稠油井高溫熱采復合篩管研究及應用

滿宗通, 龐明越

(中海油田服務股份有限公司 油田生產事業部完井中心, 天津 300459)

渤海地區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的試驗成功和逐步推廣,稠油熱采工藝得到更多應用,而且已逐步成為未來海上稠油開發的主要工藝[1-5]。目前,高溫對篩管過濾精度的影響不明確。中國石油天然氣集團公司管材研究所研究表明,高溫會明顯降低篩管的屈服強度[6]。部分高校、油田及相關研究院所對于篩管腐蝕的研究較多,研究發現,當溫度上升時,腐蝕過程中陽極和陰極的反應速度隨之增加[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,會對管材產生腐蝕作用,造成篩管機械強度和過濾精度降低,影響井下管柱的壽命[12-15]。

為了深入研究稠油熱采生產過程中高溫對防砂篩管材質造成的損害,以及高溫對篩管防砂過濾精度的影響程度和規律,本文從室內試驗入手,結合理論計算和分析,給出比較可靠的評估數據,從而保證稠油熱采防砂的有效性,更好地指導稠油熱采工藝的推廣應用,避免因篩管機械強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和后期增產措施的實施。

1 新型高溫熱采復合篩管結構優化設計

1.1 高溫熱采復合篩管微觀結構分析

無論是單層還是多層編織濾網,篩管的擋砂機理均為內部橋架堵塞機理。濾網層數越多,阻擋地層砂通過的能力越強。同時,篩網被地層砂細砂侵入,造成滲透率降低的可能性就越大[16-18]。因此,在優質篩管的基礎上,優化了繞絲過濾層,將兩層泄流層設計為外小內大的形式,以增強泄流效果。

高溫熱采復合篩管從內到外由打孔基管、內保護套、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、外保護罩等組成,如圖1所示,流體及地層砂由外至內流入。

第1層編織濾網形成第1道繞絲擋砂屏障,阻擋大部分地層砂侵入,同時使部分細的地層砂通過。阻擋住的地層砂堆積形成“砂橋”結構,起到很好的擋砂作用。

第2泄流層在繞絲層與編制濾網之間,主要起到隔開繞絲層與編制濾網的作用,減小因為編織濾網與繞絲層貼得過于緊密造成的流通阻力問題。

第2層編織濾網形成第2道擋砂屏障,阻擋部分第1層篩網濾過的地層砂。

第3層編織濾網形成第3層防砂保護屏障。

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

設計的高溫復合篩管結構如圖2所示。

1-基管;2-外端環;3-外護套;4-內端環;5-壓緊環;6-內護套;7-過濾網;8-支撐網;9-繞絲端環;10-繞絲過濾體;11-接箍。

1.2 高溫熱采復合篩管技術優勢

復合篩管的防砂原理如圖3所示,液體在內外壓差的作用下通過篩套最外層的外保護套。外保護套的沖縫結構改變井下液體流動方向,能有效減緩液體對過濾體的直接沖擊。繞絲過濾體具有孔隙度高、強度高、耐沖蝕等特點,且可抗堵塞,便于反洗清潔。金屬網過濾體采用2層金屬網和2層支撐泄流網結構,增加了過濾的可靠度。

1-基管;2-內護套;3-支撐網;4-過濾網;5-支撐網;6-過濾網;7-繞絲過濾體;8-外護套。

支撐泄流網主要對過濾層起支撐和泄流的作用,兩種不同精度泄流網的外層交錯空間大于外側交錯空間,過流能力更強,可抗堵塞,便于反洗清潔;篩套結構中最內層是內保護套,能夠避免篩套受外力擠壓變形,導致篩套內壁緊貼基管,液體無法流動。

基管采用螺旋布孔方式,既滿足開口率的要求,也能達到基管強度要求。

復合篩管整體結構簡單緊湊,強度高、抗變形能力強,同時耐酸堿腐蝕、耐高溫、耐沖蝕,壽命長。現場使用施工簡單,操作方便,有利于降低施工費用、提高施工成功率。

1.3 高溫熱采復合篩管技術參數

表1 139.7 mm(5英寸)高溫熱采復合篩管技術參數

基管規格基管鋼級篩管最大外徑/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 復合篩管材料多元熱流體腐蝕沖蝕性能檢測

