稠油井高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管研究及應(yīng)用

滿宗通, 龐明越

(中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)事業(yè)部完井中心, 天津 300459)

渤海地區(qū)的油田大部分為稠油油藏。隨著以多元熱流體、蒸汽吞吐為代表的海上稠油熱采技術(shù)的試驗(yàn)成功和逐步推廣,稠油熱采工藝得到更多應(yīng)用,而且已逐步成為未來海上稠油開發(fā)的主要工藝[1-5]。目前,高溫對(duì)篩管過濾精度的影響不明確。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所研究表明,高溫會(huì)明顯降低篩管的屈服強(qiáng)度[6]。部分高校、油田及相關(guān)研究院所對(duì)于篩管腐蝕的研究較多,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度上升時(shí),腐蝕過程中陽極和陰極的反應(yīng)速度隨之增加[7-11]。由于篩管在熱采過程中存在局部沖蝕,并且注入的高溫多元熱流體中含有CO2、O2和水蒸汽等成分,會(huì)對(duì)管材產(chǎn)生腐蝕作用,造成篩管機(jī)械強(qiáng)度和過濾精度降低,影響井下管柱的壽命[12-15]。

為了深入研究稠油熱采生產(chǎn)過程中高溫對(duì)防砂篩管材質(zhì)造成的損害,以及高溫對(duì)篩管防砂過濾精度的影響程度和規(guī)律,本文從室內(nèi)試驗(yàn)入手,結(jié)合理論計(jì)算和分析,給出比較可靠的評(píng)估數(shù)據(jù),從而保證稠油熱采防砂的有效性,更好地指導(dǎo)稠油熱采工藝的推廣應(yīng)用,避免因篩管機(jī)械強(qiáng)度和過濾精度的降低而造成熱采井后期防砂失敗,影響油井的正常生產(chǎn)和后期增產(chǎn)措施的實(shí)施。

1 新型高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管微觀結(jié)構(gòu)分析

無論是單層還是多層編織濾網(wǎng),篩管的擋砂機(jī)理均為內(nèi)部橋架堵塞機(jī)理。濾網(wǎng)層數(shù)越多,阻擋地層砂通過的能力越強(qiáng)。同時(shí),篩網(wǎng)被地層砂細(xì)砂侵入,造成滲透率降低的可能性就越大[16-18]。因此,在優(yōu)質(zhì)篩管的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了繞絲過濾層,將兩層泄流層設(shè)計(jì)為外小內(nèi)大的形式,以增強(qiáng)泄流效果。

高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管從內(nèi)到外由打孔基管、內(nèi)保護(hù)套、15目泄流層、125 μm過濾層、20目泄流層、125 μm過濾層、125 μm繞絲層、外保護(hù)罩等組成,如圖1所示,流體及地層砂由外至內(nèi)流入。

第1層編織濾網(wǎng)形成第1道繞絲擋砂屏障,阻擋大部分地層砂侵入,同時(shí)使部分細(xì)的地層砂通過。阻擋住的地層砂堆積形成“砂橋”結(jié)構(gòu),起到很好的擋砂作用。

第2泄流層在繞絲層與編制濾網(wǎng)之間,主要起到隔開繞絲層與編制濾網(wǎng)的作用,減小因?yàn)榫幙棡V網(wǎng)與繞絲層貼得過于緊密造成的流通阻力問題。

第2層編織濾網(wǎng)形成第2道擋砂屏障,阻擋部分第1層篩網(wǎng)濾過的地層砂。

第3層編織濾網(wǎng)形成第3層防砂保護(hù)屏障。

第1泄流層在2層編織濾網(wǎng)之間,主要起到隔開這2層擋砂編織濾網(wǎng)的作用,減小因?yàn)?層編織濾網(wǎng)或編織濾網(wǎng)與繞絲層貼得過于緊密造成的流通阻力問題。

