挑战海上热采配套工具世界难题

□ 杨建英 常换芳 赵 亮

挑战海上热采配套工具世界难题

□ 杨建英 常换芳 赵 亮

“既然接了这个项目，就必须拿下。”

6月中旬，中海油服再次给河南油田工程院打来电话，提出继续合作意向。一个服务海洋石油的上市公司为什么会青睐一家陆上油田科研单位？

这源自他们之间的第一次友好合作。

今年3月19日，河南油田工程院历经一年多艰难攻关，独立自主完成的《海上热采防污染管柱配套工具的研制及工具高温工况试验》项目，顺利通过中海油服的验收。该院研制的这套工具在实际应用中效果良好，不仅填补了国内外技术空白，而且为进一步开拓外部市场打开了新天地。

勇接“烫手芋”

2013年5月，河南油田采油工程技术专家马宏伟接到中海油服科研人员的求助电话。对方说，他们在9.625英寸套管井防污染热采技术上遇到了瓶颈。

海上石油开采，对环保要求非常高，稠油热采防污更是世界难题。目前国内普遍采用的压井防喷技术会对油层产生冷伤害，造成油层污染，如果压井液比重过小，还有可能发生井喷造成海上污染。

中海油服需要一种能够控制开关的防污染管柱，实现不压井作业。但是，目前国内现有的井下工具密封件，要么耐高温高压，要么耐中低温高压，缺少高低温下均耐高压的封隔器。国际上也在探索阶段，没有现成的经验可供借鉴。中海油服在向多家油田求助均遭婉拒后，不得已找到河南油田工程院。

“我院具有成熟的陆地稠田热采技术和40年的热采经验，以前在密封件方面有一些积累，有实力完成这个项目。”首次涉足海上石油开采领域的工程院院长魏淋生勇敢接受了这个“烫手芋”，“与中海油服合作一旦成功，将使工程院的舞台从陆地拓展到海洋，实现海上业务零的突破”。

2013年6月，工程院与中海油服正式签订《海上热采防污染管柱配套工具的研制及工具高温工况试验》项目研发合同。

造“门”先制“锁”

合同签订后，以马宏伟为总负责的工程院项目组成员，通过大量查阅资料、实地调研，提出了一种适合海上热采井工况条件的防污染工艺方案，获得通过。由于没有成功的经验可以参考，所有的工具都需要自主研发。

这个项目的关键是选到合适的封隔器，而封隔器的密封件是其核心部件。“如果把封隔器比作一扇自动开关门的话，密封件就是门上的锁。锁如果做不好，门就无法设计。”马宏伟说。

要造门，先制锁。他们买来两个国外的封隔器试验，失败了。在制锁材料的选择上，他们先选择国内常用的碳纤维复合胶筒试验，发现不能满足海上热采350摄氏度时耐压20兆帕的要求。采用改性聚四氟乙烯试验，发现它具备耐高温高压性能，但当温度降到200摄氏度时，封隔器漏失，只好再次放弃。

通过反复筛选，他们欣喜地发现柔性石墨抗腐蚀、耐高温、耐热冲击，在低温下也能正常使用。石墨胶筒没有成品，他们就把购买的石墨环压碎，自制磨具动手压制。试验发现，压制好的石墨胶筒封隔器在高温及低温环境下都能密封良好，可是十分娇贵，在组装和搬运时，稍有磕碰就会破损，影响胶筒的密封性能。

“如此娇贵的密封件怎能适用于恶劣的海上热采作业环境呢？”马宏伟愁上心头。

那时，一年半的项目研发时间已经快过去一半了，项目组还被困在细枝末节上。大家心急如焚。

“既然接了这个项目，就必须拿下，否则人就丢大了。能否换个思路解决问题呢？”院长魏淋生鼓励他们。

项目组又重整旗鼓，向胶筒的密封问题发起进攻。一天，马宏伟忽然灵感乍现：“能不能以石墨为主体，再为它制造一个抗高温高压的薄薄的保护套？就像我们吃的饼干，也是一碰就碎，可是一层薄薄的包装纸就让它安全无损了。”

