高温热采井作业安全控制技术

高温热采井作业安全控制技术
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金业海ꎬ赵智玮ꎬ王兴武ꎬ赵剑锋ꎬ高广启
(中国石化胜利油田分公司ꎬ山东东营㊀
２５７０００)
㊀㊀摘㊀要:油田通过向稠油井注入３５０ħ高温蒸汽开采原油ꎬ为避免作业施工过程中发生高温蒸汽溢出烫伤事故ꎬ开展热采稠油井高温蒸汽安全控制技术研究ꎮ主要研究了井下高温封控装置㊁井下控制开关装置和井口高温防喷装置等技术ꎮ对高温密封材料进行了有限元分析ꎬ开展了高温密封材料弹性性能试验ꎬ得到了高温密封性能参数ꎻ对井下控制开关装置进行了开关可靠性试验ꎬ得出了开关压力控制参数ꎮ通过室内和现场试验证明ꎬ井下高温封控装置耐温达到３５０ħꎬ井下控制开关装置控制成功率１００％ꎬ实现了安全封控高温蒸汽的目标ꎬ提高了作业施工安全性ꎬ避免了高温烫伤事故ꎮ
关键词:稠油ꎻ热采ꎻ高温ꎻ开关ꎻ安全控制ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７２￣７９３２.２０２０.０６.００３㊀㊀在油田的稠油开采过程中ꎬ通过注入蒸汽的方式对稠油进行加热降低粘度而使稠油具有良好的流动性[１]ꎬ蒸汽吞吐和蒸汽驱是目前稠油油藏开发的主要方式ꎮ目前ꎬ胜利油田热采井开井数４３０３口ꎬ每年需要转抽㊁检泵维护作业井数２１３７口ꎮ根据调查分析ꎬ热采井作业是一项高风险施工项目ꎬ注入蒸汽温度高达３５０ħ以上ꎬ地层压力高ꎬ油田每年都发生作业过程高温高压气体溢出烫伤事故
[２]
ꎬ同时存在井喷失控
[３]
的风险ꎮ因此ꎬ
研究一种热采井安全高效作业的工艺ꎬ能有效保护油藏㊁减少污染㊁降低劳动强度㊁提高井控安全性ꎬ满足热采井安全作业要求ꎮ１㊀技术方案
高温热采井作业安全控制技术由井下高温封
控装置[４]和井口高温防喷装置两部分技术组成ꎮ在作业过程中ꎬ井下高温封控装置用于隔离井筒和油藏ꎬ防止高温蒸汽从地层溢出ꎻ井口高温防喷装置ꎬ具有高温防喷㊁高温加载㊁液压控制功能ꎬ用于在井下高温封控装置失效时封控井口ꎬ防止高温蒸汽从井口溢出[５]ꎮ２㊀井下高温封控装置
井下高温封控装置由开关开启关闭装置㊁高温封隔装置和弹簧复位开关组成ꎬ如图１所示ꎮ其工作原理是高温封隔装置将井筒封隔ꎬ达到井下高温蒸汽封隔在地层的目的ꎬ开关开启关闭装置通过压力控制注蒸汽通道开启或关闭ꎬ弹簧复位开关自动关闭注蒸汽通道
ꎮ
图１㊀高温封控装置结构示意
２.１㊀开关开启关闭装置
开关开启关闭装置由剪切环㊁卡环㊁捅杆活塞㊁接头和插封机构组成ꎬ如图２所示ꎮ其技术参数见表１ꎮ
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安全技术㊀㊀
㊀㊀
图２㊀井下开关开启关闭装置结构示意表１㊀开关开启关闭装置技术参数
２.１.１㊀技术原理
开关开启关闭装置随生产管柱下入井内ꎬ利用管柱重量捅开弹簧复位开关ꎬ作业时从套管打压ꎬ使捅杆活塞上移ꎬ关闭开关ꎮ２.１.２㊀性能试验
将开关开启关闭装置㊁连接高温封隔装置和弹簧复位开关ꎬ装于试验套管内加热至３５０ħꎬ从Ａ处箭头所示流道打压ꎬ进行开启关闭和密封性能试验ꎬ如图
