海上热采环空连续注氮辅助隔热方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于稠油井注热流体开采的环空连续注氮气辅助隔热技术。背景技术 稠油粘度大、 流动性差， 常规冷采已不能满足油田高效开发的需求。因此， 注热流 体 ( 热水、 蒸汽或者蒸汽与非凝析气的混合物 ) 已成为国内外开采稠油主要技术之一。在 稠油井注热流体吞吐开采过程中， 如果井筒隔热效果不理想， 随着吞吐轮次的增加， 套管多 次经受高温、 高压热应力作用而损坏变形， 将严重影响油井的正常生产 ； 同时， 随着套管温 度升高， 热量向地层散失加快， 热能利用率降低， 影响热采增油效果。 因此， 在热流体注入过 程中， 如何保证套管安全并尽可能减少井筒热损失是工艺方案设计中不可忽略的一环。从 热量传递的角度来说， 降低井筒热损失最有效的途径主要有两种 ： 一是采用高热阻的真空 隔热管， 减少热量从油管内壁向油管外壁的传递速度 ； 二是在油管和套管环空充入惰性气 体， 降低油管和套管间环空流体的导热系数， 减少热量从油管外壁向套管的传递速度。 专利 89105087.6 将两种隔热方法相结合， 即采用隔热油管的同时， 向环空中充入氮气， 从而进一 步降低热损失。
研究表明， 油套环空中氮气压力低于油管中注入压力时， 注入高温流体将逐渐窜 入油套环空。此时， 隔热油管井筒径向热阻不再是简单的串联关系， 隔热油管隔热作用将 被 “短路” ， 失去高热阻隔热功效。因此， 在实际实施过程中， 往往需要在隔热油管末端安装 封隔器， 将环空的氮气与井筒的蒸汽封隔开。 但是， 使用封隔器不但增加作业成本和作业难 度， 而且当封隔器密封不严时， 仍然存在蒸汽窜流现象。
海上石油开发是一个高收益、 高投入和高风险的行业， 其钻完井费用是陆地油田 的 10 倍以上， 因此， 海上稠油热采时不仅注热强度高， 而且要求油井的生产周期长。显然， 常规井筒隔热技术已不能满足海上稠油热采的技术要求， 需要寻找一种更为有效的井筒隔 热技术。
发明内容 本发明提供了一种用于海上稠油井注热开采的环空连续注氮气辅助隔热方法， 不 仅可以在注热过程中保护套管， 延长套管使用寿命， 而且注入地层的氮气还可以扩大热流 体的波及范围， 增加地层能量， 在生产阶段起到助排的作用。
本发明的一种海上热采环空连续注氮辅助隔热的方法是 ： 向隔热油管内注入热流 体， 同时向在隔热油管与套管之间形成的环空内连续注入氮气， 氮气在隔热油管的输出端 与热流体汇合， 一并被输入到地层。
优选地， 所述方法具体是 ： 在向所述隔热油管内注入热流体 2 小时后， 启动注氮气 设备， 将纯度为 95％～ 97％的氮气， 经增压机增压到 5 ～ 20MPa， 经油管四通连续注入形成 在所述隔热油管与套管之间的环空内。
优选地， 控制氮气排量 400 ～ 600Nm3/h， 氮气温度控制在 40℃以下 ； 其中， 热流体
注入期间， 每 10 小时， 停注氮气 2 小时。
优选地， 选择所述隔热油管时， 首先根据注热温度、 注热速度及套管的耐温性能选 择隔热油管的隔热等级， 再根据井型、 井深、 井身结构选择隔热油管的尺寸， 隔热油管为高 真空预应力隔热油管， 隔热性能如下表 ：
表 1 隔热等级
4102071915 A CN 102071919说明0.006 ＞ λ ≥ 0.002书3/8 页E D C B A
预应力隔热油管机械性能应满足注蒸汽井各种工况所需要的抗拉、 抗内压、 抗外 挤压等要求， 其具体性能参数如下表所示 ：
表 2 预应力隔热油管机械性能5视导热系数 (λ)隔热等级0.08 ＞ λ ≥ 0.060.06 ＞ λ ≥ 0.040.04 ＞ λ ≥ 0.020.02 ＞ λ ≥ 0.本发明具有如下特点 ：
(1) 连续流动的氮气不仅可以在油管和套管的环空中建立一个隔热带， 还可以对 套管起到冷却作用， 有效防止套管因受热而发生损坏 ；
(2) 经隔热油管散失的热量被氮气吸收， 氮气携带一部分热量进入地层， 从而减少 了注热过程中的热损失 ；
(3) 氮气进入地层后， 增加了地层的弹性能量， 油井进入生产阶段后可以起到助排 作用， 提高回采水率 ；
(4) 氮气进入地层后， 还可提高热流体的波及范围。由于氮气的存在， 在重力分异 作用下扩大注入流体在储层内的波及体积， 可以有效地提高波及体积， 提高蒸汽吞吐热采 的阶段采收率 ；
(5) 适用于海上稠油热采高强度注热的特点， 有效降低套损发生的概率， 延长套管 使用寿命。
附图说明 图 1 为本发明工艺流程图。
图1中： 1- 热流体， 2- 氮气， 3- 套管， 4- 隔热油管， 5- 顶部封隔器， 6- 筛管。
图 2 为不同氮气注入速度下的套管温度。
