高溫蒸汽注采對(duì)篩管擋砂性能影響分析

盧道勝，滿宗通，周歡，龐明越，王圣虹

中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部（天津 300459）

1 模擬高溫注采實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

1.1 模擬篩管試樣的制備

根據(jù)現(xiàn)場高溫注采要求設(shè)計(jì)了全結(jié)構(gòu)燒結(jié)金屬網(wǎng)篩管樣件。篩管試樣由外護(hù)套、燒結(jié)金屬網(wǎng)、端環(huán)和基管組成，基本結(jié)構(gòu)和規(guī)格如圖1所示。

圖1 全結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)燒結(jié)篩管試樣

1.2 實(shí)驗(yàn)流體及地層砂

根據(jù)實(shí)際地層產(chǎn)出水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)用模擬液進(jìn)行復(fù)配，各組分含量見表1，地層混合砂，實(shí)驗(yàn)砂粒度分布特征參數(shù)見表2。

表1 模擬液各組分含量 mg/L

表2 實(shí)驗(yàn)砂粒度分布特征參數(shù)

實(shí)驗(yàn)砂的粒度中值d50為146μm，分選系數(shù)SC為20.4，均質(zhì)系數(shù)UC為4.7，泥質(zhì)含量為11.4%，符合實(shí)際地層砂復(fù)配要求。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.3.1 高溫注采實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

注采實(shí)驗(yàn)裝置為高溫蒸汽注采模擬實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示。注熱階段篩管樣件處于350℃飽和高溫蒸汽中，在生產(chǎn)階段保持?jǐn)嚢铇D(zhuǎn)，以模擬生產(chǎn)過程中生產(chǎn)水質(zhì)與篩管之間的相對(duì)流動(dòng)狀態(tài)；在模擬生產(chǎn)水介質(zhì)中加入實(shí)驗(yàn)砂，在攪拌槳旋轉(zhuǎn)攪拌作用下，形成與篩管試樣間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的液固流體以模擬實(shí)際生產(chǎn)階段工況條件。

圖2 高溫飽和蒸汽注采模擬實(shí)驗(yàn)專用裝置

高溫蒸汽注采模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，依次進(jìn)行注熱階段和生產(chǎn)階段的模擬實(shí)驗(yàn)。注熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，將篩管樣件穩(wěn)定固定在裝置內(nèi)部的懸掛架上，向反應(yīng)釜中注入1.5 L模擬生產(chǎn)水介質(zhì)并加入配制好的實(shí)驗(yàn)砂后蓋上釜蓋，升溫至350℃，實(shí)驗(yàn)壓力為16.7 MPa，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為72 h。注熱階段實(shí)驗(yàn)完成后，進(jìn)入生產(chǎn)階段。在生產(chǎn)階段，向裝置內(nèi)加入4 L生產(chǎn)采出水介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為120 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后打開釜蓋，取出篩管樣件，注采單輪次周期為192 h。

在實(shí)際稠油熱采過程中，注熱吞吐一般包括注汽、悶井、生產(chǎn)3個(gè)階段[1]。根據(jù)現(xiàn)場蒸汽熱采工況，設(shè)計(jì)室內(nèi)模擬加速實(shí)驗(yàn)方法以盡量實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場開采一定程度的相關(guān)性[2]。設(shè)計(jì)采用高溫蒸汽注采模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)篩管進(jìn)行1、3、5輪次的蒸汽注采模擬實(shí)驗(yàn)。蒸汽注采實(shí)驗(yàn)由注熱階段和生產(chǎn)2個(gè)階段組成，實(shí)驗(yàn)條件見表3。

表3 蒸汽注采模擬實(shí)驗(yàn)注熱階段和生產(chǎn)階段實(shí)驗(yàn)條件

現(xiàn)場蒸汽吞吐注熱和悶井占比為3.29%~8.22%左右，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)注熱和悶井占比37.5%左右[3]。室內(nèi)蒸汽注采實(shí)驗(yàn)注熱和悶井時(shí)間周比明顯高于現(xiàn)場開采，室內(nèi)蒸汽注采強(qiáng)化了蒸汽注熱階段，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場蒸汽注熱和開采過程的模擬。

