热采防砂筛管冲蚀试验研究与应用

2016-09-02刘新锋王新根刘正伟李良庆李效波

长江大学学报(自科版) 2016年17期

关键词：筛管过滤网冲蚀

刘新锋，王新根，刘正伟，李良庆，李效波

(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459)

热采防砂筛管冲蚀试验研究与应用

刘新锋，王新根，刘正伟，李良庆，李效波

(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459)

针对海上热采井打捞筛管出现的穿孔与腐蚀现象，为探求热采筛管损坏因素及机理，在热采高温井底环境下，利用自主研制的冲蚀试验装置，运用冲蚀试验方法，模拟不同阶段井底温度、压力、流量和含砂量等因素，分别对不同筛管基管材质与过滤材料进行冲蚀试验。通过对筛管试验前后微观及形貌分析，得到高温热采井底环境下筛管冲蚀因素影响规律及损伤机理，并提出筛管材质优选、防蚀及结构改进措施。改进后筛管防砂成功率达100%，有效生产时间超过1000d，经受了2轮次热采考验，达到了延长防砂有效期的目的，为热采井增产奠定了基础。

稠油热采；防砂筛管；腐蚀；冲蚀

海上油田稠油储量丰富，普通开采单井产能低，热力采油可提高单井产能2～3倍。然而，热采中井底高温和腐蚀性流体会造成筛管腐蚀损坏；同时，注热强度达10 m3/h，生产强度达200 m3/d，强注强采使含砂流体不断冲刷筛管，加剧筛管损坏。为探求筛管损坏影响因素及机理，在造成筛管腐蚀单因素试验理论及试验研究基础上[2，3]，自主研制模拟试验装置，模拟不同生产阶段井底温度、流体性质和生产状况对筛管的冲蚀影响。

1　试验装置与方案

1.1试验装置与样件制备

目前海上稠油热采井主要采用多元热流体进行热采生产，注热流体由水蒸汽、N2、CO2和O2组成。根据热采时注热和生产2个阶段井底环境温度、压力、注热流体组分、流量和含砂量等因素对防砂筛管的影响[4]，自主研制如图1所示的高温高压磁力驱动筛管冲蚀试验装置，以模拟不同生产阶段井底环境对金属棉和金属网布两种筛管进行冲蚀试验。

图1　热采筛管冲蚀试验模拟装置图

该试验装置主要由温控系统、混合气配置和反应釜组成。温控系统主要采用内外热电偶进行加热升温，满足不同试验要求，达到温度调节目的。根据热采井多元热流体组分、含量及分压值，配置混合气，并不断通入反应釜；同时，随着混合气体在反应釜内的逐渐消耗，气体各组分的分压发生变化，为了保持各气体分压值，通过反应釜压力表，实时排出反应后的混合气，而配置的混合气不断补充至反应釜，使釜内混合气组分及分压保持不变。试验样件放置于反应釜旋转夹持器中，根据生产流量计算旋转速度，达到冲刷试样的目的。

金属网布筛管由内外保护套、内外支撑网和内外过滤网组成，其中内外两层过滤网起到挡砂作用，结构如图2所示。金属棉筛管由内外保护套、金属棉过滤网组成，其中金属棉过滤网起到挡砂作用，结构如图3所示。

图2　热采金属网布筛管结构示意图　　　图3　热采金属棉筛管结构示意图

因此，利用冲蚀试验研究装置，根据筛管内外支撑网和内外过滤网按照筛管结构及制作工艺，制作试验样件，样件材质分别为316L不锈钢和434金属棉，并研制专用试样夹具，试样及夹具安装实物，如图4所示。

图4　试验样件及试验夹具实物图

1.2试验介质与流程

热采井在注热后进入生产阶段，为了更加准确地模拟井底流体对筛管的冲蚀影响，试验流体根据现场的地层产出水及注入流体水配制，配制的流体参数如表1所示。

表1　试验流体离子质量浓度及矿化度

利用自主研制的筛管冲蚀试验装置、筛管试验样件及试验流体，冲蚀试验流程如下：

1)依据注热和生产阶段，模拟井底温度、气体分压值，进行筛管过滤材质静态腐蚀试验。

2)根据静态腐蚀试验结果，分析注热流体对静态腐蚀影响因素及规律。

3)以生产阶段为研究过程，针对不同的含砂量、流量和冲刷角度，进行筛管试验样件过滤材质冲蚀试验。

4)结合静态腐蚀与动态冲刷下造成的冲蚀现象，总结筛管试验样件冲蚀影响因素及规律。

1.3试验条件与步骤

为了探究筛管不同材料的损伤机理[5]，根据冲蚀主要影响因素，设定筛管冲蚀试验参数，进行冲蚀试验。

1)试验条件① 试验温度：120℃；② 二氧化碳分压：2.5MPa；③ 氧气分压：0.6MPa；④ 流速：2m/s；⑤ 含砂量：1.5%；⑥ 冲蚀角度：30°；⑦ 试验时间：120h。

