樊宏伟，刘菊泉，宋胜军 （克拉玛依职业技术学院石油工程系，新疆 克拉玛依 833600）

李洪 （中石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000）

艾赛提 （克拉玛依职业技术学院石油工程系，新疆 克拉玛依 833600）

刘晓勇 （中石化河南油田分公司新疆勘探开发中心，新疆 奎屯 833200）

在深水油气井和注蒸汽热采井中，由于井筒和井筒周围环境存在很大的温度差，井筒热流体 （油、气、蒸汽）中的大量热量会向地层 （或海水）散失掉。大量热量散失主要出现以下不利的现象：油气井大量结蜡，生成天然气水合物，影响产量；套管发生热应力损坏，甚至影响到水泥环，有时还会因环空带压值过高，对套管、井口装置造成损害；降低蒸汽干度，影响注汽效果。为了保证油气井产量、确保注汽效果，保护井下设备，防止各种不利现象的发生，油田现场必须采取一些技术和方法对井筒进行隔热，从而保证产量、确保安全、力求油气井生产的完整性［1－6］。

为了防止和消除大量热量散失带来的各种危害，自20世纪60年代以来，国内外研究和应用了多种井筒隔热技术，这些技术主要有水隔热、油隔热、气体隔热、硅膜 （Silicate Foam）隔热、VIT隔热、VIC隔热和封隔液隔热。长期的现场应用表明，水隔热是最简单、最普通的隔热方式且其隔热效果最为一般，用油隔热不能解决固相沉积问题，而硅膜隔热不能消除 “热点”现象而效果不够理想。当前国内外油田应用的井筒隔热技术主要有气体隔热、VIT隔热、VIC隔热、隔热封隔液隔热等技术。

1 气体隔热

该技术主要应用在注蒸汽热采稠油井中，包括油套环空气体隔热技术、油套环空伴注N2技术以及SAGD蒸汽腔气体隔热技术。

1）环空密闭气体隔热 在上、下分别由井口装置和热采封隔器构成的油套密闭环空中充入低压N2、水蒸汽等 “惰性气体”，利用气体的低导热性能，减少油管内热流体的导热损失量，防止套管和水泥环因热应力损坏 （见图1）。该技术能够有效降低因热传导而带来的热损失，对提高井底蒸汽干度，保证油井完整性具有重要意义。

在高温蒸汽 （可以高达350℃左右）的长期作用下，热采封隔器容易发生漏失甚至失效，此时环空下部可能积水，积水面之下的液体会形成自然对流，影响预期的隔热效果，因此封隔器的耐热性能至关重要。另外，密闭环空中的传热方式除了热传导外，还有对流传热和热辐射传热，并且对流传热热损失量并不亚于导热损失量。尽管导热损失量小，但环空惰性气体与油管外壁的自然对流传热可能很大。该隔热方式适用于井深较浅的情况，能够取得较好的隔热效果。

2）环空伴注N2隔热 环空伴注N2技术是指从油管注入高温蒸汽的同时，在油套管环空持续注入N2，蒸汽和N2在下部混合后进入稠油油层。其井身结构相对较简单，没有热采封隔器，甚至不使用隔热油管 （见图2）。除了隔热作用，伴注的N2技术一般还具有以下作用：N2扩大蒸汽的波及体积，补充地层能量，提高回采水率；N2所具有的良好膨胀性既能减少注蒸汽量，又能增大驱油时的弹性能量；伴注N2还能有效控制底水锥进，降低原油含水率。

该隔热方法主要应用在蒸汽吞吐开采稠油方面，一般称为N2辅助蒸汽吞吐技术。自20世纪90年代开始，国内在克拉玛依油田、胜利单家寺、胜坨和乐安油田、辽河曙光采油厂、江汉八庙河油田进行了大量试验和应用，取得了很好的经济效益。

3）蒸汽腔非凝析气隔热 自20世纪70年代末起，Butler等研究成功的SAGD （蒸汽辅助重力泄油）技术在稠油、油砂，沥青的开采中大量应用。但是，高温蒸汽腔与盖层直接接触，大量热量散失到盖层中，蒸汽的热量利用率比较低，此种情况在薄油层中尤其明显。Butler［7］改进SAGD，进一步提出了SAGP（蒸汽与非凝析气驱油）技术，用非凝析气体隔热，提高了蒸汽热量利用率。该技术是指在SAGD注入的蒸汽中，加入一定量的N2、CO2、CH4、C2H6、C3H8、烟道气等非凝析气体。在蒸汽腔温度和压力下，非凝析气具有较低密度，在蒸汽腔的顶部聚集，形成气体聚集带，成为一个良好的隔热层，降低了蒸汽热量向顶盖层的损失，有效保证了蒸汽热量进入稠油层 （油砂层）。另外，非凝析气能够保持蒸汽腔内压，防止因蒸汽冷却成水而造成的压力下降导致的蒸汽腔破坏［8－9］。

