海上油田长效注汽井口技术研究与应用.pdf

年 第 卷第期第 页石 油 矿 场 机 械O I LF I E L DE Q U I PME N T ,():文章编号:()海上油田长效注汽井口技术研究与应用顾启林,马增华,汪成,安宏鑫,田宇,章宝玲(中海油田服务股份有限公司 油田生产事业部,天津 ;海洋石油高效开发国家重点实验室,北京 )摘要:海上油田蒸汽驱注汽井长期处于高温高压以及冷热交变工况条件下,地面安全控制要求高.常规吞吐式井口难以满足长期密封性能要求,影响井口及管柱更换周期.研制了一种新型海上热采长效注汽井口.通过优化油管悬挂器、平板闸阀以及液控管线双级穿越密封结构设计,采用高强度连接螺栓,提升关键部件材质以及密封材料性能,特殊的表面处理工艺等技术,形成了海上蒸汽驱长效注汽井口关键技术.该井口具有良好的耐高温高压、耐腐蚀耐冲蚀以及长效密封性能,解决了热采井口装置易刺漏的问题,实现了海上蒸汽驱长期注汽的地面安全控制.现场应用结果表明,海上蒸汽驱长效注汽井口装置在 高温注汽以及冷热交变工况下,实现了 个月无刺漏,密封性能安全可靠,取得了良好的应用效果.海上油田长效注汽井口技术的成功研发,为海上水平井蒸汽驱先导试验项目提供坚实的安全保障和技术支撑.关键词:海上油田;蒸汽驱;井口装置;双级穿越密封中图分类号:T E 文献标识码:Ad o i:/j i s s n Z L Q 型高温钻井液冷却装置.对换热部件进行选型和计算,使其能满足大排量高温钻井液的冷却需求.)对比在用的钻井液冷却系统,Z L Q 型高温钻井液冷却装置具有模块化结构设计、多流程冗余设计和一键式恒温自控技术等特点,解决了设备超限运输和现场安装等问题.采用一键式自动控制,匹配不同工况需求,运用管路通断执行器、步进电机、气动蝶阀联动,实现系统多流程冷却、自动恒温、反冲洗和液位补偿等功能,同时解决了部件故障或换热器堵塞而长时间停机难题,提高运行效率和稳定性.)现场应用表明,高温钻井液冷却装置的运行效果达到设计预期.在深井、超深井钻井作业中应用该装置,可显著降低钻井液的循环温度,保障井下仪器稳定工作,提高固控系统的易损件寿命,助力钻井作业提质增效.参考文献:马青芳钻井液冷却技术及装备综述J石油机械,():马喜伟,马青芳天然气水合物钻井液冷却系统设计研究J石油机械,():赵江鹏,孙友宏,郭威钻井液冷却技术发展现状与新型钻井液冷却系统的研究J探矿工程(岩土钻掘工程),():刘彪,李双贵,杨明合,等钻井液温度控制技术研究进展J化学工程师,():李亚伟,王斌斌,董怀荣,等钻井液地面冷却系统方案设计及关键参数计算J中外能源,(S):B e r n a r d u s,J o h a n n e s A p p a r a t u sF o rT h eC o o l i n gO fD r i l l i n gL i q u i d s:E P B P V r i e l i n k,H a n kJ o h n,B r a d f o r d,e ta l S u c c e s s f u lA p p l i c a t i o nO f C a s i n g Wh i l e D r i l l i n gI n A C a n a d i a n A r c t i cP e r m a f r o s tA p p l i c a t i o nR S p e ,J a yJ o h nT h i e s s e n,E d m o n t o nCA D r i l l i n gM u dC o o l i n gS y s t e m:U S A B P 高杭,刘海涛钻井液冷却系统概念设计J石油矿场机械,():余建祖换热器原理与设计M北京:北京航空航天大学出版社,收稿日期:基金项目:天津市科技领军企业认定及重大项目“海上中深层特稠油热采关键技术研究及应用”(Y D L Z C G ).