海上耐高温井下安全控制管柱系统的研制

王 通， 孙永涛， 白健华， 马增华， 蒋召平， 李海涛

(1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津300459；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300459)

渤海油田自2008年开始先后在N区块和L区块推广应用稠油热采技术，截至2016年11月已应用了近30井次，取得了良好的开采效果。但由于国内外现有井下安全控制管柱系统达不到耐温350 ℃的要求[1-7]，其采用的注热管柱是没有井下安全控制工具的简易注热管柱，而海洋石油相关安全生产规定要求海上生产井的生产管柱需采用井下安全控制管柱。因此，为了保证稠油热采的安全，笔者通过优选耐高温密封材料、采用全金属密封等方法研制了耐温350 ℃的井下安全控制管柱系统，其关键工具包括Y241型热采封隔器、耐高温井下安全阀、隔热型补偿器和井口穿越装置。室内试验和现场试验均表明，所研制的井下安全控制管柱系统的结构设计合理，常温和高温下的密封性能可靠、操作灵活，均达到了海上热采作业的要求。

1 注热井对井下安全控制管柱性能的要求

符合海洋安全生产规定的井下安全控制管柱(自下而上)为引鞋、普通油管(含若干配注阀)、变扣、加压球座和隔热油管(含Y241型热采封隔器+补偿器+耐高温井下安全阀)，如图1所示。其中，井下安全控制包含油管通道安全控制和油套环空安全控制2方面。

图1 海上热采井下安全控制管柱系统的结构Fig.1 Structure of down-hole safe control pipe in offshore well with thermal production

油管通道安全控制主要是通过井下安全阀控制油管通道的开启关闭，但目前常规井下安全阀只能耐温150 ℃，而注热期间井下温度最高可达350 ℃，因此要求井下安全阀能耐温350 ℃，且要求其在注热结束后的放喷期间依然能正常开启关闭。由于井下安全阀需要通过液控管线在地面进行控制，因此要求液控管线井口穿越装置能够在常温及高温下均具有良好的密封性能。注热期间液控管线井口穿越装置一旦发生刺漏，将危及平台人员及设备的安全，因此液控管线井口穿越装置的耐温耐压性能应与采油树相同，即能耐温350 ℃和耐压35 MPa，以保证注热期间的井口安全。

油套环空安全控制是通过Y241型热采封隔器封闭油套环空。海上油井在注蒸汽或注多元热流体期间会连续或间断地从油套环空内注入氮气，以达到减少井筒热损失、提升管柱隔热性能等目的[8-10]，因此，要求Y241型热采封隔器具有双通道结构，以防止井下流体通过环空上返，允许环空内的氮气由上而下注向井底。此外，隔热型补偿器与Y241型热采封隔器连接后一起下入井内，可以补偿管柱的伸长或缩短，防止管柱变形或因管柱热应力引起封隔器失效。隔热型补偿器也要具有良好的隔热性能。

2 耐高温井下安全控制关键工具

耐高温井下安全控制管柱系统的关键工具包括Y241型热采封隔器、隔热型补偿器、耐高温井下安全阀和井口穿越装置。

2.1 Y241型热采封隔器

2.1.1 基本结构

Y241型热采封隔器(又称双通道热采封隔器)主要由坐封锁紧机构、锚定机构、密封机构、环空注氮机构和解封机构等组成，如图2所示。

坐封锁紧机构主要由活塞、缸套、大锁环、小锁环和锁套组成。锚定机构主要由卡瓦、锥体和卡瓦罩组成。密封机构由胶筒、碟簧和坐封套组成。环空注氮机构主要由球阀、弹簧、弹簧罩和下接头组成。解封机构主要由上接头、指形爪套、指形爪管、解封销钉和中心管组成。

Y241型热采封隔器具有以下特点：

1) 氮气通道末端采用单流阀，在承受井筒下部高压的同时允许油套环空注入的氮气通过封隔器注向井底。

2) 耐高温胶筒采用了分散柔性石墨加改性聚四氟乙烯的组合密封方式，不仅在常温下具有良好的密封性，而且能够在350 ℃高温下保持密封可靠性，并且经过多轮次高低温后仍能保持密封[11]。

图2 Y241型热采封隔器的结构Fig.2 Structure of the Y241 type packer for thermal production1.上接头；2.提拉套；3.指形爪套；4.解封销钉；5.锥体；6.中心管；7.卡瓦；8.指形爪管；9.卡瓦护罩；10.防坐封销钉；11.胶筒；12.坐封销钉；13.碟簧；14.坐封套；15.小锁环；16.大锁环；17.缸套；18.活塞；19.内孔道；20.加压孔；21.注氮孔道；22.球阀；23.弹簧；24.弹簧罩；25.下接头

2.1.2 工作原理

Y241型热采封隔器下入井内后，从油管加压，坐封机构依次推动卡瓦撑开锚定机构、坐封胶筒，锁紧机构锁紧以防止密封件回弹，完成坐封。然后，从油套环空注入氮气，当注入压力大于Y241型热采封隔器以下环空压力时，Y241型热采封隔器的注氮阀打开，氮气注向井底。上提管柱即可解封，若遇卡可以顺时针旋转管柱，上接头与中心管脱开，上提取出封隔器以上管柱，再进行打捞。