10多年来，SAGP技术在开发薄稠油、油砂，沥青层等特殊储层方面起到了重要应用。国内该技术仅在辽河油田杜84块馆陶组油藏中得到应用，油藏的50℃地面脱气原油黏度高达23.2×104mPa·s，属于超稠油油藏。油藏上部存在顶水，顶水与稠油层间是一个厚度为3～4m的沥青壳。为了防止因注入蒸汽加热沥青层而导致的顶水下泄，避免顶水进而进入稠油层，研究并应用了以N2做为非凝析气的SAGP技术。该技术通过在注入蒸汽中添加一定量N2，确保N2在蒸汽腔上部形成一个有效厚度为10～15m的N2隔热层。该N2层有效防止了蒸汽超覆，避免了顶水下泄，大大减少了蒸汽热量的散失，提高了蒸汽利用率［10］。

图1 环空惰性气体隔热示意图

图2 环空伴注N2隔热示意图

2 VIT隔热

真空隔热油管 （Vacuum Insulated Tubing，VIT），是指用接箍把真空隔热油管连接起来组成隔热管柱。单根油管由2个薄壁管套在一起，并把内部抽成真空。VIT技术隔热性能好，是最有效的隔热方式之一，在热采井和深水油气井中应用非常广泛。然而，油气井下入VIT时额外要求较大尺寸的钻头和各层套管，相应地增加钻井液、完井液用量，还会增加钻井时间，这些都大大增加了油气生产成本。就算不顾成本使用VIT进行隔热，其接箍处的热损失，加上从管内扶正器及阀件等处损失的热量仍然很大。另外，VIT在稠油蒸汽吞吐井中还凸显另外两个明显的不足。通过VIT注入蒸汽后，将起出VIT管柱，然后下入普通油管进行生产，这样增加了作业费用，耽误了高温热采时间。除此之外，高绝热性能的隔热油管价格高，而且随着注蒸汽井注汽轮次和时间的增加，隔热油管会因腐蚀、结垢、磨损、老化等原因导致隔热能力降低，热损失不断增大，汽油比迅速下降。这些都是VIT技术的不足之处。

3 VIC隔热

针对稠油热采使用VIT技术的种种不足，国内辽河油田、河南油田从改进传统的VIT技术出发，对套管进行隔热，研制成功了真空隔热套管 （Vacuum Insulated Casing，VIC）隔热技术。VIC的原理和VIT一样，也是通过对双层钢管的密封，形成真空来实现隔热。该隔热技术有效保护套管，防止套管、水泥环损坏，也起到提高井底蒸汽干度的作用。与普通热采井筒相比，VIC井筒结构大为简化，注蒸汽时省略了下入VIT的复杂工艺，节省了大量的人力物力。尤其是修井时，普通热采井筒需要起出几乎与井深相同长度的VIT，修井结束后再重新下入，而VIC井筒省略了上述所有工作，节省了大量的修井费用。辽河油田和河南油田的现场应用表明，该技术还有利于简化热采工艺，提高生产时率，对特超稠油的开发具有重要意义，并且有望在地热井、深水井隔热方面应用［11－13］。

4 封隔液隔热

隔热封隔液是指充填于井下环空中起隔热作用的工作液，井下环空包括油管与隔水管环空，双隔水管间环空，A环空、B环空及C环空等。该系列技术是对环空注水或环空充惰性气体隔热技术的改进，大大减小了井筒中导热和自然对流传热损失。根据连续相的性质，可以分为2大类，即油基隔热封隔液和水基隔热封隔液。

1）油基封隔液 油基隔热封隔液包括油包水体系和合成基体系。油基隔热封隔液耐温性能好，性能稳定，导热系数很小，大大减小了导热损失量，隔热效果较好。由于油会对海洋造成污染，因此一般只用在陆上油井，如注蒸汽热采井。对于压力系数较高的隔热油气井，往往要求较高密度的油基封隔液，如果采用固相加重方式，往往在后期造成封隔器顶的大量固相沉积，引起封隔器工作的不稳定，甚至损坏封隔器，造成油基封隔液与储层接触，伤害储层。因此，在油气储层对封隔液的密度要求不高，隔热需求也不是很高时，可以选用油基体系进行隔热。