設(shè)計(jì)的高溫復(fù)合篩管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-基管;2-外端環(huán);3-外護(hù)套;4-內(nèi)端環(huán);5-壓緊環(huán);6-內(nèi)護(hù)套;7-過濾網(wǎng);8-支撐網(wǎng);9-繞絲端環(huán);10-繞絲過濾體;11-接箍。

1.2 高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管技術(shù)優(yōu)勢(shì)

復(fù)合篩管的防砂原理如圖3所示,液體在內(nèi)外壓差的作用下通過篩套最外層的外保護(hù)套。外保護(hù)套的沖縫結(jié)構(gòu)改變井下液體流動(dòng)方向,能有效減緩液體對(duì)過濾體的直接沖擊。繞絲過濾體具有孔隙度高、強(qiáng)度高、耐沖蝕等特點(diǎn),且可抗堵塞,便于反洗清潔。金屬網(wǎng)過濾體采用2層金屬網(wǎng)和2層支撐泄流網(wǎng)結(jié)構(gòu),增加了過濾的可靠度。

1-基管;2-內(nèi)護(hù)套;3-支撐網(wǎng);4-過濾網(wǎng);5-支撐網(wǎng);6-過濾網(wǎng);7-繞絲過濾體;8-外護(hù)套。

支撐泄流網(wǎng)主要對(duì)過濾層起支撐和泄流的作用,兩種不同精度泄流網(wǎng)的外層交錯(cuò)空間大于外側(cè)交錯(cuò)空間,過流能力更強(qiáng),可抗堵塞,便于反洗清潔;篩套結(jié)構(gòu)中最內(nèi)層是內(nèi)保護(hù)套,能夠避免篩套受外力擠壓變形,導(dǎo)致篩套內(nèi)壁緊貼基管,液體無法流動(dòng)。

基管采用螺旋布孔方式,既滿足開口率的要求,也能達(dá)到基管強(qiáng)度要求。

復(fù)合篩管整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng),同時(shí)耐酸堿腐蝕、耐高溫、耐沖蝕,壽命長(zhǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)使用施工簡(jiǎn)單,操作方便,有利于降低施工費(fèi)用、提高施工成功率。

1.3 高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管技術(shù)參數(shù)

表1 139.7 mm(5英寸)高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管技術(shù)參數(shù)

基管規(guī)格基管鋼級(jí)篩管最大外徑/mm過濾精度/μm扣型抗彎曲角度/((°)·(30m)-1)開孔率/%抗外壓差/MPa抗內(nèi)壓差/MPa抗拉伸載荷/kN5 ″ 17lb/ftTP110H1761505 ″ LTC B×P≥156.44≥36.5≥10.7≥1 942.9

2 復(fù)合篩管材料多元熱流體腐蝕沖蝕性能檢測(cè)

2.1 腐蝕沖蝕損傷速率

對(duì)金屬網(wǎng)布及繞絲使用的316L過濾體進(jìn)行沖蝕性能試驗(yàn),沖蝕裝置如圖4所示。在恒壓差和恒流量工況下進(jìn)行沖蝕試驗(yàn),通過逐漸增加試驗(yàn)砂,模擬油井流體中地層砂在過濾體表面逐漸堆積,對(duì)過濾體金屬絲產(chǎn)生沖蝕的過程。在沖蝕腐蝕試驗(yàn)過程中,隨著過濾體表面聚集的試驗(yàn)砂量增加,使用流量計(jì)計(jì)量得到通過過濾體的流量,或使用壓力傳感器得到過濾體前后壓差的變化。采用高溫高壓磁力驅(qū)動(dòng)CO2反應(yīng)釜(如圖5所示),進(jìn)行316L過濾體的腐蝕試驗(yàn)。

