國內熱采井高溫膠筒發展現狀

馬認琦，劉 鵬，王世強，鞠少棟

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

稠油資源豐富，約占世界剩余油資源的70%，如何利用有效技術開采稠油，已成為石油企業面臨的首要任務[1]。根據稠油的材質特點來看，稠油對溫度十分敏感，溫度越高，稠油的黏度便會越低。熱力采油是稠油開采的主要方法，其中熱流體注入是最常用的增長措施[2-3]。陸地油田使用較多的是蒸汽吞吐，海上油田則是混合流體驅(成份主要為水蒸汽、CO2和N2)和蒸汽吞吐2種[4]。無論是哪種注熱形式，都對井下工具的耐溫、耐壓等級要求較高，混合流體驅，井下工具的耐溫等級不低于280 ℃，蒸汽吞吐，耐溫需達到350 ℃；井下工具剛體部分的強度在高溫下降低率一般不超過20%，可以通過增加鋼件厚度和提高鋼級的方法進行改進。密封件，特別是封隔器的膠筒，面臨較大挑戰[5-6]。

1 聚四氟改良復合膠筒

勝利油田、遼河油田和海上油田的稠熱井較多，由于蒸汽吞吐過程溫度高，驅替效果更好，因此開采方式以蒸汽吞吐為主。稠油井的完井方式主要以礫石充填水平井為主[7]，勝利油田稠油區塊的熱采水平井占到水平井總數的40%左右[8]。對于井下的完井管柱，封隔器主要有高溫懸掛封隔器和層間的分層封隔器，對于注汽管柱，注汽管柱下方連接有熱敏高溫封隔器和在完井管柱內分層的注汽封隔器。

高溫懸掛封隔器膠筒和分層封隔器高溫膠筒的材質使用較多的是聚四氟改良的復合材料，膠筒硬度遠高于普通的橡膠膠筒。該類膠筒在高溫下保持較高的強度，從而可以在高溫環境下使用。相對于勝利油田，遼河油田的注汽溫度較低，注汽時井口溫度一般不超過320 ℃，勝利油田注汽時井口溫度較高，最高可達到350 ℃。通過調節高溫膠筒添加劑的含量，可以使膠筒在320～350 ℃溫度下使用。

該類膠筒的優點：①未注蒸汽前，即溫度較低時可以在較低坐封力下實現坐封，且密封的壓力較高，滿足礫石充填工藝要求；②注入蒸汽后，膠筒硬度降低，在高溫下會在坐封的基礎上進一步膨脹，可在350 ℃高溫下密封21 MPa以上的壓力，滿足第1輪次中分層均勻注汽的需要。

該類膠筒只能在第1輪次中實現密封，一旦溫度降低，則密封能力劇降。通過對常用的聚四氟改良復合膠筒進行高低溫試驗，發現當溫度降到常溫下后僅能密封3 MPa以內的壓力，無法實現較好的密封。

該類膠筒雖然在溫度降低后密封能力降低，并不影響其使用，因為在第1輪次的蒸汽吞吐過程中，一些細砂礫石會被沖到膠筒下面，形成砂橋，即使第1輪次結束后，懸掛封隔器的膠筒無法進行高壓密封，在膠筒下方砂橋的阻擋下，地層砂及充填的砂礫也很難沖到膠筒上方，也就是說低壓密封僅起到擋砂的作用。目前，該類膠筒在勝利油田已應用幾百口井，因懸掛封隔器膠筒失效而出砂的事故井極少；同時該類膠筒的成本較低，一套膠筒的成本僅為2 000～3 000元，因此在各油田得到了大規模應用。

對于聚四氟改良材質的高溫膠筒，膠筒的坐封方式有2種，一種是壓縮式，坐封方式與普通的橡膠膠筒一樣，將膠筒壓縮后，實現封隔，如圖1；另一種是楔入式，坐封方式相對于壓縮式，對膠筒壓縮的更加充分，且不用考慮膠筒被壓縮后在軸向發生回復。該坐封方式對鎖定機構要求較低，如圖2。

