱結束后，隨著井筒溫度的降低（≤80℃），液缸內的熱脹劑冷卻收縮形成負壓，使脹環、液缸回縮，密封件產生一定程度的收縮，上提管柱即可完成解封（見圖2、表2）。

注熱流體時，井下溫度迅速升高，必然會引起管柱大幅度伸長，而注熱結束時，溫度降低下來又會引起管柱縮短，因此使用封隔器時，管柱下端的封隔器已經坐封，管柱從井口到封隔器處是固定的，管柱無處伸長，就會發生管柱被壓彎，或引起封隔器位置發生變化，失去密封作用；因此需要井下隔熱補償器來調節和補償。同時隔熱型補償器具有隔熱和傳遞扭矩的功能[8]，可以減少整體管柱的熱量損失，滿足其他作業需求。

1.3 管柱接觸點隔熱設計

海上稠油井筒大部分為大斜度水平井，注熱管柱在下入井中過程中，注熱管柱與套管不可避免相互接觸，特別是隔熱管接箍位置，屬于裸管段，沒有隔熱，當與套管相接觸時，給套管及外部水泥固層帶來危害。

隔熱型扶正器主要用來扶正注熱管柱，確保注熱管柱不與套管內壁接觸，能夠有效的降低注熱過程中的熱量散失，最大限度的降低上述危害的程度。該工具主要由連接部分、隔熱部分和扶正機構三大部分組成。隔熱扶正器通過扶正體上的扶正塊支撐套管壁面，使得扶正器和注熱管柱居于套管的軸線處，防止或減少注熱管柱直接接觸套管內壁，減小熱損失，同時工具本身具有優良的隔熱性能（見圖3、表3）。

2 均勻注汽設計

水平均勻注汽也是影響熱采效果的一個重要方面，根據陸地油田經驗，可以說采用常規注熱管柱，水平段動用程度較低。籠統注汽方式存在水平段動用不均，統計300多口井，水平段動用不均的井占80%；水平井段動用較好的井段占 1/3～1/2[10，11]。

2.1 均勻注汽方式

均勻注汽分為水平井雙管注汽技術、水平井多點注汽技術、水平井分段注汽技術。通過均勻注汽技術的實施，水平段動用程度平均能提高24%。雙管注汽適用于水平段小于300 m的油井，推薦在井筒允許的情況下采用分段注汽（見表4）。

2.2 注汽工具

均勻注汽工具主要是配注閥、水平段分段封隔密封器和水平段油管扶正器。

圖3 隔熱扶正器示意圖

表3 隔熱扶正器參數

在陸地油田常用的帶孔管及常規配注閥的基礎上研制了均衡配注閥，其優勢主要體現在防止熱流體沖擊保護篩管及配注量可調。其耐溫可達350℃，連接螺紋為EU，不會造成井下下入困難，滿足熱采要求。其工作原理為通過注熱管柱下入到設計位置，在注熱過程中，熱流體通過均衡注熱閥內的配注孔進入到中心管與換向套之間的環空，流向改變，沿著中心管方向流出，進入篩管。注熱閥的位置、數量、型號需要根據地質油藏資料、熱流體注入的壓力和流量來設計（見圖4）。

表4 均勻注汽方式對比

圖4 配注閥結構

水平段分段封隔密封器將長水平段分隔成幾個相對獨立的注熱流體單元，相對獨立的注熱流體單元能夠分別進行獨立的注熱，防止層間干擾、改善籠統注熱，提高油藏的采收率。

其工作原理為：當注入熱蒸汽時，由于溫度升高，熱敏金屬開始動作，當溫度達到200℃時，熱敏金屬件即可推動密封膠筒擴張直至與套管內壁接觸，實現初步坐封。初步坐封后，套管內封隔器的上下兩端形成壓力差，通過平衡氣孔的熱蒸汽繼續推動密封膠筒向外擴張，實現了自動坐封。注汽壓力越大，密封壓力也越大，保證了密封的持久性與可靠性。停止注汽后，密封件自動回收，實現解封（見圖5、表5）。

水平井油管扶正器主要是配合水平段分段封隔密封器使用，用于水平井分段注熱保證管柱居中，使水平段分段封隔密封器坐封時密封膠筒均勻膨脹，達到更好的密封效果。

3 設計案例

針對渤海某中深層稠油油田A井進行了管柱設計。該井井深2 400 m，垂深1 400 m，水平段長310 m，根據油藏和ODP要求，注入參數為：注汽干度0.9，注汽速度：12.5 t/h；注汽壓力：18 MPa。應用管柱受力分析軟件分析管柱與井壁的接觸點，設計隔熱扶正器的數量和位置；根據地質分析將地層分為三段，應用均勻注汽設計軟件進行配注閥設計；熱敏封隔器設置在水平段入口，隔熱補償器設置在封隔器上部20 m左右位置。管柱結構和工具設計結果（見圖6、表6、表7）。