圖5 高溫高壓釜示意圖及實(shí)物照片

分別利用掃描電子顯微鏡和共聚焦激光顯微鏡對(duì)過濾體的腐蝕沖蝕損傷進(jìn)行微觀觀察測(cè)量。經(jīng)過沖蝕和腐蝕試驗(yàn),在350 ℃,流速2 m/s,沖蝕角度30°,pCO2=2.5 MPa,pO2=0.6 MPa條件下,測(cè)得316 L金屬網(wǎng)布篩管的沖蝕、腐蝕和沖蝕-腐蝕迭加的腐蝕速率如表2所示。

表2 316L金屬網(wǎng)布篩管材料3種試驗(yàn)條件下的損傷速率

2.2 多元熱流體沖蝕和腐蝕對(duì)金屬網(wǎng)布過濾精度 影響

損傷速率是指單位時(shí)間材料在深度方向的減薄量,由于316 L金屬網(wǎng)布網(wǎng)絲為實(shí)心均勻管柱,其損傷速率,即單位時(shí)間網(wǎng)絲直徑縮進(jìn)量δd是減薄量的2倍。假設(shè)金屬網(wǎng)布過濾體每條經(jīng)絲和緯絲的損傷速率相同,均等于材料整體的損傷速率。

2.2.1 多元熱流體純沖蝕對(duì)金屬網(wǎng)布過濾精度影響

通過視頻顯微鏡觀察可得,350 ℃時(shí)過濾精度120 μm的金屬網(wǎng)布篩管緯絲直徑Dy=203 μm,經(jīng)絲直徑Dx=305 μm,相鄰經(jīng)絲間距a=1 310 μm,緯絲和y-z平面的夾角α=16.978°。

沖蝕后的金屬網(wǎng)布的損傷速率DRe=0.002 5 mm/a,因此其經(jīng)絲直徑和緯絲直徑計(jì)算公式如下:

緯絲網(wǎng)絲直徑Dy1為

Dy1=Dy-δdl=Dy-2DRe×t=203-5t

(1)

式中:t為金屬網(wǎng)布篩管服役時(shí)間;δd1為沖蝕導(dǎo)致的網(wǎng)絲直徑縮進(jìn)量。

經(jīng)絲網(wǎng)絲直徑Dx1為

Dx1=Dx-δdl=Dx-2DRe×t=350-5t

(2)

將以上數(shù)據(jù)代入,得沖蝕后的金屬網(wǎng)布篩管的過濾精度Ds為:

(3)

2.2.2 多元熱流體純腐蝕對(duì)金屬網(wǎng)布篩管過濾精度影響

腐蝕后金屬網(wǎng)布篩管的損傷速率DRc=0.003 4 mm/a,因此其經(jīng)絲直徑和緯絲直徑數(shù)據(jù)如下:

緯絲網(wǎng)絲直徑Dy2為

Dy2=Dy-δd2=Dy-2DRc×t=203-6.8t

(4)

式中:δd2為腐蝕導(dǎo)致的網(wǎng)絲直徑縮進(jìn)量。

經(jīng)絲網(wǎng)絲直徑Dx2為

Dx2=Dx-δd2=Dx-2DRc×t=305-6.8t

(5)

相鄰經(jīng)絲間距為a=1 310 μm,緯絲和y-z平面的夾角為α=16.978°。

將以上數(shù)據(jù)代入式(3),得腐蝕后的金屬網(wǎng)布的過濾精度。

2.2.3 多元熱流體沖蝕-腐蝕迭加作用對(duì)金屬網(wǎng)布篩管過 濾精度影響

沖蝕-腐蝕迭加作用下的金屬網(wǎng)布篩管的損傷速率DRe-c=0.005 mm/a,因此其經(jīng)絲直徑和緯絲直徑數(shù)據(jù)如下:

緯絲網(wǎng)絲直徑Dy3為

Dy3=Dy-δd3=Dy-2DRe-c×t=203-10t

(6)

式中:δd3為沖蝕-腐蝕迭加作用導(dǎo)致的網(wǎng)絲直徑縮進(jìn)量。

經(jīng)絲網(wǎng)絲直徑Dx3為

Dx3=Dx-δd3=Dx-2DRe-c×t=305-10t

(7)