2.1.3 主要技术参数

Y241型热采封隔器长2 105 mm，最大外径为210.0 mm，内通径为76.0 mm，适用于内径为220.5～224.4 mm的套管，两端为φ88.9 mm EU螺纹，坐封压差24～26 MPa，耐温350 ℃，耐压21 MPa。

2.2 隔热型补偿器

2.2.1 基本结构

隔热型补偿器[5]主要由中心管、隔热上接箍、内密封组件、隔热管、承重接头、中间接箍和下接头组成，如图3所示。隔热上接箍包括接箍本体、隔热体和接箍外管。内密封组件包括压环、隔热环、密封材料、压帽和密封盒。隔热管组件包括内管、外管和隔热体。隔热型补偿器的本体及接箍均采取复合隔热结构，具有良好的隔热性能，能减少热损失，提高注热效果。

2.2.2 工作原理

隔热型补偿器用于补偿注热期间高温引起的井下管柱的伸长，同时具有隔热和传递扭矩的功能。注热时，随着温度升高，注热管柱会伸长，此时注热管柱中隔热型补偿器的内中心管缩进隔热外管内;注热结束或注热过程中由于其他原因停注导致温度下降时，隔热型补偿器的内中心管就会伸出，以补偿注热管柱的缩短。补偿器上提时，补偿内管上的凹凸槽与密封机构上的凸凹槽啮合，此时内外管可同时旋转，以满足管柱传递扭矩的要求[12]。

图3 隔热型补偿器的结构Fig.3 Structure of thermodynamic insulated tubing compensator1.隔热上接箍；2.中心管；3.压帽；4.内密封组件；5.密封盒；6.中间接箍；7.隔热管；8.承重接头；9.下接头

2.2.3 主要技术参数

隔热型补偿器长4 326 mm(含补偿距2 000 mm)，最大外径为145.0 mm，内通径为62.0 mm，两端为φ88.9 mm EU螺纹，耐温350 ℃，耐压21 MPa。

2.3 耐高温井下安全阀

2.3.1 基本结构

耐高温井下安全阀主要由上接头、液控接头、内密封、柱塞、弹簧、外筒、中心管、阀座、阀门、扭簧和下接头组成，如图4所示。

图4 耐高温井下安全阀的结构Fig.4 Structure of heat-resistant down-hole safety valve1.上接头；2.液控接头；3.内密封；4.柱塞；5.弹簧；6.外筒；7.中心管；8.阀座；9.阀门；10.扭簧；11.下接头

目前井下工具常用的弹性密封材料，如丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶和环氧树脂等在350 ℃高温下均会失去密封作用，所以耐高温井下安全阀采用了全金属密封结构。耐高温井下安全阀的柱塞与柱塞腔体采用C形金属密封，阀门与阀座采用锥面对锥面的金属密封；耐高温井下安全阀的主体(包括上接头、外筒和下接头)均采用金属密封螺纹连接。

2.3.2 工作原理

井下安全阀的上接头设计有液压孔，从液压孔处加压，液压驱动柱塞向下移动，柱塞推动连接的弹簧和中心管向下运动，当中心管接触到阀门上的平衡塞时，阀门上下液体连通建立压力平衡，继续加压，中心管向下顶开阀门，井下安全阀处于打开状态。当需要关闭安全阀时，泄掉上接头处液压孔的压力，弹簧回位，中心管和柱塞在弹簧的作用下回至初始位置，阀门失去支撑，在扭簧回复扭矩的作用下阀门与阀门座紧密贴合，井下安全阀关闭，达到隔离井下油气的目的。

2.3.3 主要技术参数

耐高温井下安全阀长度1 260 mm，最大外径为160.0 mm，内通径为71.45 mm，两端为φ88.9 mm EU螺纹，耐温350 ℃，耐压35 MPa。

2.4 井口穿越装置

2.4.1 基本结构

井口穿越装置由内卡套、外卡套、NPT接头和压紧螺母组成。为满足耐高温350 ℃的要求，井口穿越装置也采用了金属密封。

2.4.2 工作原理

在热采井采油树上开有φ6.35 mm液控管线通孔，通孔的上端制有φ19.05 mm NPT接头螺纹，在压紧螺母的作用下，外卡套与NPT接头压紧密封，内卡套分别与外卡套密封、液控管线外表面压紧密封。

2.4.3 主要技术参数

井口穿越装置长50 mm，内通径为8.0 mm，端部为φ19.05 mm NPT螺纹，适用于φ6.35 mm液控管线，耐温350 ℃，耐压35 MPa。

3 室内试验

为检验各井下安全控制管柱系统关键工具的运动部件是否动作良好，以及在常温和高温下的密封是否可靠，是否能达到注热的要求，进行了室内试验。

3.1 Y241型热采封隔器性能测试

3.1.1 常温试验

以水为试验介质，参照文献[13-14]在常温下进行地面试验和井下试验，检验封隔器的坐封性能、解封性能、承压性能、锚定性能和解封负荷。

试验过程中，封隔器坐封动作灵活、无卡阻，封隔器整体耐压35 MPa，不渗不漏，钢件不变形。封隔器的坐封力为23～25 MPa，坐封距为94～97 mm；其锚定力超过1 050 kN，锚定可靠；封隔器承受的单向工作压差达到32 MPa；解封顺利，解封力为100～120 kN。这表明，封隔器动作设计合理，坐封与解封顺利，常温下密封可靠。

