海上蒸汽驅井筒長效安全控制工具研制及應用

胡厚猛, 孫永濤, 孫玉豹, 馬增華, 顧啟林, 汪 成

(中海油田服務股份有限公司 油田生產研究院，天津 300459)

為了推動渤海油田稠油高效開發，渤海油田先后開展了多元熱流體吞吐、蒸汽吞吐、蒸汽吞吐注采一體化等熱采工藝的礦場試驗[1-4]。隨著渤海稠油熱采現場試驗深入，蒸汽驅作為稠油熱采中后期重要的接替技術，也逐漸提上了現場試驗的日程。蒸汽驅與其他熱采工藝相比，具有注熱時間長、井下工況高低溫交變的特點，對井筒安全控制工具提出了更高的要求。目前，國內外尚無現場成熟應用的蒸汽驅井筒長效安全控制工具。為此，中海油服油田生產事業部在井下管柱、配套井下工具等方面開展了技術攻關，并在海上首口蒸汽驅井進行了現場試驗。

1 管柱設計

蒸汽驅井筒長效安全控制管柱主要由高溫井下安全閥、高溫環空安全封隔器、高溫排氣閥和備用排氣閥組成，如圖1所示。實際工作過程中，高溫環空安全封隔器位于井深約200 m處，有效封隔下部環空流體。其上安裝有高溫排氣閥和備用排氣閥，高溫排氣閥使用液控管線與地面液控柜相連接，可以在地面通過加液壓和泄壓來控制環空通道的開啟和關閉，支撐蒸汽驅實施過程中的環空注氮隔熱、洗壓井等工藝措施[5-6]；封隔器上還安裝有備用排氣閥，在高溫排氣閥失效時也能可靠地通過環空加液壓來開啟環空通道；此外，考慮到蒸汽驅進行溫壓監測的需求，高溫環空安全封隔器還有一定數量的穿越通道，能夠配合相關線纜的井下工作。高溫井下安全閥布置于高溫環空安全封隔器上部，和高溫排氣閥使用同1根液控管線進行地面控制，能夠在注熱時通過地面液控柜加液壓來開啟油管通道，同時還能在緊急狀況下通過地面液控柜泄壓的方式關閉油管通道，保護地面設備和人員的安全。通過以上布置，既能保證蒸汽驅井在應急狀態下的油管和環空通道可靠關斷，也很好地配合了蒸汽驅溫壓監測、高效隔熱工藝的開展。

圖1 海上蒸汽驅井筒長效安全控制管柱

2 配套工具設計

為了滿足海上蒸汽驅長期高溫、高低溫交變工況、環空通道地面控制、溫壓監測的要求，設計了高溫環空安全封隔器、高溫井下安全閥等配套工具。

2.1 高溫環空安全封隔器

2.1.1結構及工作原理

高溫環空安全封隔器主要由伸縮補償機構、主體、坐封機構、鎖緊機構、密封機構、錨定機構和解封機構組成，如圖2 所示。

1-伸縮補償機構；2-主體；3-坐封機構；4-鎖緊機構；5-密封機構；6-錨定機構；7-解封機構。

1) 錨定和坐封。管柱下到設計位置后，地面通過連接在主體上的液控管線加液壓，活塞推動坐封機構下行，剪斷定位銷釘，推動卡瓦伸出，完成卡瓦錨定。繼續加液壓，完成膠筒坐封。

2) 熱伸縮補償。注熱時，蒸汽直接通過油管通道注入，封隔器上部管柱會產生熱伸長。在上部管柱的伸長力的作用下，隔熱管下行并剪斷固定銷釘。隔熱管與主體間使用金屬密封，實現滑動密封，從而實現自補償功能。

3) 解封。上提管柱，隔熱管帶動解封塊剪斷解封銷釘，解封塊繼續上行帶動鎖爪回收，卡瓦失去支撐而錨定失效，整體管柱上行，釋放坐封膠筒，最終完成封隔器解封。

2.1.2 性能參數

高溫環空安全封隔器的性能參數如表1。

表1 高溫環空安全封隔器性能參數

2.2 高溫排氣閥

2.2.1 結構及工作原理

高溫排氣閥主要由上接頭、連桿、密封套等部件組成，如圖3所示，安裝于高溫環空安全封隔器上部。上接頭上部連接使用NPT卡套密封的液控管線，下部通過靜密封連接閥座，閥座內部和密封套也是采用金屬密封連接[7-8]，于是形成上部密閉腔體；閥座下部和下接頭通過金屬密封連接，同時在排氣閥關閉時閥座和活塞桿形成球-錐密封，形成下部密封腔體。為了保證活塞桿在上下密封腔之間形成可靠密封，設置了2處滑動密封，分別通過固定壓套和墊環將金屬密封環固定在密封套內部。地面加液壓時，上部密封腔壓力增加并壓縮彈簧，同時活塞桿下移，下部密封腔和上部環空連通，形成環空通道。地面液控柜泄壓時，下部密封腔壓力配合彈簧回彈力帶動活塞桿上移，活塞桿下部的球-錐密封隔斷上下環空。

