马认琦，刘 鹏，王世强，鞠少栋

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

稠油资源丰富，约占世界剩余油资源的70%，如何利用有效技术开采稠油，已成为石油企业面临的首要任务[1]。根据稠油的材质特点来看，稠油对温度十分敏感，温度越高，稠油的黏度便会越低。热力采油是稠油开采的主要方法，其中热流体注入是最常用的增长措施[2-3]。陆地油田使用较多的是蒸汽吞吐，海上油田则是混合流体驱(成份主要为水蒸汽、CO2和N2)和蒸汽吞吐2种[4]。无论是哪种注热形式，都对井下工具的耐温、耐压等级要求较高，混合流体驱，井下工具的耐温等级不低于280 ℃，蒸汽吞吐，耐温需达到350 ℃；井下工具刚体部分的强度在高温下降低率一般不超过20%，可以通过增加钢件厚度和提高钢级的方法进行改进。密封件，特别是封隔器的胶筒，面临较大挑战[5-6]。

1 聚四氟改良复合胶筒

胜利油田、辽河油田和海上油田的稠热井较多，由于蒸汽吞吐过程温度高，驱替效果更好，因此开采方式以蒸汽吞吐为主。稠油井的完井方式主要以砾石充填水平井为主[7]，胜利油田稠油区块的热采水平井占到水平井总数的40%左右[8]。对于井下的完井管柱，封隔器主要有高温悬挂封隔器和层间的分层封隔器，对于注汽管柱，注汽管柱下方连接有热敏高温封隔器和在完井管柱内分层的注汽封隔器。

高温悬挂封隔器胶筒和分层封隔器高温胶筒的材质使用较多的是聚四氟改良的复合材料，胶筒硬度远高于普通的橡胶胶筒。该类胶筒在高温下保持较高的强度，从而可以在高温环境下使用。相对于胜利油田，辽河油田的注汽温度较低，注汽时井口温度一般不超过320 ℃，胜利油田注汽时井口温度较高，最高可达到350 ℃。通过调节高温胶筒添加剂的含量，可以使胶筒在320～350 ℃温度下使用。

该类胶筒的优点：①未注蒸汽前，即温度较低时可以在较低坐封力下实现坐封，且密封的压力较高，满足砾石充填工艺要求；②注入蒸汽后，胶筒硬度降低，在高温下会在坐封的基础上进一步膨胀，可在350 ℃高温下密封21 MPa以上的压力，满足第1轮次中分层均匀注汽的需要。

该类胶筒只能在第1轮次中实现密封，一旦温度降低，则密封能力剧降。通过对常用的聚四氟改良复合胶筒进行高低温试验，发现当温度降到常温下后仅能密封3 MPa以内的压力，无法实现较好的密封。

该类胶筒虽然在温度降低后密封能力降低，并不影响其使用，因为在第1轮次的蒸汽吞吐过程中，一些细砂砾石会被冲到胶筒下面，形成砂桥，即使第1轮次结束后，悬挂封隔器的胶筒无法进行高压密封，在胶筒下方砂桥的阻挡下，地层砂及充填的砂砾也很难冲到胶筒上方，也就是说低压密封仅起到挡砂的作用。目前，该类胶筒在胜利油田已应用几百口井，因悬挂封隔器胶筒失效而出砂的事故井极少；同时该类胶筒的成本较低，一套胶筒的成本仅为2 000～3 000元，因此在各油田得到了大规模应用。

对于聚四氟改良材质的高温胶筒，胶筒的坐封方式有2种，一种是压缩式，坐封方式与普通的橡胶胶筒一样，将胶筒压缩后，实现封隔，如图1；另一种是楔入式，坐封方式相对于压缩式，对胶筒压缩的更加充分，且不用考虑胶筒被压缩后在轴向发生回复。该坐封方式对锁定机构要求较低，如图2。