2.1 腐蝕沖蝕損傷速率

對金屬網布及繞絲使用的316L過濾體進行沖蝕性能試驗,沖蝕裝置如圖4所示。在恒壓差和恒流量工況下進行沖蝕試驗,通過逐漸增加試驗砂,模擬油井流體中地層砂在過濾體表面逐漸堆積,對過濾體金屬絲產生沖蝕的過程。在沖蝕腐蝕試驗過程中,隨著過濾體表面聚集的試驗砂量增加,使用流量計計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動CO2反應釜(如圖5所示),進行316L過濾體的腐蝕試驗。

圖5 高溫高壓釜示意圖及實物照片

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

表2 316L金屬網布篩管材料3種試驗條件下的損傷速率

2.2 多元熱流體沖蝕和腐蝕對金屬網布過濾精度 影響

損傷速率是指單位時間材料在深度方向的減薄量,由于316 L金屬網布網絲為實心均勻管柱,其損傷速率,即單位時間網絲直徑縮進量δd是減薄量的2倍。假設金屬網布過濾體每條經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金屬網布過濾精度影響

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

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

緯絲網絲直徑Dy1為

Dy1=Dy-δdl=Dy-2DRe×t=203-5t

(1)

式中:t為金屬網布篩管服役時間;δd1為沖蝕導致的網絲直徑縮進量。

經絲網絲直徑Dx1為

Dx1=Dx-δdl=Dx-2DRe×t=350-5t

(2)

將以上數據代入,得沖蝕后的金屬網布篩管的過濾精度Ds為:

(3)

2.2.2 多元熱流體純腐蝕對金屬網布篩管過濾精度影響

腐蝕后金屬網布篩管的損傷速率DRc=0.003 4 mm/a,因此其經絲直徑和緯絲直徑數據如下:

緯絲網絲直徑Dy2為

Dy2=Dy-δd2=Dy-2DRc×t=203-6.8t

(4)

式中:δd2為腐蝕導致的網絲直徑縮進量。

經絲網絲直徑Dx2為

Dx2=Dx-δd2=Dx-2DRc×t=305-6.8t

(5)

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

將以上數據代入式(3),得腐蝕后的金屬網布的過濾精度。

2.2.3 多元熱流體沖蝕-腐蝕迭加作用對金屬網布篩管過 濾精度影響

沖蝕-腐蝕迭加作用下的金屬網布篩管的損傷速率DRe-c=0.005 mm/a,因此其經絲直徑和緯絲直徑數據如下:

緯絲網絲直徑Dy3為

Dy3=Dy-δd3=Dy-2DRe-c×t=203-10t

(6)

式中:δd3為沖蝕-腐蝕迭加作用導致的網絲直徑縮進量。

經絲網絲直徑Dx3為

Dx3=Dx-δd3=Dx-2DRe-c×t=305-10t

(7)

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

將以上數據代入式(3),得沖蝕-腐蝕迭加作用后金屬網布過濾的過濾精度。

隨著服役時間t的延長,金屬網布篩管的過濾精度也發生變化。在不同服役時間下,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 金屬網布在沖蝕、腐蝕和沖蝕-腐蝕迭加作用下過濾精度與腐蝕時間的關系

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

在同一服役時間下,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。隨著服役時間的延長,沖蝕-腐蝕迭加作用下篩管的過濾精度的變化率最大。這是因為篩管在沖蝕-腐蝕迭加作用的損傷速率最大。

2.3 多元熱流體腐蝕對繞絲過濾體過濾精度影響

損傷速率是指單位時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,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。

隨著服役時間t的延長,繞絲過濾體的過濾精度也發生相應的變化。在不同服役時間下,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間的關系

由圖7可知,隨著服役時間的延長,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 復合篩管防砂效果及力學性能試驗

3.1 力學性能檢測

3.1.1 試驗裝置

抗拉伸、彎曲、扭轉性能測試采用拉伸試驗機,抗內外壓試驗采用耐高壓試驗艙、攜砂液攪拌罐、壓力計、125 MPa電動試壓泵、32 MPa高壓柱塞泵、黏度測定儀、計算機測控系統,試驗裝置如圖8～9所示。