1-上接頭；2-壓帽；3-連桿；4-彈簧；5-上固定壓套；6-墊環；7-金屬密封環；8-密封套；9-下固定壓套；10-閥座；11-活塞桿；12-下接頭。圖3 高溫排氣閥結構示意

2.2.2 性能參數

高溫排氣閥的性能參數如表2。

表2 高溫排氣閥性能參數

2.3 高溫井下安全閥

2.3.1結構及工作原理

高溫井下安全閥主要由液控機構、復位機構和閥板機構組成，如圖4所示。液控機構通過地面液控壓力控制，向安全閥傳遞開啟、關閉的夜力；復位機構既是動作的傳遞機構，也能保證安全閥可靠關閉；閥板機構則具體實現安全閥的開啟和關閉動作。在密封結構的設計上，高溫井下安全閥采用與高溫排氣閥相同的金屬滑動密封和金屬靜密封結構，降低研發的風險和成本，提高整體的密封可靠性。

1-液控機構；2-復位機構；3-閥板機構。圖4 高溫井下安全閥結構示意

高溫井下安全閥的工作原理為：安全閥通過液控管線與地面液控柜連接，需要安全閥開啟時，地面液控柜加液壓，壓力推動柱塞向下移動，然后壓縮彈簧、帶動中心管向下運動，從而頂開閥板，打開安全閥，油管通道打開；當需要關閉安全閥時，地面液控柜泄壓，柱塞壓力降低，彈簧回彈帶動中心管上行，閥板復位后與閥板座形成可靠密封，油管通道關閉。

2.3.2 性能參數

高溫井下安全閥的性能參數如表3。

表3 高溫井下安全閥性能參數

3 技術特點

1) 海上蒸汽驅井筒長效安全控制管柱設計充分考慮了蒸汽驅井筒高效隔熱、井下溫壓監測以及洗壓井等工藝需求。通過地面液控柜控制環空通道和油管通道的方式簡單、可靠。

2) 高溫環空安全封隔器、高溫排氣閥和高溫井下安全閥采用了通用的全金屬結構設計(封隔器膠筒除外)，降低了設計、加工和裝配難度，提高了配套工具高低溫交變工況下的密封可靠性。

3) 高溫環空安全封隔器采用液控管線坐封的方式，結合全金屬密封活塞，能夠在多次高低溫交變后對封隔器進行補壓坐封；高溫環空安全封隔器采用隔熱中心管配合滑動密封方式，既降低了封隔器處熱損失，也實現了自補償功能，減少了入井工具數量。

4 室內高溫試驗

樣機試制完成后，所有工具都進行了高溫環境下的室內試驗，下面以高溫環空安全封隔器為例進行介紹。

4.1 試驗裝置

高溫環空安全封隔器高溫室內試驗設備主要包括：高溫油槽、高溫環空安全封隔器、高溫環空安全封隔器試驗工裝、壓力平衡容器、壓力表和加液壓泵。如圖5所示，高溫環空安全封隔器放置于工裝內，擰緊下部端蓋，連接坐封及測試管線，然后將封隔器工裝放入高溫油槽。高溫環空安全封隔器試驗工裝的坐封管線和下腔測試管線分別連接壓力平衡容器，防止高溫油槽內的熱油返出傷害其他設備；封隔器坐封管線和下腔測試管線分別連接壓力表和加壓泵。