3.1.2 高温试验

以高温氮气为试验介质，参照文献[10-11]将Y241型热采封隔器下入到试验井进行耐高温试验，结果见表1。

表1高温下Y241型热采封隔器承压试验结果

Table1Dataofpressure-bearingoftheY241typepackerforthermalproductionunderhightemperatures

序号试验温度/℃油管压力/MPa封隔器下压力/MPa封隔器上压力/MPa备注1350.022.5622.320第一轮高温2350.021.1020.930保温8h3350.021.2121.030462.821.5721.390第一轮降温5350.021.6321.450第二轮高温6350.021.2621.050保温8h7350.021.4821.300828.621.6521.460第二轮降温

由表1可以看出：Y241型热采封隔器能耐350 ℃高温、21 MPa压力；经过高低温交替，密封压差仍能达到21 MPa。这表明，Y241型热采封隔器的耐温、耐压和密封性能均达到了设计要求。

3.2 耐高温井下安全阀性能测试

以高温导热油为介质，参照文献[15-16]在常温和350 ℃高温下进行耐高温井下安全阀开关和密封试验，结果为：井下安全阀的开启压力为11.0～11.7 MPa，关闭压力为9.6 MPa，阀门开启和关闭顺畅，开关液控压力符合要求；工作压力为35 MPa；整体耐压达50 MPa；密封良好，液控管线无渗漏。这表明，耐高温井下安全阀的启闭灵活性、密封性、耐温性及开启和关闭的灵活性达到了设计要求。

3.3 井口穿越装置性能测试

热采井井口设备体积较大，且影响因素复杂，因此根据井口穿越装置的结构，设计了液控管线穿越模拟试验装置，如图5所示。以高温导热油为试验介质，利用该装置进行井口穿越装置常温和高温350 ℃下的密封试验，发现无论是在常温下还是在高温350 ℃下，加压至35 MPa后均稳压10 min以上。这表明，井口穿越装置在常温和高温350 ℃下的密封性能可靠，达到了设计要求。

图5 液控管线穿越模拟试验装置Fig.5 Testing devices for crossing of hydraulic pipelines

4 现场试验

为了检验耐高温井下安全控制管柱系统能否在高温下长时间正常工作，该管柱系统在渤海油田A区块的B27井进行了5个月的试验。B27井完钻井深2 813.05 m，水深12.20 m，采用φ508.0 mm隔水导管、φ339.7 mm表层套管和φ244.5 mm生产套管与防砂筛管完井。耐高温井下安全阀、隔热型补偿器和Y241型热采封隔器分别位于井深191.38，222.03 和227.22 m处。

注入多元热流体的温度244～289 ℃，注入水排量3.0～5.6 t/h，注入水当量2 600 t，油管压力9.0～17.6 MPa，套管压力9.0～18.0 MPa，注入时间30 d；油套环空注入常温氮气用于隔热，注入速度3 040 m3/d。焖井3 d后，放喷生产，平均日产液量44.75 m3，日产油量24.09 m3，放喷生产时间44 d。

注热期间，测试了耐高温井下安全阀、Y241型热采封隔器和井口穿越装置的性能:1)当注入水当量达到200 t时，停止注热，通过地面液控管线开启、关闭耐高温井下安全阀3次，当开启压力和关闭压力达到设计压力时，耐高温井下安全阀能正常开启和关闭;2)关闭耐高温井下安全阀，将耐高温井下安全阀以上油管压力泄掉，测试30 min后的油管压力，油管压力为0，这表明耐高温井下安全阀在高温下的密封性能可靠;3)当注入水当量达到300 t时，油套环空停止注入氮气，此时套管压力为12.0 MPa，将套管压力泄至5.0 MPa，测试90 min后的套管压力为5.0 MPa，这表明Y241型热采封隔器和隔热型补偿器在高温下整体密封性能良好，Y241型热采封隔器的单流阀开启和关闭灵活；4)在30 d的注热期间，巡检采油树未发现井口穿越装置发生泄漏，表明井口穿越装置在高温下密封可靠。

5 结论与建议

1) 为提高海上热采井的安全性，考虑海上热采井的具体特点，研制了适用于海上热采井的耐高温井下安全管柱系统。

2) 室内试验及现场试验结果均表明，耐高温井下安全控制管柱系统的性能达到了设计要求，能满足海上热井的需求。

3) 目前耐高温井下安全控制管柱系统只试验了1井次，建议增加试验井次，根据试验结果完善耐高温井下安全控制管柱系统的性能，为海上热采井提供安全保障。

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