３所示ꎮ试验数据见表２ꎬ在密封压差不小于３０ＭＰａ的情况下ꎬ开关开启关闭装置能顺利捅开弹簧复位开关ꎬ套管打压关闭压力在１０ＭＰａ左右ꎬ满足表１开关密封能力２０~３５ＭＰａꎬ关
闭压力８~１２ＭＰａ的要求ꎮ
图３㊀开关开启关闭装置性能试验示意表２㊀开关开启关闭装置性能试验数据
２
.２㊀高温封隔装置
高温封隔装置由高温密封件和高温碟簧组成
ꎬ高温密封件起密封作用ꎬ高温碟簧用来补偿密封件松弛ꎬ以确保密封件始终处于密封状态ꎮ密封件的关键是高温复合密封材料￣ＴＤ３５０ꎮ该密封
材料技术原理是采用膨化预氧丝(３~２０μｍ)为基材ꎬ形成网状骨架ꎬ具有弹性强度ꎬ再融入核级石墨ꎬ使其具有耐温㊁耐腐和润滑性等性能ꎬ最后在其分子矩阵内加入纳米级的交联剂ꎬ形成能够耐
高温高压的高强度高弹性复合材料ꎮ２
.２.１㊀ＴＤ３５０弹性性能试验
利用力学性能试验机和高温老化机进行常温条件和高温老化条件下的弹性性能测试ꎬ如图４所示ꎮ试验得出图５所示的压力与位移曲线关系和表３所列的性能指标ꎮ
图４㊀高温复合密封材料弹性性能试验示意
图５㊀高温复合密封材料弹性性能曲线
表３㊀开关开启关闭装置性能试验数据
２.２.２㊀ＴＤ３５０胶筒结构优化
在得出高温复合密封材料性能基础上ꎬ对坐封后密封组件接触压力与变形进行有限元分析ꎬ通过有限元法分析密封组件结构组合ꎬ由图６得出ꎬ代表应力集中的红色区域主要出现在胶筒上下两端ꎬ是产生材料强度破坏的危险点ꎮ因此ꎬ在胶筒两端和中间采用不同硬度的复合密封材料解决两端的应力集中问题ꎮ
金业海ꎬ等.高温热采井作业安全控制技术
图６㊀ＴＤ３５０胶筒应力
２.２.３㊀高温密封试验
图７所示的试验设备为专用高温密封材料试验装置ꎬ具有加载液压力㊁加热保温和试验数据自动采集功能ꎮ在进行高温试验之前ꎬ首先进行了复合材料ＴＤ３５０常温破碎试验ꎬ即在压缩力２０ＭＰａ时ꎬ径向尺寸从１４７ｍｍ扩展到１７０ｍｍ不能
发生破碎ꎬ经试验未发生破碎ꎬ属正常弹性变形ꎮ然后开展不同温度下的密封压力试验ꎮ从表４的试验数据可验证ꎬ复合材料ＴＤ３５０在３５０ħ时密封压差达２２ＭＰａꎬ耐温耐压持续时间一个月ꎬ能够满足密封压差２０ＭＰａ要求
ꎮ
图７㊀高温复合密封材料胶筒高温密封试验示意
表４㊀高温复合密封材料胶筒密封试验数据
２.２.４㊀分步坐封增力机构
复合材料ＴＤ３５０胶筒的高温密封需要不小于２５Ｔ的坐封力ꎬ比常温密封的坐封力高出１５Ｔꎬ为此设计了分步座封式多级液压缸外置封隔装置ꎬ
增加坐封力ꎬ如图８所示ꎮ
图８㊀分步坐封机构及高温密封装置示意㊀㊀从油管打压ꎬ压力先作用于一级增力机构上ꎬ活塞下行剪断剪钉ꎻ继续打压压力分别作用于二级㊁三级增力机构上ꎬ活塞缸坐封力叠加推动坐封活塞压缩胶筒和卡瓦坐封于套管内壁上ꎬ坐封后下放管柱露出注汽孔进行注汽ꎻ下次作业时下打捞管柱对接后ꎬ上提管柱剪断剪钉即可解封ꎮ
３㊀井口高温防喷装置
井口高温防喷装置在井下高温封控装置失效时起到二级保护作用ꎬ防止高温蒸汽溢出井口ꎮ由高温密封防喷系统㊁加载控制系统和液压控制系统组成ꎬ如图９所示ꎮ高温密封防喷系统在井下高温封控装置失效时密封井口ꎬ是井口高温防喷装置的核心组成部分ꎬ加载控制系统和液压控制系统是井口高温防喷装置的辅助组成部分ꎬ分别为高温密封防喷系统提供管柱夹持力和液压控制力[６]ꎮ
井口高温密封装置和井下高温封控装置在耐