图1 压缩式胶筒

图2 楔入式胶筒结构

除了完井管柱上的悬挂封隔器和分层封隔器，为了均匀注汽，注汽管柱上连有2种封隔器，一种是坐封在套管内的热敏封隔器，该封隔器是防止注入的蒸汽返到套管内[9]；另一种是坐封在筛管内的管内封隔器，实现完井管柱内的均匀注汽。热敏封隔器胶筒由内外两部分组成，内部是数组热敏金属材料，外部是聚四氟改良复合胶筒。每组热敏金属材料是由上下两层金属构成的，当注入蒸汽温度升高时，由于两层金属的热膨胀系数不同而迫使本身发生挠曲变形而产生变形力，当温度达到200 ℃时，热敏金属件即可扩张撑开胶筒使其与套管内壁接触，实现初步坐封，当温度到达280 ℃左右时，膨胀到最大，实现套管内的密封[10-11]。筛管内的管内封隔器胶筒属于皮碗单向密封件，材质也是聚四氟改良复合材料，注汽压力越大，皮碗外径被撑的越大，密封效果越好，而该类胶筒可密封的压差仅为5 MPa左右，适合均匀注汽。

2 石墨硅基复合胶筒

为了让胶筒在第2轮次及以后的轮次中能够密封，实现可靠的分层，胜利油田与北京某科技公司合作开发了一种新型耐高温复合材料。该复合材料主要由膨化预氧丝、核基石墨和聚氮环硅烷基组成，采用几微米到20 μm的硅基纤维为基材，通过在其分子矩阵内加入纳米级的交联剂链接矩阵，并融入核用石墨，增强其耐腐蚀性与润滑性，形成一种新型的能够耐高温高压的高强度高弹性复合材料，如图3。该新型复合材料的抗拉强度不低于20 MPa，压缩率不低于50%，回弹率不低于50%。该材质制成的胶筒虽然也需要在高温下能保持较高强度，但是该胶筒材质的硬度与普通橡胶胶筒相近，手可以压缩，如图4。该胶筒可以在高温下仍有较好的弹性，即使温度从350 ℃高温降至常温，胶筒对套管的回弹力也较好，仍能密封20 MPa的压力。将该胶筒用高温喷枪进行烘烤，烘烤处的表面出现一层白色灰状物质，用手一擦，即可擦掉，与烘烤前一样，如图5。

图3 新型耐高温复合材料胶筒

该胶筒优点：①胶筒材质较软，硬度与普通橡胶胶筒相当，可以在较低的坐封力作用下实现充分坐封，且可以在常温下密封不低于20 MPa的压力，不影响后续的砾石充填工艺的实施；②注蒸汽过程，第1轮次完成后，在后续的几个轮次过程中，即使温度下降，该胶筒仍对套管有大的侧压力，可以密封不低于20 MPa的压力，实现分层均匀注汽，也可以分层开采。

图4 手压胶筒

图5 擦拭后的胶筒

该胶筒虽然在性能上优于聚四氟改良复合胶筒，但该新型复合材料的合成工艺相对复杂，成本高于聚四氟改良复合胶筒，因此在推广应用上存在较大困难。目前，该新型胶筒仅在胜利油田成功应用3口井左右。

3 新高温胶筒方案

考虑到聚四氟改良复合胶筒无法在高低温交替环境下正常工作，而新型的石墨硅基胶筒成本过高，设计了2种新的高温胶筒方案，一种是为了防止已经膨胀的聚四氟改良材质胶筒在温度降低时回复，影响密封，将聚四氟改良复合胶筒外侧和内侧增加石墨，因为石墨随胶筒一旦被压实，在高低温变化过程中，体积变化极小，从而防止了聚四氟改良复合胶筒回缩，胶筒组合结构如图6。另一种是通过在聚四氟改良复合胶筒两边增加碟簧或热敏材料，碟簧或热敏材料可增加聚四氟改良复合胶筒的预紧力，增加密封效果。

图6 高温胶筒方案一示意

4 结论

1) 聚四氟改良复合胶筒成本较低，应用较广泛，但只能在第1轮次注汽中密封较好，实现均匀注汽，在后续轮次仅能起到挡砂的作用。

2) 石墨硅基复合胶筒可以在多轮次注汽中密封良好，可以在多次冷热交替环境下使用。但成本过高，推广较难，需要大幅降低成本。

3) 通过增加石墨和预紧力，设计了2种新的胶筒方案，便于后续研究。