2）水基封隔液 水基隔热封隔液是在传统清洁盐水封隔液的基础上经隔热能力改善而发展起来的工作液体系。由于环空中的热损失主要是导热损失，以及封隔液与壁面的自然对流传热损失，通过提高水基封隔液的导热系数可以削弱导热传热，而增大封隔液的表观黏度可以减小自然对流传热。近20年来，在挑战深水、超深水油气井井筒隔热技术过程中，多家大油田服务公司取得到了一系列突破。

图3 隔热封隔液NAIF的应用

从20世纪末起，BJ Services公司的Javora等人研发并应用了三代水基隔热封隔液体系，即ABIF、ATIF及NAIF。该系列封隔液是溶剂固化体系，其基本构成是 “水＋可溶性盐＋增黏剂＋二醇＋固化剂”。可溶性盐调节体系密度并减小导热系数；增黏剂是一种多糖类聚合物，用它来调节体系的流变性，获得极佳的剪切稀释性；二醇既可以减小体系的导热系数，又可以增强体系的抗温性能。使用固化剂来固化体系中的溶剂 （水和二醇），进一步减小自然对流传热损失。截止2008年，这几代隔热封隔液在墨西哥湾深水油气田中应用超过70次，取得了很好的经济效益。图3所示是NAIF体系在墨西哥湾Horn Mountain区块一口深水井中的应用。该井使用双隔水管，内外隔水管间环空下部分充填隔热封隔液NAIF，起到良好隔热作用，而最上部分61m部分充填低压N2，既起隔热作用，又可以缓冲下部NAIF因受热产生的膨胀；普通油管和内隔水管间环空充填低压N2，进一步起到隔热作用。双重隔热保证了热量不散失到海水中，确保了该深水油气井生产的完整性。

Baroid公司的自交联隔热封隔液体系HTIPF（the ultra high－temperature insulating packer fluid）不含交联剂，体系在一定温度下发生 “高温自交联”。该体系的主要构成是：水＋可溶性盐＋多元醇＋增黏剂A＋增黏剂B＋其他。2种增黏剂都是纳米型无机聚合物，具有 “温度活化”的特性，当达到一定温度时，增黏剂活化，从而发生交联作用。常温下，2种增黏剂的水溶液只具有很低的黏度，便于封隔液被泵送进入井下环空；一旦处于井下环空特定的温度环境，二者即发生交联，黏度迅猛增加，并能保持长期稳定，长效降低自然对流传热损失。该交联体系抗温高至177℃，其密度在1.02～2.04g／cm3间连续可调，导热系数小于0.35W／（m·K）。精确的室内模拟实验测得HTIPF的对流传热系数仅为17.3W／（m2·K），而同等条件下水的对流传热系数达503.9W／（m2·K），热损失量仅为纯水损失量的3%。另外，体系表现出抗温性能力强，密度范围宽，隔热性能佳的特点。该体系成功地避免了墨西哥湾地区深水井的环空带压问题及注蒸汽热采井井口上升过大问题。

5 发展趋势及建议

环空密闭气体隔热是一种比较简单的隔热方式，在热采封隔器完好无损的情况下，能够大大减少导热损失，但没有考虑环空气体自然对流传热损失，也不能减少辐射传热损失。一旦封隔器受损，自然对流传热损失更加巨大。在隔热要求不高的情况下可以应用。环空伴注N2隔热是一种既能隔热又能大力增强注汽驱油效果的新技术，应该进一步进行现场试验并进行技术改进，取得更佳的隔热和驱油效果。添加非凝析气对蒸汽腔的隔热技术是SAGD的重大进步，对薄稠油层、带顶水油藏的开发具有重要意义。VIT技术是一种非常有效的井筒隔热方式，但其成本高，并且存在接箍损失等缺点，其应用常受成本限制。VIC隔热是一种新的隔热思路，该新技术的推广有待于进一步现场试验应用。油基封隔液隔热适用于于陆地热采井环空隔热，密度要求低，隔热要求不高的情况。水基封隔液可用于陆地热采井、地热井及极低低温井，特别适合深水油气井。既能保护储层，又不会造成海洋环境污染。它的密度可调范围宽，隔热性能极佳，长期稳定性好，价格适中，是一种非常好的隔热方式。

1）发展趋势 蒸汽腔非凝析气隔热在国内的应用刚刚开始，各方面都不成熟，有待进一步研究，具有很大的发展潜力；VIC隔热技术有待进一步现场评价，对VIC的尺寸设计需要进行多方面的考虑和调整，有广泛的应用前景；水基隔热封隔液的应用前景最为广泛，但在高温稳定性和密度范围方面还具有广泛的研究余地。

2）建议 建议国内相关油田和政府部门及高校人员引起重视，投入大量物力和人力对蒸汽腔非凝析气隔热、VIC隔热尤其是水基封隔液隔热技术进行攻关，从而有效开发国内深水油气田和稠油油藏。

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