挑戰海上熱采配套工具世界難題

□ 楊建英 常換芳 趙 亮

挑戰海上熱采配套工具世界難題

□ 楊建英 常換芳 趙 亮

“既然接了這個項目，就必須拿下。”

6月中旬，中海油服再次給河南油田工程院打來電話，提出繼續合作意向。一個服務海洋石油的上市公司為什么會青睞一家陸上油田科研單位？

這源自他們之間的第一次友好合作。

今年3月19日，河南油田工程院歷經一年多艱難攻關，獨立自主完成的《海上熱采防污染管柱配套工具的研制及工具高溫工況試驗》項目，順利通過中海油服的驗收。該院研制的這套工具在實際應用中效果良好，不僅填補了國內外技術空白，而且為進一步開拓外部市場打開了新天地。

勇接“燙手芋”

2013年5月，河南油田采油工程技術專家馬宏偉接到中海油服科研人員的求助電話。對方說，他們在9.625英寸套管井防污染熱采技術上遇到了瓶頸。

海上石油開采，對環保要求非常高，稠油熱采防污更是世界難題。目前國內普遍采用的壓井防噴技術會對油層產生冷傷害，造成油層污染，如果壓井液比重過小，還有可能發生井噴造成海上污染。

中海油服需要一種能夠控制開關的防污染管柱，實現不壓井作業。但是，目前國內現有的井下工具密封件，要么耐高溫高壓，要么耐中低溫高壓，缺少高低溫下均耐高壓的封隔器。國際上也在探索階段，沒有現成的經驗可供借鑒。中海油服在向多家油田求助均遭婉拒后，不得已找到河南油田工程院。

“我院具有成熟的陸地稠田熱采技術和40年的熱采經驗，以前在密封件方面有一些積累，有實力完成這個項目。”首次涉足海上石油開采領域的工程院院長魏淋生勇敢接受了這個“燙手芋”，“與中海油服合作一旦成功，將使工程院的舞臺從陸地拓展到海洋，實現海上業務零的突破”。

2013年6月，工程院與中海油服正式簽訂《海上熱采防污染管柱配套工具的研制及工具高溫工況試驗》項目研發合同。

造“門”先制“鎖”

合同簽訂后，以馬宏偉為總負責的工程院項目組成員，通過大量查閱資料、實地調研，提出了一種適合海上熱采井工況條件的防污染工藝方案，獲得通過。由于沒有成功的經驗可以參考，所有的工具都需要自主研發。

這個項目的關鍵是選到合適的封隔器，而封隔器的密封件是其核心部件。“如果把封隔器比作一扇自動開關門的話，密封件就是門上的鎖。鎖如果做不好，門就無法設計。”馬宏偉說。

要造門，先制鎖。他們買來兩個國外的封隔器試驗，失敗了。在制鎖材料的選擇上，他們先選擇國內常用的碳纖維復合膠筒試驗，發現不能滿足海上熱采350攝氏度時耐壓20兆帕的要求。采用改性聚四氟乙烯試驗，發現它具備耐高溫高壓性能，但當溫度降到200攝氏度時，封隔器漏失，只好再次放棄。

通過反復篩選，他們欣喜地發現柔性石墨抗腐蝕、耐高溫、耐熱沖擊，在低溫下也能正常使用。石墨膠筒沒有成品，他們就把購買的石墨環壓碎，自制磨具動手壓制。試驗發現，壓制好的石墨膠筒封隔器在高溫及低溫環境下都能密封良好，可是十分嬌貴，在組裝和搬運時，稍有磕碰就會破損，影響膠筒的密封性能。

“如此嬌貴的密封件怎能適用于惡劣的海上熱采作業環境呢？”馬宏偉愁上心頭。

那時，一年半的項目研發時間已經快過去一半了，項目組還被困在細枝末節上。大家心急如焚。

“既然接了這個項目，就必須拿下，否則人就丟大了。能否換個思路解決問題呢？”院長魏淋生鼓勵他們。

項目組又重整旗鼓，向膠筒的密封問題發起進攻。一天，馬宏偉忽然靈感乍現：“能不能以石墨為主體，再為它制造一個抗高溫高壓的薄薄的保護套？就像我們吃的餅干，也是一碰就碎，可是一層薄薄的包裝紙就讓它安全無損了。”