图 2 中的氮气注入速度 ： 1a-100Nm3/h， 2a-200Nm3/h， 3a-300Nm3/h， 4a-400Nm3/h， 5a-500Nm3/h， 6a-600Nm3/h。
图 3 为不同氮气注入速度下的热损失。
图 3 中的氮气注入速度 ： 1b-100Nm3/h， 2b-200Nm3/h， 3b-300Nm3/h， 4b-400Nm3/h， 5b-500Nm3/h， 6b-600Nm3/h。
具体实施方式
本发明与上述专利中环空充氮技术在目的和工艺上均有本质不同。如图 1 所示， 本发明是在热采注热期间， 在利用隔热油管 4 的前提下， 通过向隔热油管 4 与套管 3 的环空 内连续注入氮气 2， 氮气 2 在隔热油管 4 的输出端与注入的热流体 1 汇合并进入到地层。
另外， 在套管 3 的输出端上， 通过顶部封隔器 5 安装有筛管 6， 从而起到防砂的作 用。本发明以高真空预应力隔热油管作为主要隔热措施。选择隔热油管时， 首先根据 注热温度、 注热速度及套管的耐温性能选择隔热油管的隔热等级， 再根据井型、 井深、 井身 结构选择隔热油管的尺寸。因为预应力隔热油管机械性能 ( 包括抗拉载荷、 抗内压及抗外 压 ) 取决于它的结构尺寸。
高真空预应力隔热油管的隔热性能如下 ：
表 1 隔热等级
7102071915 A CN 102071919说明0.006 ＞ λ ≥ 0.002书6/8 页E D C B A
预应力隔热油管机械性能应满足注蒸汽井各种工况所需要的抗拉、 抗内压、 抗外 挤压等要求， 其具体性能参数如下表所示。
表 2 预应力隔热油管机械性能8视导热系数 (λ)隔热等级0.08 ＞ λ ≥ 0.060.06 ＞ λ ≥ 0.040.04 ＞ λ ≥ 0.020.02 ＞ λ ≥ 0.
本发明以连续流动的氮气作为油套环空隔热介质。设计氮气注入速度时， 总和考 虑注热参数、 隔热油管参数及套管的耐温等级。计算出不同氮气注入速度下的套管温度及 热损失 ( 见图 2 和图 3)， 以套管温度最低和热损失最小为优化目标， 同时兼顾注氮气设备 3 注入过程中每注 10h， 停注 的能力和油藏评价的结果。氮气注入量一般为 400 ～ 600Nm /h， 2h。
本发明所用氮气纯度为 95％～ 97％， 由压缩空气经膜分离制氮机进行分离后制 得， 再经增压机将纯氮气增压到 5 ～ 20MPa( 取决于注热流体压力 )， 经套管四通注入油套环 空。
氮气注入设备的性能指标如下 ：
表 3 氮气注入设备性能
下面通过具体进行说明。
1. 根据井深结构、 注热参数 ( 热流体组成、 注入速度、 注入温度及注入量 ) 优选隔 热油管， 确定隔热油管类型 ；
2. 根据注热参数及优化的注热管柱类型优化氮气注入速度 ；
3. 下入注热管柱、 洗井， 安装高温高压注热井口装置 ；
4. 连接注热管线和注氮气管线。注热管线加装保温层， 减少热损失， 防止人员烫 伤， 注氮气管线采用高压硬管线 ；
5. 关闭井口装置的油管、 套管阀门， 启动热流体发生器和氮气设备， 分别对注热管
线和注氮管线进行试压， 确保注热管线、 注氮管线及井口装置不发生刺漏 ；
6. 打开采油树主阀， 开始注入热流体 ；
7. 热流体注入 2 小时后， 打开套管翼阀， 启动注氮气设备， 环空注入氮气， 控制 3 排量 400 ～ 600Nm /h， 氮气注入压力为 5 ～ 20MPa， 氮气注入温度在 40 ℃以下， 氮气纯度 96％～ 98％ ；
8. 热流体注入期间， 每 10 小时， 停注氮气 2 小时 ；
9. 注热期间， 定时记录注井口油管压力、 套管压力及温度情况， 观察管线及井口装 置是否发生刺漏。
2008 年 9 月 23 日 在 渤 海 湾 某 井 实 验 本 发 明。 该 井 是 一 口 水 平 分 支 井， 井深 1703.00m， 采用裸眼优质筛管防砂完井。应用本发明时， 下入 Φ114×62mm 隔热油管至油层 中部。热流体注入温度为 130 ～ 140℃。热流体注入速度 8 ～ 9t/h， 累计注入时间 626.3h。 3 注热过程中环空连续注入氮气， 注氮速度 600Nm /h， 注入压力 9 ～ 14MPa， 注热过程中环 3 空累计注入氮气 392470Nm 。为了验证环空连续注氮隔热效果， 在注入管柱出口端 ( 井深 1520m) 装有存储式温度测定装置， 放喷结束后取出该装置读取注热期间井底热流体温度， 注热期间井底温度为 125 ～ 130℃， 与热流体发生器出口温度相差 10℃左右， 可见注热过程 中热量损失较少， 隔热效果良好。截止 2008 年 12 月 16 日， 该井注热后共采出原油 2274.51 方， 平均日产 63.2 方， 比作业前的日产 33 方增加 30 方左右， 到 2009 年 3 月 8 日， 回采水率 已达到 100％， 氮气助排作用非常明显。