温指标上不同ꎬ井下密封装置由于在井下ꎬ更靠近高温区ꎬ且密封结构件体积小ꎬ可选用价格高的密封材料ꎬ所以耐温指标３５０ħꎬ而井口高温密封装置考虑到油层高温蒸汽到达井口有１０００ｍ左右的沿程温度损失ꎬ根据经验ꎬ一般３５０ħ蒸汽从油层到达井口温度会降到１５０ħ左右ꎬ而且ꎬ井口用密封材料用料多ꎬ不宜选用价格较高的密封材料ꎬ所以选用耐温１６０ħ的普通的氢化丁晴橡胶作为密封体ꎮ现场应用时ꎬ会有个别井井口温度可能
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安全技术㊀㊀
㊀㊀
会超过１５０ħꎬ这时应及时对井口喷水或吹风进行降温处理ꎬ因此ꎬ在现场实施时ꎬ建议现场配上降温设施备用ꎬ确保安全
ꎮ
图９㊀井口高温防喷装置结构示意
㊀㊀针对热采井管柱结构特点ꎬ研制出组合高温剪管防喷装置ꎬ由高压自封总成㊁环封㊁剪管器㊁全封㊁半封和固定卡管器等组成ꎬ实现管柱动静密封和密封失效时剪切管柱ꎬ结构如图１０所示ꎮ高压自封实现管柱起下过程中的动态密封ꎬ通过更换自封芯子分别可密封４
１２㊁３１２㊁２７
８
三种规格的管柱ꎬ密封压力７ＭＰａꎮ半封有４
１２㊁３１２㊁２７８
三种规格ꎬ在管柱静止状态下密封管柱ꎬ密封压力２１ＭＰａꎮ环封用于在起下大直径工具时的管柱密封ꎬ起下大直径工具最大长度１ ２ｍꎬ最大外径１５２ｍｍꎮ剪管器用于在紧急情况下剪断管柱ꎬ确
保井口安全ꎮ主要技术参数见表
５ꎮ
图１０㊀高温密封防喷系统示意
表５㊀高温密封防喷系统技术参数
㊀㊀主要技术特点如下ꎮ
ａ)多级组合高温密封防喷ꎬ满足井内管柱复杂时封控高温蒸汽的要求ꎮ
ｂ)配备剪管器ꎬ一旦井口封控失效ꎬ可剪断
管柱封井实现高温蒸汽封控ꎬ确保万无一失ꎮ４㊀现场试验应用
２０１６年７月ꎬ该技术在现河采油厂草２０￣１０￣
０８１井第一次开展现场试验ꎮ该井采用封控油层ꎬ密封环空工艺进行注汽ꎬ最高注汽温度３３８ħꎮ由于井下封控装置的封控作用ꎬ使得注汽后油套
环空和井口无压力ꎬ井口温度在１ｈ后降到４７ħꎬ在注汽结束当天就起初注汽管柱下入生产管柱实现抽油ꎬ减少作业放喷等待时间７天ꎮ该井注汽参数见表６ꎬ试验效果见表７ꎮ从表７可见ꎬ该井和上次转轴相比ꎬ减少排压井液６０ｍ３
ꎬ增油１３６ｔꎬ井口生产温度提高５ ７ħꎮ
表６㊀草２０￣１０￣０８１井注汽参数
表７㊀草２０￣１０￣０８１井试验效果
金业海ꎬ等.高温热采井作业安全控制技术
在胜利油田纯梁㊁滨南㊁现河㊁孤岛㊁石油开发中心等采油厂推广应用１０３口井ꎬ成功率１００％ꎬ杜绝了作业施工中蒸汽溢出井口烫伤施工人员的事故ꎮ同时ꎬ平均缩短放喷时间６ ５天ꎬ缩短排液时间１０天ꎬ单井节省压井液１１ｍ３ꎬ单井减少蒸汽损失３ １％ꎬ单井累计增油９００ｔꎬ取得了良好的经济效益ꎮ５㊀结论
ａ)高温封隔技术㊁井下开关控制技术和井口高温防喷技术形成了一套较为成熟的注蒸汽井高温安全防控技术ꎮ
㊀㊀ｂ)高温复合密封材料加多级分步坐封技术ꎬ解决了高温密封难题ꎬ密封压力达到２０ＭＰａꎬ耐温达到３５０ħꎮ
ｃ)该技术具备高温安全保护作用ꎬ同时也可产生很好的增产增效效果ꎬ具有良好的推广前景ꎮ６㊀参考文献
[１]㊀高广启.蒸汽驱油井硫化氢安全防治技术[Ｊ].安全㊁健康和环境ꎬ２０１９ꎬ１９(４):２１￣２３.
