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[摘 要]为了在海上平台的有限空间内实施单筒双井的稠油热采工艺，设计了特殊结构的单筒双井热采井口装置。在该装置上创新设计了扇形法兰、冷采热采转换结构和表层套管悬挂结构，采用有限元分析、试验验证和三维软件模拟的方法进行了验证，并对热采井口装置的密封件进行了性能筛选，提出了性能指标，优选了材料，确保了高温下密封的可靠性。通过现场应用证明，该结构的单筒双井热采井口装置能够满足海上稠油热采和电泵冷采采油的需要，具有广阔的应用前景。
[关键词]稠油热采 热采井口 单筒双井 扇形法兰性能筛选
中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）21-0336-03
引言
目前，随着采油技术的不断进步，海上稠油[1]区块不断动用，但海上平台空间狭窄，限制了一些技术的应用。普通的单筒双井采油井口装置因为没有考虑高温注汽的需要，不具备高温密封的性能，以及套管受热伸长补偿功能，满足不了热、冷采期间温度变化的要求，仅限于应用于常规冷采采油工艺，不能适用于海上稠油热采。为了满足海上稠油热采的需要，设计了特殊结构的单筒双井热采井口装置。
该单筒双井热采井口装置主要应用于海上平台[2]，是安装在一个井槽内的两套独立的井口，两套井口可以独自工作，可以同时实施不同的冷、热采采油工艺。满足海上平台钻井、完井时井口装置的安装和后期实施热采工艺的注汽、闷井、放喷、电泵冷采采油等不同采油工艺需要。
该单筒双井热采井口装置设计为分体结构，对称布置，同时充分考虑了现场安装的方便性和作业空间。单筒双井井口装置的应用较两套独立井口可节约空间30%以上，提高了平臺的利用率。在研制期间，对井口装置的密封部件进行了性能筛选，提出了性能指标，优选了材料，满足了高温下密封高可靠性的要求。
1 基本结构及主要参数
1.1 基本结构
海上热采单筒双井井口装置的结构主要由大环板总成、套管头总成、油管头总成、采油树总成四部分组成，其结构见图1所示。
1.2 主要技术参数
产品规范等级：PSL-1；
产品性能等级：PR1 ；
额定工作压力：5000psi；
材料等级： DD；
温度等级：Y （-18℃～345℃）；
隔水管尺寸 ：30″；
表层套管尺寸：9-5/8〞 ；
油层套管尺寸：7〞 ；
隔热管： 4 1/2〞；
注汽温度：350℃
2 工作原理
该单筒双井热采井口的特点之一就是注高温蒸汽、闷井、转抽时不用作业更换整个井口装置，用此一套井口可以满足所有工艺要求。
注汽时，采油树安装正心热采上法兰和正心悬挂器以及调偏法兰，关闭放喷通道阀门[3]，蒸汽从注汽通道注入。注汽完毕后，关闭注汽通道阀门进行闷井。放喷时，打开放喷通道阀门进行放喷，节流阀可以调节放喷的流量。当放喷完成后，将采油树正心热采上法兰和正心悬挂器更换成冷采偏心上法兰和带有电缆穿越功能的偏心悬挂器，拆掉调偏法兰，流程不变，直接进行电泵冷采。单筒双井的两个井口可以同时进行注热或冷采，也可以一口井进行注热，另一口井进行冷采。（见图5）
由此可见，注热与冷采的转换，只需通过更换上法兰和悬挂器即可实现，大大节省了更换井口的时间和工作量。调偏法兰还保证了在注热和冷采时流程不发生变化，不必在冷热转换时更换流程。
3 技术关键
3.1 单筒双井热采井口结构的设计
为了在30″隔水管内容纳两套井口，单筒双井的两套井口设计成背靠背的结构，考虑到技术套管在注蒸汽时受热伸长，所以在油管头底部设计了伸长补偿空间；为了减小井口的高度，采油树主阀以上的两个阀门设计为组合结构；为了提高注汽的安全系数，在设计采油树时，在主通道和侧翼都增加了阀门的数量，同时在主通道上增加气动安全阀。另外，在油管头侧翼设计了注气阀门，满足了向套管和隔热管环空注氮气[4]的工艺需要。
