新型熱采篩管在海上稠油油田的應(yīng)用

劉新鋒，王新根，王忠祿，劉金鑫，劉正偉

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459)

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新型熱采篩管在海上稠油油田的應(yīng)用

劉新鋒，王新根，王忠祿，劉金鑫，劉正偉*

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459)

海上熱采井井底溫度達(dá)300 ℃，高溫?zé)釕?yīng)力加劇了出砂風(fēng)險(xiǎn)，篩管作為最后一道屏障，決定著熱采防砂的成敗。篩管在高溫、腐蝕和強(qiáng)注強(qiáng)采的惡劣環(huán)境下易發(fā)生損壞，導(dǎo)致油井出砂停產(chǎn)。針對(duì)海上熱采井生產(chǎn)特點(diǎn)，研發(fā)了新型熱采篩管。該篩管材質(zhì)選用熱穩(wěn)定性強(qiáng)、耐腐蝕和強(qiáng)度高的P110H-3Cr鋼材；結(jié)構(gòu)優(yōu)化為7層，內(nèi)外2層擋砂網(wǎng)精度外大內(nèi)小，逐層過濾；特殊結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流外護(hù)套，減少高速流體沖蝕影響。新型熱采篩管不僅具備較好的熱穩(wěn)定性能，而且提高了抗腐蝕能力。截至2015年12月，新型熱采篩管已成功應(yīng)用15井次，作業(yè)成功率為100%，單井產(chǎn)能提高2～3倍，未發(fā)生出砂及篩管損壞情況。該技術(shù)滿足了海上油田熱采防砂要求，為提高熱采效果奠定了基礎(chǔ)。

篩管；出砂；防砂；熱應(yīng)力；熱采；稠油；海上油田

0 引 言

海上油田利用熱采技術(shù)開采稠油油藏，井底溫度為300 ℃，注熱周期為30 d，并且注入量大(周期注水量為4 000 m3，周期注氣量為14×104m3)，單井產(chǎn)能達(dá)到200 m3/d。海上熱采井強(qiáng)注強(qiáng)采措施導(dǎo)致井底流速高，形成沖蝕現(xiàn)象。同時(shí)，為保證井底溫度，利用環(huán)空注N2隔熱措施，減少井筒沿程熱損失，注N2過程中不可避免含有O2，若油藏含有CO2氣體，兩者共同構(gòu)成腐蝕環(huán)境[1-5]。熱采篩管在高溫、腐蝕和沖蝕聯(lián)合作用下，易發(fā)生損壞，導(dǎo)致熱采井出砂停產(chǎn)。為了預(yù)防海上熱采井防砂篩管損壞，研制了新型熱采篩管，主要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐溫材質(zhì)和耐腐蝕性等方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以適應(yīng)海上熱采井防砂技術(shù)要求，延長(zhǎng)生產(chǎn)期。

1 熱采篩管設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)稠油熱采井超過80%采用機(jī)械防砂技術(shù)，篩管以割縫篩管、繞絲篩管和金屬棉篩管為主，根據(jù)巖石粒徑分布和生產(chǎn)特點(diǎn)，每種篩管均有較好的適應(yīng)性。但是，海上稠油油田受平臺(tái)空間、舉升和地面砂處理等限制，含砂量要求低于0.3‰，因此，針對(duì)海上油田熱采井油層和生產(chǎn)特點(diǎn)，需研制適合海上熱采的新型篩管。

新型熱采篩管結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外依次為基管、繞絲管篩套、內(nèi)支撐網(wǎng)、內(nèi)過濾網(wǎng)、中間支撐網(wǎng)、外過濾網(wǎng)、外保護(hù)套(圖1)。各層具有不同結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)：①新型熱采篩管最外層為外保護(hù)套，采用槽型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，改變流體流向，減小流體沖蝕影響；②過濾網(wǎng)為4層，外層過濾網(wǎng)根據(jù)地層砂粒度分布，設(shè)計(jì)精度為150 μm，進(jìn)行初次擋砂；中間支撐網(wǎng)主要起到分流和減小流體沖蝕作用；內(nèi)過濾網(wǎng)提供第2次擋砂，阻擋生產(chǎn)過程中通過外過濾網(wǎng)的小粒徑砂粒，設(shè)計(jì)精度為120 μm；內(nèi)支撐網(wǎng)具有較大的過流面積，同樣起分流和減小沖蝕作用。4層過濾網(wǎng)均采用斜紋密紋編制結(jié)構(gòu)，不受扭矩影響，網(wǎng)孔不變形；③繞絲管篩套設(shè)計(jì)縫寬為300 μm，其作用主要是提高篩管整體強(qiáng)度，并在過濾網(wǎng)損壞的情況下可避免大砂粒進(jìn)入篩管，提供最后一道防砂屏障；④最內(nèi)層為基管，根據(jù)熱采后產(chǎn)量，基管上打不同尺寸螺旋分布孔眼，提供流體通道，并對(duì)外部各層結(jié)構(gòu)提供支撐作用。