[２]㊀徐峰ꎬ刘学武ꎬ贺辉宗ꎬ等.石油勘探开发作业危害辨识与风险控制探讨[Ｊ].安全㊁健康和环境ꎬ２０１０ꎬ１０
(２):１２￣１４.
[３]㊀师忠卿ꎬ李汝强ꎬ陈勇.浅谈井下作业的井控本质安全管理[Ｊ].安全㊁健康和环境ꎬ２０１０ꎬ１０(６):５０￣５１. [４]㊀李世荣ꎬ李富波.浅析井控安全管理保障措施[Ｊ].安全㊁健康和环境ꎬ２０１２ꎬ１２(１２):４９￣５１. [５]㊀高广启ꎬ罗文莉ꎬ孟庆鹏ꎬ等.热采井不压井作业技术研究及应用[Ｊ].石油机械ꎬ２０１４ꎬ４２(１２):８７￣８９ꎬ９３. [６]㊀伏健ꎬ王小龙ꎬ高涛ꎬ等.起下立柱带压作业装置的研制与应用[Ｊ].石油机械ꎬ２０１８ꎬ４６(３):１０６￣１０９.
ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＴｈｅｒｍａｌＲｅｃｏｖｅｒｙＷｅｌｌｓ
ＪｉｎＹｅｈａｉꎬＺｈａｏＺｈｉｗｅｉꎬＷａｎｇＸｉｎｇｗｕꎬ
ＺｈａｏＪｉａｎｆｅｎｇꎬＧａｏＧｕａｎｇｑｉ
(ＳＩＮＯＰＥＣＯｉｌＦｉｅｌｄＣｏｍｐａｎｙꎬＳｈａｎｄｏｎｇꎬＤｏｎｇｙ￣ｉｎｇꎬ２５７０００)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｏｉｌｆｉｅｌｄｉｎｊｅｃｔｅｄ３５０ħｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａ￣ｔｕｒｅｓｔｅａｍｉｎｔｏｈｅａｖｙｏｉｌｗｅｌｌｓｔｏｅｘｔｒａｃｔｃｒｕｄｅｏｉｌ.Ｔｈｅｓａｆｅｔｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｈｉｇｈ￣ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｅａｍｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｔｏａｖｏｉｄｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔｏｆｈｉｇｈ￣ｔｅｍ￣ｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｅａｍｏｖｅｒｆｌｏｗａｎｄｓｃａｌｄｉｎｇｄｕｒｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ.Ｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｈｉｇｈ￣ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅａｌｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅꎬｄｏｗｎｈｏｌｅｃｏｎｔｒｏｌｓｗｉｔｃｈｄｅｖｉｃｅａｎｄｗｅｌｌｈｅａｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｌｏｗｏｕｔｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ.Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅ￣ｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈ￣ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅａｌｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｇｅｔｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅａｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅ￣ｔｅｒｓ.Ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔｏｆｔｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｃｏｎｔｒｏｌｓｗｉｔｃｈｄｅｖｉｃｅｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ.Ｉｎｄｏｏｒａｎｄｆｉｅｌｄｔｅｓｔｓｈａｄｐｒｏｖｅｎｔｈａｔｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｒａｔｅｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｗｉｔｃｈｄｅｖｉｃｅｗａｓ１００％ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｓｉｓｔ￣ａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅｒｅａｃｈｅｄ３５０ħ.Ｔｈｅｇｏａｌｏｆｓａｆｅｌｙｓｅａｌｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｈｉｇｈ￣ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｅａｍｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄａｎｄｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄ.
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