多元热流体热采技术自2008年在渤海稠油油田进行推广以来，已在南堡35-2油田、旅大5-2北油田应用近20井次，取得了显著的增产效果^{[1, 2, 3, 4, 5]}。目前该技术主要采用由隔热油管、带孔油管组成的简易注入管柱，结构简单、起下方便，但却存在以下缺点：1)由于该注入管柱无热采封隔器，为防止高温热流体上返至油套环空，环空需要连续或间歇注氮气，因此增加了作业成本，并且使气窜风险增大；2)海上热采井多为水平井，水平段不采用分段注热流体，容易造成注入水平段的热流体不均匀，降低油藏加热效果；3)注入管柱只采用隔热油管，未采用隔热扶正器、隔热接箍等隔热工具，注入管柱的整体隔热性能有待于提高与加强^{[6, 7, 8, 9]}。鉴于此，研制了海上多元热流体高效注入管柱。

针对简易多元热流体注入管柱存在的问题，将多元热流体注入管柱设计成2段：隔热段和注热段。隔热段指井口至水平段(油层上部)的管柱，其作用是输送热流体至油层，因此必须尽可能地提高该段管柱的隔热性能，以减少热流体的热能损失，增强热采效果。注热段主要指水平段管柱，其作用是将热流体分配至油层。注热段采用分段注入管柱，以提高水平井段均匀注入程度，抑制吸热过高井段，促进吸热过低井段，提高油藏的动用程度。

海上多元热体高效注入管柱的结构自下而上为：引鞋+普通油管(水平段分段封隔器+水平段油管扶正器+均衡注入阀)(若干)+变扣接头+隔热封隔器+气举阀+隔热补偿器+隔热扶正器(若干)+隔热油管(含隔热接箍)至井口，如图 1所示。

图 1 海上热流体高效注入管柱的结构 Fig. 1 Schematic of high-efficiency offshore thermal fluid injection string

图选项

该管柱的工作原理为：注热前先向油套环空内注入氮气，通过气举阀掏空油套环空内的液体，使油套环空内充满氮气；注入热流体时由于隔热封隔器和气举阀的阻挡作用，能有效防止热流体进入油套环空，保证油套环空被氮气充满；同时隔热接箍等隔热工具进一步提高了管柱的整体隔热性能，避免高温对套管与水泥环的损害；注入热流体时，分段封隔器将水平段分为若干个独立单元，每个单元内设有一定数量和型号的均衡注热阀，以达到水平段均匀注入热流体的目的。

隔热封隔器主要由密封机构、锁紧机构、锚定机构和解封机构组成，如图 2所示。其工作原理为：坐封时，通过钢丝将堵子下至坐落短节，从油管内开始加压，压力传递至上活塞剪断坐封销钉，楔入并压缩密封件坐封，封闭油套环空；下活塞下行将卡瓦撑开并锚定在套管上，泄压后锁紧机构锁紧，防止密封件回弹，坐封结束后，通过钢丝回收堵子。解封时，上提管柱，锚定机构相对套管不动，中心管随管柱一起上行，剪断解封销钉，释放解封锁块，释放卡瓦脱离套管，再次上提将封隔器完全解封。

图 2 隔热封隔器的结构 Fig. 2 Schematic of heat insulated packer 1.上接头；2.提拉套；3.解封销钉；4.胶筒座；5.压紧螺丝；6.垫环；7.胶筒；8.楔入体；9.胶筒芯轴；10.橡胶圈；11.碟簧压环； 12.外中心管；13.内中心管；14.碟簧；15.碟簧套；16.上活塞；17.锁块1；18.锁块2；19.下活塞；20.缸套；21.锁环；22.坐封销钉； 23.上锥体；24.卡瓦；25.下锥体；26.解封锁套；27.解封锁块套；28.锁块3；29.下接头

图选项

室内高温模拟试验表明，选用楔入式复合密封件^[10](改性聚四氟乙烯加石墨胶筒+镍铬丝护肩+铜碗)能保证封隔器长期在330 ℃高温下承压20 MPa。

隔热补偿器主要由隔热接头、补偿内管、内密封和隔热外管等部分组成(见图 3)，其作用是补偿注入热流体过程中高温造成的井下管柱的伸长量，防止注热流体时管柱无法伸缩，造成封隔器密封失效或者压弯管柱；同时，该补偿器具有隔热和传递扭矩的功能。其隔热原理为：该补偿器的上接头和本体均为2层管结构，通过焊接形成一个环状的密封腔体，抽真空使该腔体变成真空层，并在真空层内填充隔热材料，以减少热对流、热辐射和热传导，获得较好的隔热性能。另外，在下入过程中上提补偿器内管时，内管上的凹凸槽与密封盒内的凹凸槽相互啮合，此时补偿器能够整体旋转，实现扭矩传递。根据密封性评价试验并考虑经济性，选用高碳纤维盘根和石墨的交叉组合作为内密封材料。