作者简介:顾启林(),男,山东兰陵人,高级工程师,年毕业于中国石油大学(北京)油气田开发专业,现从事海上稠油开采技术研究及应用工作,E m a i l:g u q l c o s l c o m c n.R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fL o n g t e r mS t e a mI n j e c t i o nW e l l h e a dT e c h n o l o g yf o rO f f s h o r eO i l f i e l dGU Q i l i n,MAZ e n g h u a,WANGC h e n g,AN H o n g x i n,T I ANY u,Z HANGB a o l i n(C O S L,T i a n j i n ,C h i n a;S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fO f f s h o r eO i lE x p l o i t a t i o n,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:An e wt y p eo fl o n g l i f es t e a mi n j e c t i o nw e l l h e a df o ro f f s h o r et h e r m a lp r o d u c t i o nh a sb e e nd e v e l o p e dt om e e t t h e l o n g t e r ms e a l i n gp e r f o r m a n c eo f c o n v e n t i o n a l t h r o u g h p u tw e l l h e a d s,w h i c ha f f e c t s t h e r e p l a c e m e n t c y c l eo fw e l l h e a d s a n d t u b i n gc o l u m n s T h ek e y t e c h n o l o g y f o r t h el o n g l i f es t e a mi n j e c t i o nw e l l h e a dh a sb e e nd e v e l o p e db yo p t i m i z i n gt h ed e s i g no f t h et u b i n gs u s p e n s i o n,f l a tg a t ev a l v e,a n dl i q u i dc o n t r o ll i n ed o u b l e s t a g ec r o s s i n gs e a ls t r u c t u r e,a d o p t i n gh i g h s t r e n g t hc o n n e c t i n gb o l t s,u p g r a d i n gt h em a t e r i a lo fk e yc o m p o n e n t sa n ds e a l i n gm a t e r i a lp e r f o r m a n c e,a n ds p e c i a ls u r f a c et r e a t m e n tp r o c e s s T h ew e l l h e a dh a sg o o dr e s i s t a n c et oh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e,c o r r o s i o na n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e,a n dl o n g l a s t i n gs e a l i n gp e r f o r m a n c e,w h i c hs o l v e s t h ep r o b l e mo f e a s yp e n e t r a t i o na n d l e a k a g eo f t h e t h e r m a l e x t r a c t i o nw e l l h e a dd e v i c ea n dr e a l i z e st h el o n g t e r ms t e a mi n j e c t i o ns a f e t yc o n t r o lo nt h es u r f a c eo ft h eo f f s h o r es t e a md r i v e T h er e s u