相鄰經(jīng)絲間距為a=1 310 μm,緯絲和x-y平面的夾角為α=16.978°。

將以上數(shù)據(jù)代入式(3),得沖蝕-腐蝕迭加作用后金屬網(wǎng)布過濾的過濾精度。

隨著服役時(shí)間t的延長(zhǎng),金屬網(wǎng)布篩管的過濾精度也發(fā)生變化。在不同服役時(shí)間下,篩管在沖蝕、腐蝕以及沖蝕腐蝕迭加作用下的過濾精度的變化如圖6所示。

圖6 金屬網(wǎng)布在沖蝕、腐蝕和沖蝕-腐蝕迭加作用下過濾精度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系

由圖6可知,金屬網(wǎng)布篩管在沖蝕、腐蝕和沖蝕-腐蝕迭加作用下過濾精度均隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。篩管的服役時(shí)間越長(zhǎng),過濾精度的變化率就越大。

在同一服役時(shí)間下,沖蝕后的篩管的過濾精度最小,沖蝕-腐蝕迭加作用下過濾精度最大,腐蝕后的過濾精度居中。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),沖蝕-腐蝕迭加作用下篩管的過濾精度的變化率最大。這是因?yàn)楹Y管在沖蝕-腐蝕迭加作用的損傷速率最大。

2.3 多元熱流體腐蝕對(duì)繞絲過濾體過濾精度影響

損傷速率是指單位時(shí)間材料在厚度方向的減薄量。由于316 L繞絲過濾體的過濾精度是繞絲的縫隙寬度,因此繞絲過濾體過濾精度的變化量為減薄量的2倍。

2.3.1 多元熱流體純沖蝕對(duì)繞絲過濾精度影響

多元熱流體純沖蝕后的繞絲過濾體的過濾精度Ds1為

Ds1=Ds0+2δd1=Ds0+2DRe×t=96+5t

(8)

式中:350 ℃時(shí),繞絲的過濾精度Ds0=96 μm;沖蝕后的繞絲過濾體的損傷速率DRe=0.002 5 mm/a。

2.3.2 多元熱流體純腐蝕對(duì)繞絲過濾精度影響

多元熱流體純腐蝕后的繞絲過濾體的過濾精度Ds2為

Ds2=Ds0+2δd2=Ds0+2DRc×t=96+6.8t

(9)

式中:腐蝕后的繞絲過濾體的損傷速率DRc=0.003 4mm/a。

2.3.3 多元熱流體沖蝕-腐蝕迭加對(duì)繞絲過濾精度影響

多元熱流體沖蝕-沖蝕后的繞絲過濾體的過濾精度Ds3為

Ds3=Ds0+2δd3=Ds0+2DRe-c×t=96+10t

(10)

式中:沖蝕腐蝕后的繞絲過濾體的損傷速率DRe-c=0.005 0 mm/a。

隨著服役時(shí)間t的延長(zhǎng),繞絲過濾體的過濾精度也發(fā)生相應(yīng)的變化。在不同服役時(shí)間下,繞絲過濾體在沖蝕、腐蝕以及沖蝕腐蝕迭加作用下的過濾精度的變化如圖7所示。

圖7 繞絲過濾體在沖蝕、腐蝕和沖蝕-腐蝕迭加作用下過濾精度與腐蝕時(shí)間的關(guān)系

由圖7可知,隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),繞絲在沖蝕、腐蝕和沖蝕-腐蝕迭加作用下過濾精度均線性增大。在同一服役時(shí)間下,沖蝕后的繞絲的過濾精度最小,沖蝕-腐蝕迭加作用下過濾精度最大,腐蝕后的過濾精度居中。

3 復(fù)合篩管防砂效果及力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1 力學(xué)性能檢測(cè)