海上平台空间狭小，平台立柱和各种管网交错，各层甲板高度有限。因单筒双井井口装置设计高度超过3米，为了保证井口的顺利安装，必须要穿越一层甲板，这对单筒双井现场安装带来了很大的难度。为了使井口装置的各零部件以及注汽、采油流程不能与甲板、平台立柱等干涉，利用三维软件对井口装置、井口安装位置的平台高度，平台立柱位置间结构进行了建模模拟。这样，不仅精确地确定单筒双井在平台的具体安装方位，而且还准确的确定了注热、采油流程走向等，使单筒双井井口装置顺利在海上平台安装。
3.2非标扇形法兰的设计
由于单筒双井两个井口中心距的限制，所以采油树的上法兰、油管头四通法兰和套管头四通法兰必须设计成扇形法兰结构。而在API 6A标准中，又没有相应的扇形法兰（11〞-3k 和9〞-5k）的标准可参考，所以只能设计成非标形式。
为了保证非标扇形法兰的密封可靠性，根据热采井口的工作压力，工作温度等实际工况，利用有限元模拟分析（图2），对非标扇形法兰的螺栓孔数量、螺栓孔分布角度、法兰厚度都进行重新优化设计，最后确定了如图3所示的螺栓孔沿两套井口共同中心线对称分布的扇形法兰结构。另外，为了使两套井口尽量减少相互的热传导的影响，所以两个井口之间留了10mm的间隙。同时，模拟实际工况，加工了与设计相同的套管头和油管头扇形法兰，对套管头扇形法兰和油管头扇形法兰进行了2倍额定工作压力的试验，在保压期间内，都无可见渗漏，试验结果证明扇形结构满足设计要求。（见图4）
3.3注汽和冷抽的转换结构设计
稠油热采工艺要求：注蒸汽放喷完成井口冷却后，还要进行电潜泵采油，而且，两套井口需独立运行，相互不能干扰；同时，注蒸汽和电潜泵采油相互转换时，流程不能发生变化。为此，一是设计了两套上法兰和悬挂器，一种正心结构，一种偏心结构，正心结构用于注高温蒸汽，偏心结构用于常温电缆穿越电潜泵采油。二是在采油树侧翼注汽流程上设计了调偏法兰。 通过以上设计，当注热完成后，换上冷采上法兰和悬挂器，而后拆下调偏法兰，即可实现注热和冷采的转换，并且保证了流程不发生变化，满足了稠油热采工艺需要，见图5。
3.4大环板补芯的设计
大环板的作用不仅是满足悬挂管柱和井口的承载，而且要保证两套最外层套管平稳地悬挂在大环板上。为了保证最外层套管在钻井阶段可以顺利通过大环板地下入，同时在完井阶段又可以可靠地地悬挂在大环板上，在大环板上设计了一个分体式结构的补芯，通过补芯，在最后完井时，补芯安装在大环板和套管接箍之间，不仅保证了悬挂的可靠性，也起到定位的作用，保证了两组套管的中心距，见图6。
3.5耐高温密封材料的筛选
海上稠油热采，一般注汽时间均达到2周以上，注蒸汽温度均达到300℃以上，并且要求在注热闷井后放喷的过程中，在井口温度逐渐冷却到室温时，井口仍具有良好的密封性能。所以井口所使用的密封材料[5]必须满足以下条件：
（1）长期耐温能力要达到300℃以上；
（2）在室温和高温都具有设计的承压能力；
（3）在高温-室温这个循环过程中仍具有良好的密封性能。为此，我们选择了全氟醚橡胶（FFKM）、改性聚四氟乙烯（PTFE）和膨胀石墨密封材料做为研究对象，对材料的室温密封性能、高温密封性能和室温与高温温度交变后的密封性能进行了试验验证，根据试验的结果，我们得出以下结论：
（1）全氟醚橡胶在高温高压的双重作用下，其稳定的工作最高温度在300 ℃以下；如果超出其使用温度，很快就会碳化失效。
（2）改性聚四氟乙烯在高温时变形量大，
极易从间隙中挤出，而且冷却到常温后，又不能恢复到原来的状态， 且需要再次激发才能密封。
（3）膨胀石墨无论在室温和高温下具有良好的密封性能，但要达到在室温、高温和室温-高温温度交变下密封性能，其必须要达到一定的压缩量，同时，还需控制硫和氯的含量；因為热采单筒双井井口装置注汽温度为300℃以上，所以我们选择膨胀石墨做为密封材料，其主要具体参数为：