1.3.2 擋砂性能實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

高壓擋砂性能實(shí)驗(yàn)測試裝置由中間容器和填砂容器兩部分組成，如圖3所示。

圖3 擋砂性能實(shí)驗(yàn)測試裝置

實(shí)驗(yàn)前將經(jīng)過不同輪次的篩管樣件放入并固定在填砂容器中心部位，外圍放入模擬地層砂，然后向中間容器和填砂裝置注入10 L去離子水，密封容器。采用高純氮?dú)庠鰤旱讲煌膲翰?，?dāng)?shù)獨(dú)饧訅褐猎O(shè)定壓力后打開出水口閥門，氮?dú)怛?qū)動(dòng)下中間容器中的液體均勻進(jìn)入擋砂裝置中經(jīng)閥門流出，收集通過篩管樣件的濾出實(shí)驗(yàn)砂進(jìn)行計(jì)量分析。若濾出實(shí)驗(yàn)砂混有腐蝕產(chǎn)物，則需采用酸洗處理。

2 高溫蒸汽注采篩管損傷、擋砂性能分析

2.1 高溫蒸汽注采篩管宏觀形貌損傷

圖4為1、3、5輪次高溫蒸汽注采實(shí)驗(yàn)后的篩管與原始試樣的對(duì)比?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)后篩管基管被腐蝕，外保護(hù)套失去金屬光澤。隨著注采輪次的增加，外保護(hù)套的顏色逐漸加深，基管腐蝕加劇，腐蝕產(chǎn)物呈褐色且易剝落。

圖4 原始及不同注采輪次實(shí)驗(yàn)篩管試樣

端環(huán)處的外支撐環(huán)與基管、外保護(hù)套之間，外支撐環(huán)與內(nèi)支撐環(huán)之間焊接部位、內(nèi)支撐環(huán)與四層網(wǎng)之間的環(huán)焊縫是易產(chǎn)生裂紋區(qū)域[4]。通過著色滲透法[5]對(duì)經(jīng)過原始、1、3、5輪次篩管進(jìn)行了無損檢測。如圖5所示，篩管各焊接區(qū)無明顯裂紋產(chǎn)生，未出現(xiàn)明顯腐蝕破壞。

圖5 不同輪次注采實(shí)驗(yàn)篩管端環(huán)部位著色滲透檢測

2.2 高溫蒸汽注采金屬網(wǎng)過濾體損傷及擋砂性能分析

高溫蒸汽注采條件下，篩管過濾體的損傷程度[6]是影響篩管擋砂性能的重要因素。圖6給出了高溫蒸汽5輪次注采后燒結(jié)金屬網(wǎng)酸洗[7]后與原始樣件的宏觀形貌對(duì)比。

高溫蒸汽注采5輪次實(shí)驗(yàn)和高壓擋砂實(shí)驗(yàn)后燒結(jié)金屬網(wǎng)酸洗后，與原始樣件對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過5輪次注采模擬實(shí)驗(yàn)和高壓擋砂性能實(shí)驗(yàn)后燒結(jié)金屬網(wǎng)內(nèi)外層未出現(xiàn)明顯的破壞。5輪次注采實(shí)驗(yàn)后金屬網(wǎng)布經(jīng)緯絲的直徑接近原始直徑。實(shí)驗(yàn)表明：在經(jīng)過高溫蒸汽5輪次注采實(shí)驗(yàn)和高壓擋砂實(shí)驗(yàn)后，篩管樣件過濾體未表現(xiàn)出明顯破壞，完整性良好，為篩管保持良好擋砂性能提供了重要保障。

如表4所示，在相同的壓差條件下，經(jīng)歷5輪次注采實(shí)驗(yàn)后的篩管樣件其濾出砂質(zhì)量和流量均小于原始篩管樣件。同時(shí)，其濾出砂的粒度中值粒徑和大于等于150μm砂粒含量百分比也顯著小于原始篩管的濾出砂。對(duì)上述防砂指標(biāo)[8-10]與原始樣件進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)注采后的篩管樣件仍具有良好的擋砂性能。

表4 不同驅(qū)替壓力下篩管的各項(xiàng)防砂指標(biāo)

如表5所示，對(duì)高溫蒸汽注采5輪次樣件過濾精度值與原始樣件進(jìn)行對(duì)比。酸洗前，由于腐蝕產(chǎn)物的存在而導(dǎo)致內(nèi)外層燒結(jié)金屬網(wǎng)經(jīng)緯絲的直徑稍大于原始經(jīng)緯絲，其過濾精度值稍小于原始金屬網(wǎng)布；酸洗后，其經(jīng)緯絲的直徑稍小于原始經(jīng)緯絲，其過濾精度值稍大于原始金屬網(wǎng)布。將注采篩管樣件的內(nèi)外層過濾體過濾精度值與原始金屬網(wǎng)布對(duì)比同樣表明，經(jīng)歷5輪次注采后金屬網(wǎng)布過濾體與原始金屬網(wǎng)布具有相近的過濾精度值。