3.1.1 試驗(yàn)裝置

抗拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試采用拉伸試驗(yàn)機(jī),抗內(nèi)外壓試驗(yàn)采用耐高壓試驗(yàn)艙、攜砂液攪拌罐、壓力計(jì)、125 MPa電動(dòng)試壓泵、32 MPa高壓柱塞泵、黏度測(cè)定儀、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng),試驗(yàn)裝置如圖8～9所示。

1-泵;2-攜砂液攪拌罐;3-壓力計(jì);4-實(shí)驗(yàn)艙;5-篩管;6-封閉端;7-出口。

1-泵;2-攜砂液攪拌罐;3-壓力計(jì);4-封閉端;5-實(shí)驗(yàn)艙;6-篩管;7-出口。

3.1.2 力學(xué)性能

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試,高溫復(fù)合篩管的各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 高溫復(fù)合篩管的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

3.2 不同溫度下的防砂效果對(duì)比

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

利用如圖10所示的試驗(yàn)裝置進(jìn)行篩管高溫過濾精度試驗(yàn),獲得不同溫度條件下通過篩管的磨料數(shù)量、粒徑尺寸和分布,評(píng)價(jià)溫度對(duì)篩管過濾精度的影響。

圖10 篩管高溫過濾精度試驗(yàn)裝置

對(duì)于復(fù)合篩管,由于繞絲過濾體有一定的弧度,為防止繞絲試樣在夾具內(nèi)晃動(dòng)及繞絲空隙對(duì)砂子過濾產(chǎn)生影響,模擬實(shí)際復(fù)合篩管試樣,設(shè)計(jì)制備了腐蝕篩管試樣繞絲空隙填充支撐部件,如圖11所示。

圖11 篩管試樣空隙填充支撐部件

篩管高溫過濾精度試驗(yàn)裝置由加熱部分、測(cè)溫部分、進(jìn)出氣部分、過濾部分及收集部分等組成。加熱部分功率按480～500 ℃進(jìn)行設(shè)計(jì),試樣最高加熱溫度可達(dá)400 ℃。試驗(yàn)時(shí)從頂端的進(jìn)砂口放入適量試驗(yàn)砂,打開氮?dú)忾y門,氣體緩慢進(jìn)入管內(nèi),砂子在氣體的吹動(dòng)下通過篩管試樣,被過濾到底部的收集容器中,部分砂子可能進(jìn)入二次收集容器。將收集好的砂子分類保存,進(jìn)行下一步的過濾精度分析。

3.2.2 防砂效果對(duì)比

通過熱采篩管高溫過濾精度試驗(yàn),測(cè)得兩者的出砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)小于0.3‰,并對(duì)金屬網(wǎng)布篩管和高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管的出砂樣中值粒徑d50和粒徑≥125 μm的砂粒含量、不同溫度下的出砂量及過濾比β進(jìn)行分析。

復(fù)合篩管試樣和金屬網(wǎng)布篩管試樣過濾出砂的中值粒徑d50和粒徑≥125 μm的砂粒含量如圖12～13所示。復(fù)合篩管試樣的過濾出砂樣的中值粒徑d50要稍小于金屬網(wǎng)布篩管試樣中值粒徑。25 ℃時(shí),復(fù)合篩管試樣d50為104.5 μm,金屬網(wǎng)布篩管試樣d50為111 μm,復(fù)合篩管比金屬網(wǎng)布過濾出砂的中值粒徑要小6.5 μm;當(dāng)350 ℃時(shí),復(fù)合篩管比金屬網(wǎng)布過濾出砂的中值粒徑要小10.3 μm。復(fù)合篩管試樣比金屬網(wǎng)布篩管試樣的過濾出砂粒徑≥125 μm的砂粒含量稍小。25 ℃時(shí),復(fù)合篩管比金屬網(wǎng)布粒徑≥125 μm的砂粒含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)要小4.49%;350 ℃時(shí),金屬網(wǎng)布比復(fù)合篩管粒徑≥125 μm的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)要小2.41%。