石墨含量：≥98%；
硫含量：≤ 1000 ppm；
氯含量：≤ 15 ppm；
压缩性：35%-55%；
拉伸强度：≥600psi
4现场应用
单筒双井热采井口装置在LD272海上平台22H井和23H井（单筒双井中的一口井为22H，另一口井为23H）成功应用。对22H井进行注汽作业，注汽最高温度达到356.7℃，注汽时间为23天，最大注汽量为5240方（注汽参数见表1）。22H井注汽完成后，进行了闷井和放喷，在整个过程中，井口密封性能良好，没有出现泄漏情况。之后，又对22H井进行了下电泵冷采作业，通过更换上法兰和悬挂器，快速并顺利实现了电泵采油。在22H井进行电泵采油的过程中，对23H井进行了注热，最高注汽温度达到353.4℃，注汽时间为21天，最大注汽量为3980方（注汽参数见表2）。同时，监测到23H井注热温度对22H井的影响（见表3），从表中可以看出，因为单筒双井的两套井口有10mm的间隙，所以，23H井对22H井的影响是在允许的范围之内。
5结论
（1）单筒双井热采井口装置密封可靠，注热周期长，使用安全，为海上的稠油热采提出了一个新的解决方案。
（2）热采单筒双井井口装置相当于在一个井槽内安装两套独立的井口装置，不仅节省平台空间，而且可以有效地降低作业成本，具有非常好的应用前景。
（3）考虑到海上平台对井口的安全性要求要比陆地高得多，所以井口在出厂前要经过严格的密封测试[6]，而且，井口的所有承压件必须采用锻件，而不能采用铸件。
（4）在注热过程中，套管必然会受热伸长，所以，在设计井口装置时，必须预留一定的空间，补偿套管的伸长[7]。
（5）海上平台的注汽时间要比陆地长，这对井口装置的要求较高。目前热采井口的密封件普遍采用膨胀石墨材料，其优点是耐高温性能好，但寿命短，使一定时间后就得更换。所以寻找一种耐高温高压且寿命长的密封材料是目前热采急需解决的一个难题。
参考文献
[1] 唐晓旭，马跃，孙永涛.海上稠油多元热流体吞吐工艺研究及现场试验.中国海上油气，2011，23（3）： 185-188.
作者简介：张喜庆，1961年生，山东昌邑人，高级工程师。
[关键词]稠油热采 热采井口 单筒双井 扇形法兰性能筛选
中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）21-0336-03
引言
目前，随着采油技术的不断进步，海上稠油[1]区块不断动用，但海上平台空间狭窄，限制了一些技术的应用。普通的单筒双井采油井口装置因为没有考虑高温注汽的需要，不具备高温密封的性能，以及套管受热伸长补偿功能，满足不了热、冷采期间温度变化的要求，仅限于应用于常规冷采采油工艺，不能适用于海上稠油热采。为了满足海上稠油热采的需要，设计了特殊结构的单筒双井热采井口装置。
该单筒双井热采井口装置主要应用于海上平台[2]，是安装在一个井槽内的两套独立的井口，两套井口可以独自工作，可以同时实施不同的冷、热采采油工艺。满足海上平台钻井、完井时井口装置的安装和后期实施热采工艺的注汽、闷井、放喷、电泵冷采采油等不同采油工艺需要。
该单筒双井热采井口装置设计为分体结构，对称布置，同时充分考虑了现场安装的方便性和作业空间。单筒双井井口装置的应用较两套独立井口可节约空间30%以上，提高了平臺的利用率。在研制期间，对井口装置的密封部件进行了性能筛选，提出了性能指标，优选了材料，满足了高温下密封高可靠性的要求。
1 基本结构及主要参数
1.1 基本结构
海上热采单筒双井井口装置的结构主要由大环板总成、套管头总成、油管头总成、采油树总成四部分组成，其结构见图1所示。
1.2 主要技术参数
产品规范等级：PSL-1；
产品性能等级：PR1 ；