圖1 壓縮式膠筒

圖2 楔入式膠筒結構

除了完井管柱上的懸掛封隔器和分層封隔器，為了均勻注汽，注汽管柱上連有2種封隔器，一種是坐封在套管內的熱敏封隔器，該封隔器是防止注入的蒸汽返到套管內[9]；另一種是坐封在篩管內的管內封隔器，實現完井管柱內的均勻注汽。熱敏封隔器膠筒由內外兩部分組成，內部是數組熱敏金屬材料，外部是聚四氟改良復合膠筒。每組熱敏金屬材料是由上下兩層金屬構成的，當注入蒸汽溫度升高時，由于兩層金屬的熱膨脹系數不同而迫使本身發生撓曲變形而產生變形力，當溫度達到200 ℃時，熱敏金屬件即可擴張撐開膠筒使其與套管內壁接觸，實現初步坐封，當溫度到達280 ℃左右時，膨脹到最大，實現套管內的密封[10-11]。篩管內的管內封隔器膠筒屬于皮碗單向密封件，材質也是聚四氟改良復合材料，注汽壓力越大，皮碗外徑被撐的越大，密封效果越好，而該類膠筒可密封的壓差僅為5 MPa左右，適合均勻注汽。

2 石墨硅基復合膠筒

為了讓膠筒在第2輪次及以后的輪次中能夠密封，實現可靠的分層，勝利油田與北京某科技公司合作開發了一種新型耐高溫復合材料。該復合材料主要由膨化預氧絲、核基石墨和聚氮環硅烷基組成，采用幾微米到20 μm的硅基纖維為基材，通過在其分子矩陣內加入納米級的交聯劑鏈接矩陣，并融入核用石墨，增強其耐腐蝕性與潤滑性，形成一種新型的能夠耐高溫高壓的高強度高彈性復合材料，如圖3。該新型復合材料的抗拉強度不低于20 MPa，壓縮率不低于50%，回彈率不低于50%。該材質制成的膠筒雖然也需要在高溫下能保持較高強度，但是該膠筒材質的硬度與普通橡膠膠筒相近，手可以壓縮，如圖4。該膠筒可以在高溫下仍有較好的彈性，即使溫度從350 ℃高溫降至常溫，膠筒對套管的回彈力也較好，仍能密封20 MPa的壓力。將該膠筒用高溫噴槍進行烘烤，烘烤處的表面出現一層白色灰狀物質，用手一擦，即可擦掉，與烘烤前一樣，如圖5。

圖3 新型耐高溫復合材料膠筒

該膠筒優點：①膠筒材質較軟，硬度與普通橡膠膠筒相當，可以在較低的坐封力作用下實現充分坐封，且可以在常溫下密封不低于20 MPa的壓力，不影響后續的礫石充填工藝的實施；②注蒸汽過程，第1輪次完成后，在后續的幾個輪次過程中，即使溫度下降，該膠筒仍對套管有大的側壓力，可以密封不低于20 MPa的壓力，實現分層均勻注汽，也可以分層開采。

圖4 手壓膠筒

圖5 擦拭后的膠筒

該膠筒雖然在性能上優于聚四氟改良復合膠筒，但該新型復合材料的合成工藝相對復雜，成本高于聚四氟改良復合膠筒，因此在推廣應用上存在較大困難。目前，該新型膠筒僅在勝利油田成功應用3口井左右。

3 新高溫膠筒方案

考慮到聚四氟改良復合膠筒無法在高低溫交替環境下正常工作，而新型的石墨硅基膠筒成本過高，設計了2種新的高溫膠筒方案，一種是為了防止已經膨脹的聚四氟改良材質膠筒在溫度降低時回復，影響密封，將聚四氟改良復合膠筒外側和內側增加石墨，因為石墨隨膠筒一旦被壓實，在高低溫變化過程中，體積變化極小，從而防止了聚四氟改良復合膠筒回縮，膠筒組合結構如圖6。另一種是通過在聚四氟改良復合膠筒兩邊增加碟簧或熱敏材料，碟簧或熱敏材料可增加聚四氟改良復合膠筒的預緊力，增加密封效果。

圖6 高溫膠筒方案一示意

4 結論

1) 聚四氟改良復合膠筒成本較低，應用較廣泛，但只能在第1輪次注汽中密封較好，實現均勻注汽，在后續輪次僅能起到擋砂的作用。

2) 石墨硅基復合膠筒可以在多輪次注汽中密封良好，可以在多次冷熱交替環境下使用。但成本過高，推廣較難，需要大幅降低成本。

3) 通過增加石墨和預緊力，設計了2種新的膠筒方案，便于后續研究。