圖12 過濾出砂中值粒徑d50與溫度關(guān)系

圖13 過濾出砂粒徑≥125 μm的砂粒含量與溫度關(guān)系

由圖12～13可知,原始的金屬網(wǎng)布篩管試樣和復(fù)合篩管試樣的中值粒徑d50和粒徑≥125 μm的砂粒含量相差不大。繞絲層能夠提高整個(gè)篩管的過濾效果,過濾出砂中值粒徑小,過濾出砂粒徑≥125 μm的砂粒含量低。

金屬網(wǎng)布篩管和復(fù)合篩管試樣試驗(yàn)后收集到的試驗(yàn)出砂量如圖14所示。金屬網(wǎng)布篩管試樣試驗(yàn)后收集到的試驗(yàn)砂質(zhì)量要大于原始復(fù)合篩管試樣收集到的試驗(yàn)砂質(zhì)量。在25 ℃和350 ℃時(shí),復(fù)合篩管試樣與金屬網(wǎng)布試樣收集到的試驗(yàn)砂質(zhì)量相差不大,復(fù)合篩管出砂量稍低;但在60～200 ℃時(shí),復(fù)合篩管出砂量明顯少于金屬網(wǎng)布篩管。在實(shí)際開采中,井底溫度一般為50～150 ℃,因此復(fù)合篩管更適用于稠油熱采[19-20]。

圖14 原始金屬網(wǎng)布和復(fù)合篩管不同溫度試驗(yàn)的出砂量

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

改進(jìn)后的熱采篩管己成功應(yīng)用于海上NB35-2、LD21-2油田10余口熱采井,在NB35-2油田的部分油井已進(jìn)行多輪次注采,單井產(chǎn)能提高2～3倍。生產(chǎn)穩(wěn)定,未發(fā)生出砂或含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.3‰以內(nèi),無篩管損壞現(xiàn)象。

在LD21-2平臺(tái)的10口熱采井中,防砂方式均為高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管+礫石充填完井,設(shè)計(jì)礫石粒度為20～40目,熱采方式為兩趟管柱蒸汽吞吐,注入溫度350 ℃、注入量300 t/d、井口注入壓力為15.5 MPa左右。截止目前,10口井均完成首輪次注采。經(jīng)過注熱、放噴及生產(chǎn)階段,熱采井單井產(chǎn)液量為20～100 m3/d,最高122 m3/d。未發(fā)生出砂或含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.3‰以內(nèi),沒有發(fā)生篩管損壞現(xiàn)象,達(dá)到了海上熱采井防砂要求。實(shí)現(xiàn)了熱采增產(chǎn)效果,達(dá)到了防砂設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1) 通過分析篩管的擋砂機(jī)理,整合優(yōu)化了過濾層,設(shè)計(jì)了一種高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管。高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管由打孔基管、內(nèi)保護(hù)套、泄流層、過濾層、泄流層、過濾層、繞絲層、外保護(hù)罩組成,具有強(qiáng)度高、耐腐蝕沖蝕、抗堵塞等優(yōu)點(diǎn)。

2) 通過試驗(yàn)測(cè)得多元熱流體下316L過濾體的腐蝕沖蝕損傷速率,并結(jié)合理論計(jì)算,得出隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng),金屬網(wǎng)布及繞絲過濾體對(duì)過濾精度的影響均增大,純沖蝕對(duì)過濾精度影響最小,沖蝕-腐蝕疊加作用下影響最大。

3) 通過試驗(yàn)測(cè)得高溫復(fù)合篩管各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求,高溫對(duì)其過濾精度的影響較小,整體防砂效果優(yōu)于金屬網(wǎng)布篩管。

4) 高溫?zé)岵蓮?fù)合篩管已在NB35-2、LD21-2油田10余口熱采井中成功應(yīng)用,防砂效果良好,未發(fā)生篩管破損現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了熱采增產(chǎn)效果,達(dá)到了防砂設(shè)計(jì)要求。