额定工作压力：5000psi；
材料等级： DD；
温度等级：Y （-18℃～345℃）；
隔水管尺寸 ：30″；
表层套管尺寸：9-5/8〞 ；
油层套管尺寸：7〞 ；
隔热管： 4 1/2〞；
注汽温度：350℃
2 工作原理
该单筒双井热采井口的特点之一就是注高温蒸汽、闷井、转抽时不用作业更换整个井口装置，用此一套井口可以满足所有工艺要求。
注汽时，采油树安装正心热采上法兰和正心悬挂器以及调偏法兰，关闭放喷通道阀门[3]，蒸汽从注汽通道注入。注汽完毕后，关闭注汽通道阀门进行闷井。放喷时，打开放喷通道阀门进行放喷，节流阀可以调节放喷的流量。当放喷完成后，将采油树正心热采上法兰和正心悬挂器更换成冷采偏心上法兰和带有电缆穿越功能的偏心悬挂器，拆掉调偏法兰，流程不变，直接进行电泵冷采。单筒双井的两个井口可以同时进行注热或冷采，也可以一口井进行注热，另一口井进行冷采。（见图5）
由此可见，注热与冷采的转换，只需通过更换上法兰和悬挂器即可实现，大大节省了更换井口的时间和工作量。调偏法兰还保证了在注热和冷采时流程不发生变化，不必在冷热转换时更换流程。
3 技术关键
3.1 单筒双井热采井口结构的设计
为了在30″隔水管内容纳两套井口，单筒双井的两套井口设计成背靠背的结构，考虑到技术套管在注蒸汽时受热伸长，所以在油管头底部设计了伸长补偿空间；为了减小井口的高度，采油树主阀以上的两个阀门设计为组合结构；为了提高注汽的安全系数，在设计采油树时，在主通道和侧翼都增加了阀门的数量，同时在主通道上增加气动安全阀。另外，在油管头侧翼设计了注气阀门，满足了向套管和隔热管环空注氮气[4]的工艺需要。
海上平台空间狭小，平台立柱和各种管网交错，各层甲板高度有限。因单筒双井井口装置设计高度超过3米，为了保证井口的顺利安装，必须要穿越一层甲板，这对单筒双井现场安装带来了很大的难度。为了使井口装置的各零部件以及注汽、采油流程不能与甲板、平台立柱等干涉，利用三维软件对井口装置、井口安装位置的平台高度，平台立柱位置间结构进行了建模模拟。这样，不仅精确地确定单筒双井在平台的具体安装方位，而且还准确的确定了注热、采油流程走向等，使单筒双井井口装置顺利在海上平台安装。
3.2非标扇形法兰的设计
由于单筒双井两个井口中心距的限制，所以采油树的上法兰、油管头四通法兰和套管头四通法兰必须设计成扇形法兰结构。而在API 6A标准中，又没有相应的扇形法兰（11〞-3k 和9〞-5k）的标准可参考，所以只能设计成非标形式。
为了保证非标扇形法兰的密封可靠性，根据热采井口的工作压力，工作温度等实际工况，利用有限元模拟分析（图2），对非标扇形法兰的螺栓孔数量、螺栓孔分布角度、法兰厚度都进行重新优化设计，最后确定了如图3所示的螺栓孔沿两套井口共同中心线对称分布的扇形法兰结构。另外，为了使两套井口尽量减少相互的热传导的影响，所以两个井口之间留了10mm的间隙。同时，模拟实际工况，加工了与设计相同的套管头和油管头扇形法兰，对套管头扇形法兰和油管头扇形法兰进行了2倍额定工作压力的试验，在保压期间内，都无可见渗漏，试验结果证明扇形结构满足设计要求。（见图4）
3.3注汽和冷抽的转换结构设计
稠油热采工艺要求：注蒸汽放喷完成井口冷却后，还要进行电潜泵采油，而且，两套井口需独立运行，相互不能干扰；同时，注蒸汽和电潜泵采油相互转换时，流程不能发生变化。为此，一是设计了两套上法兰和悬挂器，一种正心结构，一种偏心结构，正心结构用于注高温蒸汽，偏心结构用于常温电缆穿越电潜泵采油。二是在采油树侧翼注汽流程上设计了调偏法兰。 通过以上设计，当注热完成后，换上冷采上法兰和悬挂器，而后拆下调偏法兰，即可实现注热和冷采的转换，并且保证了流程不发生变化，满足了稠油热采工艺需要，见图5。
3.4大环板补芯的设计