1-泵;2-攜砂液攪拌罐;3-壓力計;4-實驗艙;5-篩管;6-封閉端;7-出口。

1-泵;2-攜砂液攪拌罐;3-壓力計;4-封閉端;5-實驗艙;6-篩管;7-出口。

3.1.2 力學性能

經過試驗測試,高溫復合篩管的各項性能指標的測試結果統計如表3所示。

表3 高溫復合篩管的力學性能測試結果

3.2 不同溫度下的防砂效果對比

3.2.1 試驗設備及方法

利用如圖10所示的試驗裝置進行篩管高溫過濾精度試驗,獲得不同溫度條件下通過篩管的磨料數量、粒徑尺寸和分布,評價溫度對篩管過濾精度的影響。

圖10 篩管高溫過濾精度試驗裝置

對于復合篩管,由于繞絲過濾體有一定的弧度,為防止繞絲試樣在夾具內晃動及繞絲空隙對砂子過濾產生影響,模擬實際復合篩管試樣,設計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裝置由加熱部分、測溫部分、進出氣部分、過濾部分及收集部分等組成。加熱部分功率按480～500 ℃進行設計,試樣最高加熱溫度可達400 ℃。試驗時從頂端的進砂口放入適量試驗砂,打開氮氣閥門,氣體緩慢進入管內,砂子在氣體的吹動下通過篩管試樣,被過濾到底部的收集容器中,部分砂子可能進入二次收集容器。將收集好的砂子分類保存,進行下一步的過濾精度分析。

3.2.2 防砂效果對比

通過熱采篩管高溫過濾精度試驗,測得兩者的出砂質量分數均遠小于0.3‰,并對金屬網布篩管和高溫熱采復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進行分析。

復合篩管試樣和金屬網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。復合篩管試樣的過濾出砂樣的中值粒徑d50要稍小于金屬網布篩管試樣中值粒徑。25 ℃時,復合篩管試樣d50為104.5 μm,金屬網布篩管試樣d50為111 μm,復合篩管比金屬網布過濾出砂的中值粒徑要小6.5 μm;當350 ℃時,復合篩管比金屬網布過濾出砂的中值粒徑要小10.3 μm。復合篩管試樣比金屬網布篩管試樣的過濾出砂粒徑≥125 μm的砂粒含量稍小。25 ℃時,復合篩管比金屬網布粒徑≥125 μm的砂粒含量質量分數要小4.49%;350 ℃時,金屬網布比復合篩管粒徑≥125 μm的砂粒質量分數要小2.41%。

圖12 過濾出砂中值粒徑d50與溫度關系

圖13 過濾出砂粒徑≥125 μm的砂粒含量與溫度關系

由圖12～13可知,原始的金屬網布篩管試樣和復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。

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

圖14 原始金屬網布和復合篩管不同溫度試驗的出砂量

4 現場應用

改進后的熱采篩管己成功應用于海上NB35-2、LD21-2油田10余口熱采井,在NB35-2油田的部分油井已進行多輪次注采,單井產能提高2～3倍。生產穩定,未發生出砂或含砂質量分數控制在0.3‰以內,無篩管損壞現象。

在LD21-2平臺的10口熱采井中,防砂方式均為高溫熱采復合篩管+礫石充填完井,設計礫石粒度為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。經過注熱、放噴及生產階段,熱采井單井產液量為20～100 m3/d,最高122 m3/d。未發生出砂或含砂質量分數控制在0.3‰以內,沒有發生篩管損壞現象,達到了海上熱采井防砂要求。實現了熱采增產效果,達到了防砂設計要求。

5 結論

1) 通過分析篩管的擋砂機理,整合優化了過濾層,設計了一種高溫熱采復合篩管。高溫熱采復合篩管由打孔基管、內保護套、泄流層、過濾層、泄流層、過濾層、繞絲層、外保護罩組成,具有強度高、耐腐蝕沖蝕、抗堵塞等優點。

2) 通過試驗測得多元熱流體下316L過濾體的腐蝕沖蝕損傷速率,并結合理論計算,得出隨著使用時間的增長,金屬網布及繞絲過濾體對過濾精度的影響均增大,純沖蝕對過濾精度影響最小,沖蝕-腐蝕疊加作用下影響最大。

3) 通過試驗測得高溫復合篩管各項力學性能均能滿足現場使用需求,高溫對其過濾精度的影響較小,整體防砂效果優于金屬網布篩管。

4) 高溫熱采復合篩管已在NB35-2、LD21-2油田10余口熱采井中成功應用,防砂效果良好,未發生篩管破損現象,實現了熱采增產效果,達到了防砂設計要求。