l t so f t h ef i e l da p p l i c a t i o ns h o wt h a t t h e l o n g l a s t i n gs t e a mi n j e c t i o nw e l l h e a dd e v i c e f o r t h eo f f s h o r es t e a md r i v eh a sa c h i e v e d m o n t h sw i t h o u tp u n c t u r e sa n d l e a k su n d e rh i g h t e m p e r a t u r es t e a mi n j e c t i o na t a n dh o t a n dc o l da l t e r n a t i n gc o n d i t i o n s,w i t hs a f ea n dr e l i a b l es e a l i n gp e r f o r m a n c e,a c h i e v i n gg o o da p p l i c a t i o nr e s u l t s T h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n to f t h e l o n g l i f es t e a mi n j e c t i o nw e l l h e a dt e c h n o l o g y i nt h eo f f s h o r eo i l f i e l dp r o v i d e sas o l i ds a f e t yg u a r a n t e ea n dt e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e f i r s th o r i z o n t a lw e l l s t e a md r i v ep i l o tp r o j e c t K e yw o r d s:o f f s h o r eo i l f i e l d s;s t e a md r i v e;w e l l h e a dd e v i c e;t w o s t a g ec r o s s i n gs e a l我国渤海油田原油黏度为 m P as的稠油探明地质储量超过 亿t,开发潜力巨大,结合海上地质油藏特征及开发方式,地下原油黏度超过 m P as的稠油宜采用热采开发方式.自 年来中国海油先后在南堡 油田、旅大 油田以及旅大 油田开展了多元热流体吞吐与蒸汽吞吐试验,目前已进入规模化推广应用阶段,取得了较好的增产效果.稠油油田采用蒸汽吞吐开发形成热连通后,一般只能采出油井附近油层中的原油,随着吞吐轮次的增加,效果将逐渐变差,最终采收率低.因此,亟需探索一种蒸汽吞吐接替技术,而蒸汽驱技术是蒸汽吞吐后进一步提高采收率 的 主 要 手 段 之 一,最 终 采 收 率 可 达到 .海上稠油油田埋藏深,井网不规则、井距大,平台空间有限,安全要求高,开展蒸汽驱先导试验面临诸多难点与挑战.井口装置是注汽过程中地面控制设备的重要组成部分.要求注汽井口满足高温高压、冷热交 变、安全控制 以及长效密 封等工艺需求 ,提升其服役寿命,减少井口及管柱更换频次,降低热采成本,保障蒸汽驱效果.关于热采井口装置,国内外已开展了相关研究工作.王斌等研制了一种K R 型热采井口装置,结构简单合理,现场维护方便;黄侠等研制了一种注汽采油多用井口装置,可悬挂注汽、采油种管柱,实现不压井作业;郭文德等研制了一种K R E型热采井口装置,适用于 mm套管,最高工作温度 ,具有结构简单、成本低的特点;王丽军等 针对有杆泵采油研制了B K R热采井口装置,增加了B O P组合阀及双级光杆密封器,实现了稠油井的注汽采油一体化;彭辉 研制了一种S AG D双管热采井口装置,工作压力 MP a,工作温度 ,可满足新疆油田S AG D生产中注汽、生产、测试等工艺要求;王宝军等 研制出一套 稠第 卷第期顾启林,等:海上油田长效注汽井口技术研究与应用 油热采井注采一体化井口装置,适应海上 高温多轮次蒸汽吞吐工况要求,实现了冷热采转换不更换井口装置.