大环板的作用不仅是满足悬挂管柱和井口的承载，而且要保证两套最外层套管平稳地悬挂在大环板上。为了保证最外层套管在钻井阶段可以顺利通过大环板地下入，同时在完井阶段又可以可靠地地悬挂在大环板上，在大环板上设计了一个分体式结构的补芯，通过补芯，在最后完井时，补芯安装在大环板和套管接箍之间，不仅保证了悬挂的可靠性，也起到定位的作用，保证了两组套管的中心距，见图6。
3.5耐高温密封材料的筛选
海上稠油热采，一般注汽时间均达到2周以上，注蒸汽温度均达到300℃以上，并且要求在注热闷井后放喷的过程中，在井口温度逐渐冷却到室温时，井口仍具有良好的密封性能。所以井口所使用的密封材料[5]必须满足以下条件：
（1）长期耐温能力要达到300℃以上；
（2）在室温和高温都具有设计的承压能力；
（3）在高温-室温这个循环过程中仍具有良好的密封性能。为此，我们选择了全氟醚橡胶（FFKM）、改性聚四氟乙烯（PTFE）和膨胀石墨密封材料做为研究对象，对材料的室温密封性能、高温密封性能和室温与高温温度交变后的密封性能进行了试验验证，根据试验的结果，我们得出以下结论：
（1）全氟醚橡胶在高温高压的双重作用下，其稳定的工作最高温度在300 ℃以下；如果超出其使用温度，很快就会碳化失效。
（2）改性聚四氟乙烯在高温时变形量大，
极易从间隙中挤出，而且冷却到常温后，又不能恢复到原来的状态， 且需要再次激发才能密封。
（3）膨胀石墨无论在室温和高温下具有良好的密封性能，但要达到在室温、高温和室温-高温温度交变下密封性能，其必须要达到一定的压缩量，同时，还需控制硫和氯的含量；因為热采单筒双井井口装置注汽温度为300℃以上，所以我们选择膨胀石墨做为密封材料，其主要具体参数为：
石墨含量：≥98%；
硫含量：≤ 1000 ppm；
氯含量：≤ 15 ppm；
压缩性：35%-55%；
拉伸强度：≥600psi
4现场应用
单筒双井热采井口装置在LD272海上平台22H井和23H井（单筒双井中的一口井为22H，另一口井为23H）成功应用。对22H井进行注汽作业，注汽最高温度达到356.7℃，注汽时间为23天，最大注汽量为5240方（注汽参数见表1）。22H井注汽完成后，进行了闷井和放喷，在整个过程中，井口密封性能良好，没有出现泄漏情况。之后，又对22H井进行了下电泵冷采作业，通过更换上法兰和悬挂器，快速并顺利实现了电泵采油。在22H井进行电泵采油的过程中，对23H井进行了注热，最高注汽温度达到353.4℃，注汽时间为21天，最大注汽量为3980方（注汽参数见表2）。同时，监测到23H井注热温度对22H井的影响（见表3），从表中可以看出，因为单筒双井的两套井口有10mm的间隙，所以，23H井对22H井的影响是在允许的范围之内。
5结论
（1）单筒双井热采井口装置密封可靠，注热周期长，使用安全，为海上的稠油热采提出了一个新的解决方案。
（2）热采单筒双井井口装置相当于在一个井槽内安装两套独立的井口装置，不仅节省平台空间，而且可以有效地降低作业成本，具有非常好的应用前景。
（3）考虑到海上平台对井口的安全性要求要比陆地高得多，所以井口在出厂前要经过严格的密封测试[6]，而且，井口的所有承压件必须采用锻件，而不能采用铸件。
（4）在注热过程中，套管必然会受热伸长，所以，在设计井口装置时，必须预留一定的空间，补偿套管的伸长[7]。
（5）海上平台的注汽时间要比陆地长，这对井口装置的要求较高。目前热采井口的密封件普遍采用膨胀石墨材料，其优点是耐高温性能好，但寿命短，使一定时间后就得更换。所以寻找一种耐高温高压且寿命长的密封材料是目前热采急需解决的一个难题。
参考文献
[1] 唐晓旭，马跃，孙永涛.海上稠油多元热流体吞吐工艺研究及现场试验.中国海上油气，2011，23（3）： 185-188.
作者简介：张喜庆，1961年生，山东昌邑人，高级工程师。