圖1 新型熱采篩管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 材質(zhì)優(yōu)選

1.2.1 基管材質(zhì)優(yōu)選

在海上油田熱采過程中，熱采井經(jīng)歷注熱、燜井和生產(chǎn)3個(gè)階段，井底最高溫度達(dá)300 ℃，放噴生產(chǎn)后，井底溫度緩慢降低，直至恢復(fù)為原始井底溫度。因此，篩管處于高溫?zé)釕?yīng)力及交變熱應(yīng)力聯(lián)合作用下，屈服損壞風(fēng)險(xiǎn)增大。根據(jù)熱應(yīng)力模型計(jì)算出篩管受到的高溫?zé)釕?yīng)力約為225 kN，相當(dāng)于703 MPa軸向應(yīng)力。

因此，新型熱采篩管在滿足高溫強(qiáng)度要求的同時(shí)，還需較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，避免熱應(yīng)力的較大變化，導(dǎo)致篩管損壞。對(duì)J55、N80、P105和P110等4種鋼材強(qiáng)度受高溫影響程度進(jìn)行分析[1]，根據(jù)各材質(zhì)在300 ℃下的強(qiáng)度值并結(jié)合篩管所受的熱應(yīng)力，新型熱采篩管材質(zhì)優(yōu)選用P110H鋼材。在300 ℃高溫下，P110H鋼材最小屈服強(qiáng)度達(dá)740.98 MPa，遠(yuǎn)高于熱采期間產(chǎn)生的熱應(yīng)力值，可以滿足高溫下的強(qiáng)度要求，降低篩管屈服損壞風(fēng)險(xiǎn)。

在滿足熱穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度下要求的同時(shí)，隨著鋼材中微量元素Cr含量的提高，基管的耐腐蝕性逐漸增強(qiáng)，P110H-3Cr鋼材比P110H鋼材耐腐蝕性可提高5倍以上[6]。因此，基管材質(zhì)最終優(yōu)選P110H-3Cr鋼材。

1.2.2 過濾網(wǎng)材質(zhì)優(yōu)選

為了進(jìn)一步研究O2與CO2氣體對(duì)過濾材質(zhì)的腐蝕機(jī)理，在室內(nèi)利用高溫高壓反應(yīng)釜模擬熱采生產(chǎn)過程，對(duì)篩管在沖蝕、腐蝕和二者迭加情況下的耐蝕性能進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)了316L、434鋼材的耐蝕性能[7]，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究成果，優(yōu)選316L不銹鋼為過濾網(wǎng)材質(zhì)。

1.3 耐沖蝕設(shè)計(jì)

篩管在熱采中除受腐蝕影響外，長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)注強(qiáng)采使含砂流體不斷沖蝕篩管，腐蝕和沖蝕兩者相互促進(jìn)，加速了篩管損壞，導(dǎo)致出砂停產(chǎn)。