现役注汽井口装置虽然在一定程度上满足了吞吐热采开发的使用要求,但缺少远程安全控制功能、多管线穿越密封通道;而且长期注汽及冷热交变工况下,喷焊层脱落,阀板、阀座密封面有划痕,阀座密封孔、垫环槽腐蚀,阀门开关灵活性、密封性能可靠性难以保障.为最大限度地提高热采井口的密封性能与稳定性,以确保蒸汽驱长效注汽过程的安全性和持续性,本文研制了一种海上蒸汽驱长效注汽井口装置.该井口装置具有远程安全控制功能以及多穿越通道,良好的耐高温高压、冷热交变、耐冲蚀及长效密封性能,为海上蒸汽驱先导试验提供了有力的技术保障.技术分析 结构组成海上蒸汽驱注汽井口装置(以下简称井口)整体如图所示.该装置主要由油管四通、油管悬挂器、上法兰、主阀、气驱动安全阀、注热翼阀、清蜡阀、液控管线穿越、截止阀以及压力表等部分组成.阀门与各组件之间采用法兰连接,提高了紧固件之间的联接强度,增加了钢圈密封的可靠性,整套井口具有良好的耐高温、耐高压及长效密封性能.工作原理需要注汽时打开注热翼阀、耐高温气驱动安全阀、主阀,高压蒸汽通过采油树、油管悬挂器、油管注入井底;注氮气时打开注氮翼阀,氮气通过油管四通、油套环空注入井底实现隔热.采油树上法兰及油管悬挂器设有多个穿越通道,井下安全阀、封隔器控制管线以及测试光缆通过穿越密封实现上法兰的穿越及密封.停止注汽时关闭主阀、注热翼阀.井口及井筒出现应急情况时,可远程快速泄放气驱动安全阀控制管线压力,关闭气驱动安全阀,关断井下流体通道.油管四通;油管悬挂器;上法兰,主阀;气驱动安全阀;清蜡阀;注热翼阀;液控管线穿越密封;注氮翼阀.图海上蒸汽驱长效注汽井口装置结构 主要技术指标压力等级 MP a温度等级 公称主通径 mm侧翼通径 mm材料等级E E规范级别P S L 性能级别P R 连接形式法兰式油管悬挂器上端连接螺纹E U B下端连接螺纹B T C B油管四通上、下法兰公称直径 mm(英寸)优化研制的海上热采长效注汽井口与陆地油田热采井口性能对比如表所示.石 油 矿 场 机 械 年月 表海上热采长效注汽井口与陆地油田热采井口性能对比井口装置类型辽河油田蒸汽驱井口胜利油田蒸汽驱井口海上长效注汽井口最高工作温度/最高工作压力/MP a(p s i)()()()规范级别P S L P S L P S L 材料级别D DD DE E承压、承载件金属材料铸件铸件锻件闸阀通径/mm 连接方式卡箍法兰法兰注汽侧翼阀数量地面气动安全阀数量关键技术 平板闸阀设计平板闸阀主要由阀体、阀盖、阀板、阀座、阀杆、轴承、密封、手轮以及螺母等部件组成(如图).阀板、阀座与阀体之间的密封采用端面密封.阀板与阀座采用金属密封,阀座与阀体之间采用镶嵌的膨胀石墨密封,注热过程中石墨受热膨胀,在介质压力作用下阀板与阀座、阀座与阀体紧密贴合,达到密封目的.阀杆轴承盒上设计有泄漏孔,如果阀杆密封泄漏,则蒸汽从泄漏孔中溢出,既能保护轴承,也有助于现场人员及时发现.阀杆采用 P H材质,大大提高阀杆的耐腐蚀性能,保证阀杆处的密封更加可靠.阀板、阀座采用不锈钢材质,特殊的表面处理工艺,提高长期注汽期间表面防腐耐磨性能,提高使用寿命.阀体;阀板;阀座,阀杆;阀盖;矩形密封;轴承;压盖;手轮.图平板闸阀结构 油管悬挂器设计如图所示,油管悬挂器主要由卡套接头、悬挂器本体、组合密封、石墨密封、密封压盖、密封圈以及压帽组成.主体采用 合金,具有良好耐腐蚀、耐冲蚀性能.采用耐高温橡胶、石墨以及金属密封的组合密封形式,确保在高温高压、低温以及冷热交变工况下均具有良好的密封性能.悬挂器上下两端设计有多个液控管线/光缆穿越通道,采用双级密封,确保穿越密封性能的可靠性、长效性.卡套接头;悬挂器本体;组合密封;石墨密封;密封压盖;压帽;密封圈.图油管悬挂器结构 液控管线双级穿越密封设计蒸汽驱注汽井需要下入液控式井下安全阀、封隔器实现井下安全控制,同时下入光缆实时监测井第 卷第期顾启林,等:海上油田长效注汽井口技术研究与应用 下温度、压力等参数,光缆及液压控制管线均需要井口提供穿越密封通道.长期 高温以及冷热交变严苛的工况对井口穿越密封带来了巨大挑战.针对液控管线及光缆穿越蒸汽驱注汽井口上法兰及悬挂器,设计了“石墨密封卡套密封”的双级穿越密封结构(如图),保证液控管线穿越上法兰和悬挂器的密封可靠性 .上法兰上部设计了道密封结构,连接接头首先通过下部的密封螺纹连接于上法兰上,然后再与上法兰进行焊接,进一步增强两者之间的密封可靠性.液控管线穿过连接接头后,通过卡套密封实现液控管线穿越的第道密封.石墨密封、连接接头与密封接头之间的螺纹密封组成了液控管线穿越的第道密封.