圖5 高溫環空安全封隔器室內高溫試驗流程

4.2 試驗方法

1) 封隔器坐封管線階梯加液壓至27.5 MPa，將封隔器坐封。

2) 下腔測試管線階梯加液壓至21 MPa，保壓15 min，對封隔器進行驗封。

3) 將高溫油槽升溫至350 ℃。

4) 下腔測試管線階梯加液壓至21 MPa，高溫下保壓8 h[10]。

5) 根據下腔測試管線壓力補壓至21 MPa，穩壓15 min，測試高溫下的密封性能。

6) 高溫油槽停止加熱冷卻至室溫，下腔測試管線加液壓21 MPa，然后穩壓15 min，測試高溫排氣閥回到低溫后的密封性能。

7) 重復步驟3～6，共計4個輪次。

4.3 試驗結果

多輪次高低溫密封試驗結果如表4，高溫保壓曲線如圖6，可以看出在350 ℃下，經過6輪次共計41 h的保壓，每輪次下腔壓力均緩慢下降，每輪次下腔壓降均小于3.5 MPa，證明高溫環空安全封隔器高溫長期密封較為可靠。同時，通過每輪次高溫和低溫的15 min保壓試驗，可以看到壓降均為0，滿足相關標準[11]中壓降小于1%的要求。

表4 多輪次高低溫密封試驗結果

圖6 高溫環空安全封隔器5輪次高溫保壓曲線

5 現場應用

研制的蒸汽驅井筒長效安全控制工具，在渤海X油田的B36井進行了現場試驗。B36井完鉆井深1 752 m，水深12.2 m，采用508 mm隔水導管、339.7 mm表層套管和244.5 mm生產套管與水平段防砂篩管礫石充填完井。該井前期共進行了3輪次的多元熱流體吞吐作業，然后轉入蒸汽驅。2020-05-21，完成了注熱管柱的下入，高溫環空安全封隔器、高溫排氣閥及備用排氣閥下入深度為189.1 m，高溫井下安全閥下入深度為154.7 m，高溫光纖穿越高溫環空封隔下入深度1 037.5 m，保證了井下測溫工藝的順利實施。B36井為渤海第1口蒸汽驅井，2020-06-29開始注熱，注熱溫度為280～346 ℃，油管壓力6.4～9.7 MPa，套管壓力6.0～8.5 MPa，注汽速度8.0～11.8 t/h，環空采用間歇注氮進行隔熱。截止2021-08-09，環空通道和油管通道均能正常開啟，總注入濕蒸汽和過熱蒸汽49 734 t，環空注氮量47 698 m3。

在注熱過程中由于地面鍋爐停注，產生了多次溫度交變，如圖7所示，地面液控柜成功多次泄壓，安全閥和高溫排氣閥液控壓力保持在27.5～30 MPa內波動，表明高溫排氣閥和高溫井下安全閥長期高低溫交變下的液控端的密封性能良好。

圖7 高溫井下安全閥溫度與液控柜壓力數據曲線

通過停注期間關閉高溫排氣閥和不關閉高溫排氣閥套壓的對比，如圖8所示，可以看到，2次停注期間，在不關閉高溫排氣閥的情況下，隨著井筒溫度的下降，套壓不斷下降；在關閉高溫排氣閥的情況下，高溫環空安全封隔器封隔了油套環空，套壓在短暫變化后長期穩定在5.8 MPa，表明高溫環空安全封隔器在長期高低溫交變后，仍具有可靠的密封性能。

圖8 高溫環空安全封隔器密封試驗曲線

此外，在注熱期間還進行了高溫井下安全閥的閥板密封性能測試。在停注期間，關閉高溫井下安全閥，釋放油管壓力后關井，通過圖9可以看到，油管壓力保持1 MPa，19 h內無壓降，套壓為6.5～6.4 MPa，表明高溫井下安全閥能夠可靠關閉，密封性能良好。

圖9 高溫井下安全閥密封試驗曲線

6 結論

1) 針對海上蒸汽驅長期高溫工作及高低溫交變工況，設計了工藝管柱及高溫環空安全封隔器、高溫井下安全閥等配套工具。在配套工具設計中，充分考慮了井筒高效隔熱、井下溫壓檢測等配套工藝需求，采用了全金屬密封機構設計，添加了環空穿越、熱伸縮自動補償、中心管隔熱等功能，更加貼合現場應用。

2) 通過5輪次的高低溫試驗，驗證了高溫環空安全封隔器、高溫井下安全閥等工具的在長期高溫密封以及高低溫交變工況下的密封性能。

3) 海上蒸汽驅井筒長效安全控制工具在海上第1口蒸汽驅井進行了現場試驗，經過1 a的現場應用，高溫排氣閥、高溫井下安全閥保持正常開啟，地面液控系統壓力保持穩定，各配套工具保持正常工作狀態，有力地保障了海上蒸汽驅工藝在第1口試驗井的順利實施。