2)试验步骤①试验前用99.95%的高纯N2除O210h，然后迅速把试样安装在夹具上，盖上釜盖，再通入O22h，以除去釜内的空气；②加入热电偶升温、升压至设定的O2压力值，然后通入CO2气体到设定的总压；③进行冲蚀试验，试验完毕取出试样，用去离子水清洗，乙醇脱水，冷风吹干，用失重法计算试样的均匀腐蚀速率；④在扫描电子显微镜(SEM)下观察腐蚀产物的微观形貌，对腐蚀产物进行EDS(能谱)和XRD(X射线衍射)分析；⑤分析试验结果，进行筛管使用寿命预测，并提出改进措施。

2　试验结果分析

2.1材质形貌分析

434金属棉材质过滤网试样冲蚀试验后，在表面冲蚀区域过滤材质上附着棕红色腐蚀产物，过滤材质锈断，而未冲蚀区域腐蚀产物堆积严重。316L不锈钢材质过滤网试样冲蚀试验后，试样没有明显的损伤，体现出了316L材质试样优异的耐冲蚀腐蚀性能(图5)。

图5　434金属棉与316L不锈钢材质试验后实物图

图6为冲蚀试验条件下316L不锈钢酸洗前后的不同倍数下微观SEM图片，可以看出酸洗前后的微观形貌差异不大，说明了316L在试验条件下良好的耐冲蚀性能。

图6　316L不锈钢冲蚀酸洗后不同倍数下SEM图片

图7为434金属棉试验后的形貌及能谱分析图，从金属棉酸洗后的微观SEM图片可以看出，酸洗后金属基体损伤严重，出现了许多不同尺寸并向基体内部扩展的蚀坑。通过对损伤处的EDS分析发现Cr元素含量低于原始基体，贫Cr区的出现也进一步加速了基体的腐蚀。

图7　434金属棉不同放大倍数SEM图片和腐蚀产物EDS图谱

2.2损伤机理

在静态腐蚀条件下，434材质试样的腐蚀速率为0.5772mm/a，当流速达到2m/s时，其冲蚀速率达0.8872mm/a，同时，随着含砂量提到的1.5%，其腐蚀程度大大提高，金属棉丝锈断现象比较明显。损坏机理主要是进入金属材质的大量砂粒与腐蚀产物聚集在一起而使其呈块状结垢，阻碍O2的传输而在局部区域形成许多“氧浓差电池”[6]，电化学反应为：

阳极(含氧量低)Fe→Fe3++3e Cr→Cr3++3e

阴极(含氧量高)O2+H2O→4OH-

在含氧量较高区域为阴极发生吸氧反应，而含氧量较低区域为阳极发生Fe和Cr的溶解，使金属棉局部腐蚀严重进而造成基体的完全锈断，进一步加速机体损伤。此外，金属过滤材质的孔隙度降低，使得局部区域流体实际流速大大提高，加速了金属棉的失效。这两方面相互促进，使金属棉的损伤程度明显提高。

2.3试验结果

根据筛管冲蚀试验结果，建立筛管过滤材料的冲蚀速率计算模型如下：

(1)

式中：CR为平均腐蚀速率，mm/a；M为实验前的试样质量，g； Mt为腐蚀实验后的试样质量，g； Mk为空白试样的失重，g；S为试样面积，cm2；T为试验时间，h；D为材料的密度，g/cm3。

由式(1)可计算出316L材质和434材质试样的冲蚀速率分别为0.0050mm/a和0.8835mm/a。可以得出，316L材质试样的冲蚀速率明显低于434材质的，耐蚀性提高175倍。因此，316L材质试样在冲蚀试验条件下具备较好的耐蚀性能。

3　现场应用

根据海上热采井在不同生产阶段的井底环境下筛管腐蚀与冲蚀迭加试验研究成果，提高海上热采井防砂效果及有效期，对筛管材质与筛管结构进行改进与优化，主要体现如下：①根据不同过滤材质迭加试验成果，热采筛管优选耐蚀性能好的316L过滤材质；②为了减小含砂流体对过滤材质的冲蚀影响，避免腐蚀与冲蚀的相互促进作用，热采筛管采用导流槽的外护套结构；③筛管内部增加导流结构，减小热采井注入阶段的冲蚀影响。

改进后的热采筛管已成功应用于海上11口热采井中。其中，A1井为热采裸眼水平井，完钻井深1578.0m，水平段长度186.0m，采用新型热采筛管+砾石充填完井。该井充填效率达180%，冷采产量平均34m3/d，自喷生产产量平均63m3/d，电泵生产产量平均43m3/d，截止2015年12月，稳定生产超过1400d，累产油超过45000m3，含砂量低于0.3‰，经历了第二轮热采生产，没有发生筛管损坏现象。

其余10口热采井均经历了第1轮次热采作业，单井产能提高2～3倍，平均有效生产时间超过800d，5口井已完成2轮次热采作业，生产稳定，未发生出砂或含砂量控制在0.3‰以内，达到了海上热采井防砂要求。实现了热采增产效果，达到了防砂设计要求。