连接接头;卡套密封总成;密封接头;密封石墨;压帽.图井口双级穿越密封结构 提升整体性能设计)提高井口装置规范级别.将井口装置规范级别从P S L 提升至P S L,并采取严格的质量控制,通过对承压本体、控压件等关键件进行内部超声波探伤,确保材料内部没有缺陷,从而避免内部缺陷影响井口的长期使用寿命.)采用高强度螺栓提升法兰连接强度.注热过程中,螺栓长时间受高温和压力影响出现松弛现象,容易导致连接处出现松动、泄漏等情况.使用高强度螺栓能够减缓松弛现象发生,从而延长螺栓的使用寿命,更好地保证法兰连接处的密封性能.)提升密封性能.采用金属密封与柔性石墨相结合,金属包边石墨填料环(如图),既保留了柔性石墨良好的密封性能和易激发的特性,又提高了与介质接触一侧的抗冲击和抗冲刷的性能;采用低硫含量的进口石墨,从而降低因硫损失导致密封失效的可能性.图金属包边石墨密封结构)套升补偿结构设计.注热期间冷热交变,温度急剧变化,会引起套管的伸长、缩短.因此,在油管四通内部设置有套管热应力补偿机构,预留补偿距(mm),采用一种不受卡瓦牙影响的耐高温高压密封材料,可同时满足套管伸长补偿和密封油套环空的要求,有效抑制了因套管热应力变形引起的井口抬升问题,满足长期安全注汽要求.现场应用 ,蒸汽驱注汽井口装置应用于海上某蒸汽驱先导试验油田.注汽井口装置安装于X 井后,对采油树主体、油管悬挂器、阀门、密封钢圈以及液控管线穿越密封进行了常温试压,试压合格.注汽温度 、注汽压力 MP a、过热温度.至 ,更换管柱前,经历了多次设备停注,长期高温高压以及多次高低温交变工况考验.在此期间,整套井口装置无刺漏,密封性能稳定可靠,阀门开关灵活,实现了 个月不动管柱,为该油田蒸汽驱长期安全运行保驾护航.更换井口管柱后,对返回陆地的井口进行了拆检、试验,采油树主体及法兰承压性能依然良好.如图所示,阀门石墨密封、油管悬挂器密封保存完好.现场应用表明,研制的蒸汽驱长效注汽井口装置满足蒸汽驱石 油 矿 场 机 械 年月 长效密封要求,为蒸汽驱提供了坚实的安全保障,达到了预期的设计目标.图拆检后的长效注汽井口密封情况结论)海上蒸汽驱长效注汽井口结构设计科学合理,密封性能稳定可靠,使用效果良好,满足了海上蒸汽驱长期高温高压以及多轮次冷热交变工艺需求,实现了注汽 个月无刺漏、不动管柱,为某油田海上蒸汽驱先导试验提供了有力保障.)整套井口法兰连接采用金属密封,所有的阀门均有采用金属密封或者组合密封形式,液控管线穿越密封采用“卡套密封石墨密封”的双级密封,系统新颖的密封结构设计保证了井口密封长期安全可靠.)海上蒸汽驱长效注汽井口装置是保障蒸汽驱长期运行重要的安全屏障,建议继续优化阀门及密封结构,探索海上平台注汽井口安全快速维保技术,进一步提升安全性能及长效密封性能,进一步延长服役寿命.参考文献:唐晓旭,马跃,孙永涛海上稠油多元热流体吞吐工艺研究现场试验J中国海上油气,():郭太现,苏彦春渤海油田稠油油藏开发现状和技术发展方向J中国海上油气,():张庆海,李协宽,王辉楼油田楼资 区蒸汽驱配套工艺技术 研 究 J石 油 天 然 气 学 报,():陈鹏特种蒸汽驱注汽井口技术研究J化工管理,():许佳赛稠油热采特种井口工艺技术研究J科技创新与应用,():贾振宇,潘耀庆,刘福东热采井口装置J石油科技论坛,(S),王斌,郭文德,纪拥军,等一种新型热采井口的研制与应用J新疆石油科技,():黄侠,李啸南,王辉注汽采油多用井口装置研制J石油矿场机械,():郭文德,蔡罡,彭辉,等 K R E型热采井口装置的研制J石油机械,():王丽军,章国华,马志博 B K R热采井口装置研制及推广应用J石油机械,():彭辉 S AG D双管热采井口装置研制与应用J石油矿场机械,():王宝军,刘鹏,李冠群,等海上热采井注采一体化井口技术研究与应用J石油机械,():高亮蒸汽驱转火驱采油井口装置的研究与应用J新疆石油天然气,():刘智,孙爽高温高压热采井口结构设计J胜利油田职工大学学报,():李啸南,郝天昭,逯国成,等亚临界双管热采井口装置研制与应用J石油机械,():刘明翰热采井口液控管线穿越密封结构设计J中国化工贸易,():李清涛,邢洪宪,刘传刚,等一种新型井口密封装置优化设计及 应 用 J石 油 矿 场 机 械,()徐 刚,李 进,龚 宁,等海上热采及高温井口抬升机理与对策J石油机械,():第 卷第期顾启林,等:海上油田长效注汽井口技术研究与应用