说干就干。经过反复试验和摸索，马宏伟创造性地研制出了以柔性石墨为主体、改性聚四氟乙烯胶套为保护套的组合密封件。经过50多次高低温交替试验、改进、优化，最终达到了密封要求。这项成果，填补了国内超高温密封材料的空白。

茶壶激发灵感

“锁”制好后，“门”的难题又出现了。

海上热采井的套管内径是220.5毫米，大直径防污染热采悬挂密封器是实现热采防污染工艺的重要工具。这么大直径的封隔器国内闻所未闻，也无处借鉴，又得自己研制工具。而且海上稠油开采成本高，打一口井动辄数亿元，设计出来的封隔器必须能够下得去、封得住、起得出。

封隔器的设计是一个系统的工程。它主要由坐封机构、锁紧机构、密封部件、悬挂部件、脱手机构等组成，要求机构之间配合可靠，零件之间活动灵活。设计初期，马宏伟采用常规的单密封方式、双级活塞坐封机构。在试验过程中，封隔器发生漏失，耐压性能达不到要求。他们反复讨论，最后确定采取双密封机构，通过下密封助推卡瓦锚定机构，使密封性能大大提高。他们还设计出6种不同尺寸的卡瓦结构，反复试验20多套次，摸索出最佳尺寸，使锚定和密封性能终于达到了合同要求的指标。

海上热采管柱要实现防污染功能，需要单流机构，在注汽和采油时连通地层，焖井时自动关闭，以此达到不压井的目的。但是在热采井高温状况下，单流阀的设计难度非常大：既要耐高温高压，又要满足阀体在开启和关闭的动作转换时的密封。密封机构的设计相当困难，大家绞尽了脑汁。

一天，马宏伟在家吃饭，看到餐桌上放着的茶壶，眼前一亮：“如果单流开启装置也像茶壶开启一样，不就好了吗？”他放下饭碗，抱着茶壶就跑向办公室。

难题逐个被攻破。受油田科研基地试验井井深的限制，项目组来到长葛试验工房对管柱进行中间井试验，论证方案的可行性。李辉、司光礼、陈升宏、杨柏阳四位科研人员长期坚守在那里，有时候一个月也回不了一次家。210毫米外径、2米多长、重达180千克的海上热采工具，着实让他们吃不消。一次又一次地试验，来来回回地起下，工具拆了连，连了又拆，一天下来，让人筋疲力尽。“全当是健身了，等试验做完，我们也都一个个成肌肉男了。”在紧张的工作之余，他们互相打趣对方。

经过连续三个月的中间井试验和反复改进，热采防污染工艺管柱全部达到技术指标要求。管柱在高温注汽和中低温起出时，均密封可靠。注汽管柱和生产管柱转换过程中不需要压井，有效地避免了压井作业带来的地层污染。他们设计的热采悬挂密封器采用卡瓦锚定和静液压楔入式辅助铆钉结构，采取双重密封方式，悬挂可靠，密封可靠，同时解封可靠。他们采用插杆控制井下旋板开关的开启和关闭，可反复开关，并且开关的状态容易判断。

2015年3月19日，《海上热采防污染管柱配套工具的研制及工具高温工况试验》项目以充足的数据、充分的论证，获得了中海油服的高度评价，海上热采防污染工艺技术填补国内外技术空白。同时，该院的“一种多轮次高低温胶筒及制备方法”“一种热采井悬挂密封器及专用捞矛”申请了国家发明专利，“井筒防喷开关器及采油泵组”申请了国家实用新型专利。

“创新是企业发展不竭的动力。工程院科研人员以不畏艰险的精神和永不停歇的脚步，独立自主地开展海上工具的研制开发，成功地将发展的舞台从陆地拓展到了海洋，为进一步开拓外部市场打开了一片新天地。”在新研发的海上热采工具正式起运发往客户前，魏淋生对工程院的明天充满了信心。

（作者单位：河南油田）