說干就干。經過反復試驗和摸索，馬宏偉創造性地研制出了以柔性石墨為主體、改性聚四氟乙烯膠套為保護套的組合密封件。經過50多次高低溫交替試驗、改進、優化，最終達到了密封要求。這項成果，填補了國內超高溫密封材料的空白。

茶壺激發靈感

“鎖”制好后，“門”的難題又出現了。

海上熱采井的套管內徑是220.5毫米，大直徑防污染熱采懸掛密封器是實現熱采防污染工藝的重要工具。這么大直徑的封隔器國內聞所未聞，也無處借鑒，又得自己研制工具。而且海上稠油開采成本高，打一口井動輒數億元，設計出來的封隔器必須能夠下得去、封得住、起得出。

封隔器的設計是一個系統的工程。它主要由坐封機構、鎖緊機構、密封部件、懸掛部件、脫手機構等組成，要求機構之間配合可靠，零件之間活動靈活。設計初期，馬宏偉采用常規的單密封方式、雙級活塞坐封機構。在試驗過程中，封隔器發生漏失，耐壓性能達不到要求。他們反復討論，最后確定采取雙密封機構，通過下密封助推卡瓦錨定機構，使密封性能大大提高。他們還設計出6種不同尺寸的卡瓦結構，反復試驗20多套次，摸索出最佳尺寸，使錨定和密封性能終于達到了合同要求的指標。

海上熱采管柱要實現防污染功能，需要單流機構，在注汽和采油時連通地層，燜井時自動關閉，以此達到不壓井的目的。但是在熱采井高溫狀況下，單流閥的設計難度非常大：既要耐高溫高壓，又要滿足閥體在開啟和關閉的動作轉換時的密封。密封機構的設計相當困難，大家絞盡了腦汁。

一天，馬宏偉在家吃飯，看到餐桌上放著的茶壺，眼前一亮：“如果單流開啟裝置也像茶壺開啟一樣，不就好了嗎？”他放下飯碗，抱著茶壺就跑向辦公室。

難題逐個被攻破。受油田科研基地試驗井井深的限制，項目組來到長葛試驗工房對管柱進行中間井試驗，論證方案的可行性。李輝、司光禮、陳升宏、楊柏陽四位科研人員長期堅守在那里，有時候一個月也回不了一次家。210毫米外徑、2米多長、重達180千克的海上熱采工具，著實讓他們吃不消。一次又一次地試驗，來來回回地起下，工具拆了連，連了又拆，一天下來，讓人筋疲力盡。“全當是健身了，等試驗做完，我們也都一個個成肌肉男了。”在緊張的工作之余，他們互相打趣對方。

經過連續三個月的中間井試驗和反復改進，熱采防污染工藝管柱全部達到技術指標要求。管柱在高溫注汽和中低溫起出時，均密封可靠。注汽管柱和生產管柱轉換過程中不需要壓井，有效地避免了壓井作業帶來的地層污染。他們設計的熱采懸掛密封器采用卡瓦錨定和靜液壓楔入式輔助鉚釘結構，采取雙重密封方式，懸掛可靠，密封可靠，同時解封可靠。他們采用插桿控制井下旋板開關的開啟和關閉，可反復開關，并且開關的狀態容易判斷。

2015年3月19日，《海上熱采防污染管柱配套工具的研制及工具高溫工況試驗》項目以充足的數據、充分的論證，獲得了中海油服的高度評價，海上熱采防污染工藝技術填補國內外技術空白。同時，該院的“一種多輪次高低溫膠筒及制備方法”“一種熱采井懸掛密封器及專用撈矛”申請了國家發明專利，“井筒防噴開關器及采油泵組”申請了國家實用新型專利。

“創新是企業發展不竭的動力。工程院科研人員以不畏艱險的精神和永不停歇的腳步，獨立自主地開展海上工具的研制開發，成功地將發展的舞臺從陸地拓展到了海洋，為進一步開拓外部市場打開了一片新天地。”在新研發的海上熱采工具正式起運發往客戶前，魏淋生對工程院的明天充滿了信心。

（作者單位：河南油田）