稠油熱采工藝中熱力的測試方法研究

王斌

摘要：稠油熱采工藝是遼河油田稠油開采常用的有效開采工藝之一，其注汽溫度最高可達350℃。利用液體膨脹劑在此高溫下產生的體積膨脹力和飽和蒸汽壓力，為熱采工藝中使用的部分井下工具提供動力，實現工具的工藝動作。通常應用最廣泛的這類工具就是熱力封隔器，由于動力來源于熱力，可實現自動坐封，減少了現場操作步驟，節約了生產成本。本文主要對其中一種熱力封隔器使用的熱膨脹藥劑的熱膨脹力進行測試和研究，以指導現場應用。

關鍵詞：稠油熱采;熱膨脹力;熱力封隔器;膨脹劑

0 引言

飽和蒸汽壓是液體工質最基本的物性參數之一，是化工、生產、科研、設計過程中的重要基礎數據，所以掌握測量飽和蒸汽壓的方法具有很大的實際意義。液體飽和蒸汽壓的測量方法主要有三種：靜態法，動態法和飽和氣流法。動態法是指在不同外界壓力下測定液體的沸點，又稱沸點法。動態法與其它兩種方法相比具有操作簡單，結果比較準確的優點，適用于蒸汽壓不太高的液體。

在封閉體系中，當液相的蒸發速度與相應汽相的凝聚速度相等時，體系達到動平衡，此時的蒸汽壓為該溫度下某液體工質的飽和蒸汽壓。液體的飽和蒸汽壓等于外界壓強時的溫度為液體的沸點，因此沸點是隨外界壓強變化的，當液體所受的壓強增大時，它的沸點升高;壓強減小時，沸點降低。當外界壓強為標準大氣壓（101.325kPa）時，稱之為該液體的正常沸點。

遼河油田是中國重要的稠油生產基地，有著豐富的稠油、高凝油資源，其開采方式目前多采用稠油熱采工藝技術。在常規的稠油熱采工藝中，注汽溫度最高可達350℃，注汽壓力可達17MPa。稠油注汽開采中使用的熱力封隔器在設計中利用了高溫下液體膨脹劑膨脹產生的熱力為其提供動力，實現隨溫度升高自動坐封的功能，便于操作的同時也降低了生產成本。本文研究了一種熱力測試方法，利用熱力測試裝置模擬稠油熱采工藝現場進行熱力測試，并將測試數據列表，為熱力封隔器等井下工具的設計和生產提供參考。

1 稠油熱采熱膨脹力的應用

稠油熱采的內部因素很有利于熱膨脹力的應用。Y361的使用是熱膨脹力在稠油熱采中的應用典型。Y361的結構有兩種形式：一種是利用一些金屬在高溫下具有一定的延展性，在熱膨脹力的作用下，將桶狀的金屬密封筒膨脹成鼓形，達到密封的目的，稱為金屬膨脹密封結構;一種是利用液缸壓縮高溫彈性膠筒密封，液缸內的膨脹劑受熱膨脹推動活塞壓縮膠筒，達到密封的目的，稱為熱力壓縮式結構。二者的區別在于金屬密封結構是徑向膨脹，而壓縮式結構是軸向膨脹。

2 熱膨脹力測試裝置

熱膨脹力測試裝置采用高強度鋼材加工而成，主要由頂蓋、活塞、液缸、護帽、密封圈和楔塊構成（圖2-1）。活塞的面積為4000mm2，容積初始高度為25mm，最大容積高度可達75mm。熱膨脹力測試裝置與平板硫化機配合使用。本試驗采用的平板硫化機的型號為XLB-D500×500/1000Ⅲ，其液缸面積為50000mm2，合模力范圍為0～100t，壓力表量程為0～25MPa，溫度范圍為20～250℃，兩平板之間的行程為0～300mm。平板硫化機是橡膠加工成型中必不可少的設備，能給模具提供一定的壓力和溫度，可改變兩平板間的行程。這些特性正好能夠滿足熱力的測試要求。在試驗前先將熱膨脹力測試裝置倒置，用注射器將熱膨脹劑從孔道注入液缸內腔，待注滿后，用鐵錘將楔塊釘入孔道，堆焊牢固、磨平。將裝料完畢的測試裝置準備待用。

3 熱力測試方法的應用

水和水蒸汽由于具有容易獲得、有適宜的熱力性質且不污染環境等優點，是熱力應用的主要工質。熱力系統中用作工質的水蒸汽距液態不遠，工作過程中常有集態的變化，故不宜做理想氣體處理，因此在實際應用中需要從工程學的角度利用這些數據還需要做一些試驗去修正所用的參數。表3-1是通過熱力測試試驗得出的熱力測試數據，可為稠油熱采工藝中井下工具的設計和施工提供參考。

4 結論

（1）熱膨脹力測試裝置可以測量25～250℃溫度范圍內各溫度下膨脹劑所能夠產生的最大膨脹壓力。

（2）熱膨脹力測試裝置也可通過改變體系容積測量不同裝藥量下膨脹劑產生的熱膨脹壓力。

（3）熱膨脹力測試方法安全、準確，能夠為熱力封隔器的設計提供設計所需參考數據。

參考文獻：

[1] Willhite G P.Design Criteria for Completion of Steam Injection Wells[J].JPT，1967，19（1）5～21.

[2] Holliday G H.Calculation of Allowable Maximum Casing Temperature to Prevent Tension Failures in Thermal Wells[C].ASME Paper，1969

[3] 張允真，賈忠慧，朱翠娥，等.注蒸汽井的溫度場及其套管的熱應力[J].石油鉆采工藝，1992，14（4）：59～63.

[4] 崔孝秉，曹玲，張宏，等.注蒸汽熱采井套管損壞機理研究[J].石油大學學報（自然科學版），1997，21（3）：57～64.

[5] 孟祥玉等.勝利油田套管損壞的現狀及建議.石油鉆采工藝，1994;16（2）：10～14