表5 不同注采輪次下篩管的過濾精度

2.3 高溫蒸汽注采輪次對(duì)篩管擋砂性能影響規(guī)律及分析

如圖7所示，原始樣件和不同注采輪次下樣件擋砂性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在2 MPa和4 MPa的壓差條件下，隨注采輪次的增多，流量、濾出砂的質(zhì)量和過濾比均呈現(xiàn)一定程度降低的趨勢，粒度中值d50和大于等于150μm砂粒含量均呈現(xiàn)減小的趨勢特征。這表明隨注采輪次的增加，過濾體金屬絲表面生成腐蝕產(chǎn)物[11]，腐蝕產(chǎn)物堆積導(dǎo)致內(nèi)外層過濾體的過濾精度值減小而對(duì)流體的阻礙作用增大。在過濾體金屬絲腐蝕產(chǎn)物和基管所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物的共同阻礙作用下，在模擬多輪次熱采過程中篩管擋砂性能略有提高。

圖7 不同輪次篩管濾出砂粒度中值d50和大于等于150μm砂粒含量

2.4 高溫蒸汽注采壓力對(duì)篩管擋砂性能影響規(guī)律及分析

對(duì)5輪次注采實(shí)驗(yàn)后篩管樣件進(jìn)行的2 MPa、4 MPa和6 MPa 3種注入壓力條件高壓擋砂性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流量變化和出砂量變化如圖8所示。可以看出，隨高溫蒸汽注入壓力增大，流量呈現(xiàn)正向相關(guān)性，出砂量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，注入壓力越大出砂量越小。由于篩管外側(cè)實(shí)驗(yàn)砂堆積產(chǎn)生較強(qiáng)的阻礙作用，導(dǎo)致濾出砂質(zhì)量隨壓差增大呈現(xiàn)一定程度的降低。

圖8 高溫蒸汽注采5輪次篩管流量和濾出砂質(zhì)量

如圖9所示，對(duì)3種壓差條件的濾出砂進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著壓差增大，粒度中值d50和大于等于150μm砂粒含量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，低注入壓力時(shí)充填砂壓實(shí)程度低，堆積結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致出砂粒徑偏大，而高注入壓力條件下由于高壓條件下流速水平較高，攜帶能力強(qiáng)，部分大顆粒被攜帶通過樣件，導(dǎo)致粒徑偏大。4 MPa和6 MPa驅(qū)替條件下大于等于150μm的砂粒含量基本接近，均小于2 MPa時(shí)的含量，表明篩管過濾體防砂精度受注入壓力的影響較小。

圖9 5輪次注采實(shí)驗(yàn)后篩管試樣濾出砂粒度中值d50及粒徑≥150μm砂粒含量

3 結(jié)論

1）經(jīng)1、3、5輪次高溫蒸汽注采實(shí)驗(yàn)后，篩管整體呈現(xiàn)不同程度的腐蝕。隨著注采輪次的增加，篩管腐蝕程度增加；無損檢測和微觀條件下均未發(fā)現(xiàn)篩管出現(xiàn)明顯的力學(xué)性能破壞，篩管結(jié)構(gòu)良好，適用于高溫注采環(huán)境。

2）高溫蒸汽5輪次注采實(shí)驗(yàn)后篩管相比原始篩管，流量、出砂質(zhì)量都明顯減小。濾出砂的粒度中值和大于過濾精度的砂粒含量也均有不同程度降低，經(jīng)歷過5輪次高溫蒸汽注采后的篩管樣件仍然保持有效的擋砂性能。

3）隨注采實(shí)驗(yàn)輪次的增多篩管流量呈現(xiàn)一定程度的減小，濾出砂量及濾出砂粒徑減小。高溫注采條件下過濾體金屬絲腐蝕產(chǎn)物和基管所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物會(huì)共同阻礙砂粒通過，篩管擋砂性能略有提高。

4）不同驅(qū)替壓力下篩管過濾體擋砂性能穩(wěn)定，蒸汽的注入壓力和砂粒充填質(zhì)量是影響其防砂表現(xiàn)的重要因素。