為了降低熱采中沖蝕和腐蝕對(duì)篩管的影響，進(jìn)行了篩管室內(nèi)沖蝕評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研究了流體流速、含砂濃度、沖蝕角度和粒徑對(duì)篩管沖蝕的影響[8-11]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究成果，對(duì)新型熱采篩管外保護(hù)套進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(圖2)：①外保護(hù)套采用沖壓拉伸、螺旋分布的直角側(cè)向?qū)Я鞑?，根?jù)儲(chǔ)層巖心粒徑分布和熱采井產(chǎn)能(200 m3/d)，設(shè)計(jì)導(dǎo)流槽槽縫為0.40 mm，開孔率比普通開孔率提高25%，提高了含砂流體的流通能力；②在熱采生產(chǎn)中，含砂流體流動(dòng)到篩管，外護(hù)套直角側(cè)向?qū)Я鞑鄹淖兒傲黧w流動(dòng)方向，由徑向直接沖擊流動(dòng)改變?yōu)檠刂Y管周向流動(dòng)，含砂流體平行于過濾網(wǎng)進(jìn)入篩管，有效避免其對(duì)篩管過濾層的直接沖蝕，延長(zhǎng)篩管使用壽命；③海上熱采井采用裸眼水平井完井，在篩管入井過程中，外保護(hù)套可很好地保護(hù)過濾層，避免過濾層被刺破或刮壞而導(dǎo)致防砂施工失效。

圖2 新型熱采篩管外護(hù)罩導(dǎo)流原理

綜上所述，新型熱采篩管在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，滿足了高溫要求，降低了沖蝕損壞風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了防砂有效期，表1為新型熱采篩管與其他篩管性能對(duì)比。

表1 新型篩管與常規(guī)篩管性能對(duì)比

由表1可知：新型熱采篩管采用多層過濾防砂設(shè)計(jì)，可以有效防止60 μm以上砂粒，提高了防砂精度；P110H-3Cr鋼材具有熱穩(wěn)定性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐高溫和防腐蝕的特點(diǎn)，耐溫300 ℃，抗內(nèi)壓強(qiáng)度為8.3 MPa，抗外擠強(qiáng)度為27.5 MPa；獨(dú)特的導(dǎo)流槽外護(hù)套可以有效降低流體沖蝕性；篩管外徑為162.0 mm，通徑為124.3 mm，整體過流面積達(dá)20.0%～40.0%，遠(yuǎn)高于常規(guī)篩管。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型熱采篩管已在海上油田成功應(yīng)用15井次，其中13口井第1周期熱采生產(chǎn)已結(jié)束，單井產(chǎn)能提高2～3倍，平均有效生產(chǎn)時(shí)間超過1 000 d，未發(fā)生出砂或含砂量控制在0.3‰以內(nèi)，達(dá)到了海上熱采井防砂要求，提高了熱采增產(chǎn)效果。

A1井為一口熱采裸眼水平井，井深為1 578.0 m，水平段長(zhǎng)度為186.0 m，完井采用新型熱采篩管+礫石充填防砂方式。根據(jù)該井地層砂粒度分布，內(nèi)外過濾網(wǎng)過濾精度分別為120、150 μm，繞絲網(wǎng)縫隙寬度為300 μm，充填礫石粒徑為16～30目，充填效率為180%。冷采平均日產(chǎn)油為34 m3/d，自噴生產(chǎn)平均日產(chǎn)油為63 m3/d，電泵生產(chǎn)平均日產(chǎn)油為43 m3/d，截至2015年12月，穩(wěn)定生產(chǎn)超過1 400 d，累計(jì)產(chǎn)油超過45 000 m3，含砂量低于0.3‰，目前已進(jìn)入第2周期熱采生產(chǎn)，沒有發(fā)生篩管損壞現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

(1) 新型熱采篩管采用多層過濾防砂設(shè)計(jì)，提高了防砂精度；優(yōu)選基管和過濾網(wǎng)材質(zhì)，提高了熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度和防腐性能；采用獨(dú)特的導(dǎo)流槽外護(hù)套，有效降低了流體沖蝕，增大了過流面積，在性能上遠(yuǎn)高于其他篩管。

(2) 實(shí)際應(yīng)用證明新型熱采篩管能夠滿足海上油田熱采井高溫防砂要求。

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編輯 孟凡勤

20151010；改回日期：20160318

中海油田服務(wù)股份有限公司科技項(xiàng)目“海上熱采篩管腐蝕與沖蝕作用機(jī)理及預(yù)防措施研究”(YSB11YF003)

劉新鋒(1981-)，男，工程師，2004年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，2007年畢業(yè)于該校巖石力學(xué)與石油工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事完井防砂技術(shù)研究與應(yīng)用工作

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.036

TE358

A

1006-6535(2016)03-0148-03

* 參加該項(xiàng)研究的還有李良慶。