图 3 隔热补偿器的结构 Fig. 3 Schematic of insulated compensator 1.上接头；2.压帽；3.内密封材料；4.密封盒；5.中间接箍； 6.补偿内管；7.隔热外管；8.承重接头；9.下接头

图选项

隔热扶正器主要由隔热接箍、隔热内管、扶正体、扶正块和回弹体组成，如图 4所示。

图 4 隔热扶正器的结构 Fig. 4 Schematic of insulated centralizer 1.隔热接箍；2.隔热内管；3.扶正体；4.扶正块； 5.回弹体；6.护环

图选项

其工作原理为：该扶正器与隔热油管连接后下入井内，扶正器通过扶正体上的扶正块支撑在套管壁面上，使扶正器和注入管柱居于套管的中心轴线上，防止或减少注入管柱直接贴合套管内壁，减少热量损失。在隔热原理方面，扶正器的接箍及本体均具有良好的隔热性能，其隔热原理与隔热补偿器类似，采用“双管抽真空+充填隔热材料”的方式。

均衡注入阀主要由中心管、换向套、密封环和配注孔组成，如图 5所示。其工作原理为：注入热流体时，热流体通过中心管内的配注孔流出，由于换向套的作用，流向变为沿着管柱轴线方向，避免了高速热流体对筛管的直接冲击。依据最大外径和泄流面积的不同，注入阀型号不同，根据每个水平井段配注量设计要求确定注入阀的数量及型号，以达到均匀注入热流体的目的。

图 5 均衡注入阀的结构 Fig. 5 Schematic of uniform heat allocation device

图选项

分段封隔器主要由连接机构、密封机构、支撑机构和坐封机构组成，如图 6所示。其工作原理为：当注入热流体时，由于温度升高，热敏金属开始膨胀，当温度达到200 ℃时，热敏金属件推动密封胶筒扩张至与套管内壁接触，实现初步坐封。初步坐封后，封隔器上下两端形成压力差，通过平衡气孔的热蒸汽继续推动密封胶筒向外扩张，实现自动密封；停止注热流体后，随着温度降低，密封件自动回收，实现解封。

图 6 水平段分段封隔器的结构 Fig. 6 Schematic of segmenting packer in horizontal sections 1.上接头；2.挡环；3.热敏金属；4.支撑环；5.胶筒； 6.中心管；7.下接头

图选项

表 1为各关键工具的主要技术参数。

由于多元热流体具有较强的腐蚀性，所以为了防止注入管柱发生腐蚀，所有与热流体相接触的工具零部件均采用铬钼钢，并对其表面进行镀镍磷处理，且在注入多元热流体时伴注耐高温缓蚀剂。

根据相关标准和要求^{[11, 12]}，对所有关键工具进行了室内试验和现场试验，结果表明，所有工具均达到了相应要求，其中隔热扶正器和隔热型补偿器的视导热系数分别为0.017 9和0.009 9 W/(m·℃)，隔热性能达到D级。

隔热封隔器地面试验结果显示：该封隔器坐封压力约18 MPa，压缩距为150 mm，满足胶筒压缩需要；最大锚定力为816 kN，为理论需要值的1.3倍，最大解封力为81 kN。在井下高温试验(试验原理见图 7)过程中，以氮气为试验介质，将封隔器从室温升至330 ℃，在此过程中隔热封隔器均能承受20 MPa的压差(见表 2)。

图 7 高温试验原理示意 Fig. 7 Schematic of theory of high temperature experiment

图选项

将隔热补偿器装配好，在常温至350 ℃之间选取6～7个温度点检测其密封性能，结果见表 3。由表 3看出，补偿器在不同温度下均能承受20 MPa的压差，密封性良好。

将水平段分段封隔器装配好，分别进行常温试验与高温试验。常温下该工具整体耐压35 MPa，不渗不漏，钢体及丝扣无损坏和变形。高温试验结果表明，该工具的坐封温度为240 ℃，能耐330 ℃高温，高温下承压达10 MPa。

均衡注入阀在渤海油田稠油井中试用了7井次，均达到了水平段均匀注入热流体的目的。

1) 海上多元热流体高效注入管柱无需环空连续注氮，能够降低注氮成本，并且该管柱采用了隔热扶正器和隔热补偿器，能极大地提高管柱的隔热性能，减少高温对水泥环的损害。

2) 海上多元热流体高效注入管柱的关键工具均能满足耐高温的要求，性能达到了设计要求。

3) 水平段设置均衡注入阀，能达到均匀注入热流体的目的。