新型热采筛管在海上稠油油田的应用

2016-12-20刘新锋王新根王忠禄刘金鑫刘正伟

特种油气藏 2016年3期

关键词：筛管防砂过滤网

刘新锋，王新根，王忠禄，刘金鑫，刘正伟

(中海油田服务股份有限公司，天津 300459)

新型热采筛管在海上稠油油田的应用

刘新锋，王新根，王忠禄，刘金鑫，刘正伟*

(中海油田服务股份有限公司，天津 300459)

海上热采井井底温度达300 ℃，高温热应力加剧了出砂风险，筛管作为最后一道屏障，决定着热采防砂的成败。筛管在高温、腐蚀和强注强采的恶劣环境下易发生损坏，导致油井出砂停产。针对海上热采井生产特点，研发了新型热采筛管。该筛管材质选用热稳定性强、耐腐蚀和强度高的P110H-3Cr钢材；结构优化为7层，内外2层挡砂网精度外大内小，逐层过滤；特殊结构的导流外护套，减少高速流体冲蚀影响。新型热采筛管不仅具备较好的热稳定性能，而且提高了抗腐蚀能力。截至2015年12月，新型热采筛管已成功应用15井次，作业成功率为100%，单井产能提高2～3倍，未发生出砂及筛管损坏情况。该技术满足了海上油田热采防砂要求，为提高热采效果奠定了基础。

筛管；出砂；防砂；热应力；热采；稠油；海上油田

0 引言

海上油田利用热采技术开采稠油油藏，井底温度为300 ℃，注热周期为30 d，并且注入量大(周期注水量为4 000 m3，周期注气量为14×104m3)，单井产能达到200 m3/d。海上热采井强注强采措施导致井底流速高，形成冲蚀现象。同时，为保证井底温度，利用环空注N2隔热措施，减少井筒沿程热损失，注N2过程中不可避免含有O2，若油藏含有CO2气体，两者共同构成腐蚀环境[1-5]。热采筛管在高温、腐蚀和冲蚀联合作用下，易发生损坏，导致热采井出砂停产。为了预防海上热采井防砂筛管损坏，研制了新型热采筛管，主要在结构设计、耐温材质和耐腐蚀性等方面进行改进和优化，以适应海上热采井防砂技术要求，延长生产期。

1 热采筛管设计

1.1 结构设计

目前，国内稠油热采井超过80%采用机械防砂技术，筛管以割缝筛管、绕丝筛管和金属棉筛管为主，根据岩石粒径分布和生产特点，每种筛管均有较好的适应性。但是，海上稠油油田受平台空间、举升和地面砂处理等限制，含砂量要求低于0.3‰，因此，针对海上油田热采井油层和生产特点，需研制适合海上热采的新型筛管。

新型热采筛管结构从内向外依次为基管、绕丝管筛套、内支撑网、内过滤网、中间支撑网、外过滤网、外保护套(图1)。各层具有不同结构和特点：①新型热采筛管最外层为外保护套，采用槽型导流结构，改变流体流向，减小流体冲蚀影响；②过滤网为4层，外层过滤网根据地层砂粒度分布，设计精度为150 μm，进行初次挡砂；中间支撑网主要起到分流和减小流体冲蚀作用；内过滤网提供第2次挡砂，阻挡生产过程中通过外过滤网的小粒径砂粒，设计精度为120 μm；内支撑网具有较大的过流面积，同样起分流和减小冲蚀作用。4层过滤网均采用斜纹密纹编制结构，不受扭矩影响，网孔不变形；③绕丝管筛套设计缝宽为300 μm，其作用主要是提高筛管整体强度，并在过滤网损坏的情况下可避免大砂粒进入筛管，提供最后一道防砂屏障；④最内层为基管，根据热采后产量，基管上打不同尺寸螺旋分布孔眼，提供流体通道，并对外部各层结构提供支撑作用。

图1 新型热采筛管结构示意图

1.2 材质优选

1.2.1 基管材质优选

在海上油田热采过程中，热采井经历注热、焖井和生产3个阶段，井底最高温度达300 ℃，放喷生产后，井底温度缓慢降低，直至恢复为原始井底温度。因此，筛管处于高温热应力及交变热应力联合作用下，屈服损坏风险增大。根据热应力模型计算出筛管受到的高温热应力约为225 kN，相当于703 MPa轴向应力。

因此，新型热采筛管在满足高温强度要求的同时，还需较强的热稳定性，避免热应力的较大变化，导致筛管损坏。对J55、N80、P105和P110等4种钢材强度受高温影响程度进行分析[1]，根据各材质在300 ℃下的强度值并结合筛管所受的热应力，新型热采筛管材质优选用P110H钢材。在300 ℃高温下，P110H钢材最小屈服强度达740.98 MPa，远高于热采期间产生的热应力值，可以满足高温下的强度要求，降低筛管屈服损坏风险。

在满足热稳定性和高温强度下要求的同时，随着钢材中微量元素Cr含量的提高，基管的耐腐蚀性逐渐增强，P110H-3Cr钢材比P110H钢材耐腐蚀性可提高5倍以上[6]。因此，基管材质最终优选P110H-3Cr钢材。

1.2.2 过滤网材质优选

为了进一步研究O2与CO2气体对过滤材质的腐蚀机理，在室内利用高温高压反应釜模拟热采生产过程，对筛管在冲蚀、腐蚀和二者迭加情况下的耐蚀性能进行室内评价，评价了316L、434钢材的耐蚀性能[7]，根据实验研究成果，优选316L不锈钢为过滤网材质。

1.3 耐冲蚀设计

筛管在热采中除受腐蚀影响外，长时间强注强采使含砂流体不断冲蚀筛管，腐蚀和冲蚀两者相互促进，加速了筛管损坏，导致出砂停产。

为了降低热采中冲蚀和腐蚀对筛管的影响，进行了筛管室内冲蚀评价实验，研究了流体流速、含砂浓度、冲蚀角度和粒径对筛管冲蚀的影响[8-11]。根据实验研究成果，对新型热采筛管外保护套进行优化设计(图2)：①外保护套采用冲压拉伸、螺旋分布的直角侧向导流槽，根据储层岩心粒径分布和热采井产能(200 m3/d)，设计导流槽槽缝为0.40 mm，开孔率比普通开孔率提高25%，提高了含砂流体的流通能力；②在热采生产中，含砂流体流动到筛管，外护套直角侧向导流槽改变含砂流体流动方向，由径向直接冲击流动改变为沿着筛管周向流动，含砂流体平行于过滤网进入筛管，有效避免其对筛管过滤层的直接冲蚀，延长筛管使用寿命；③海上热采井采用裸眼水平井完井，在筛管入井过程中，外保护套可很好地保护过滤层，避免过滤层被刺破或刮坏而导致防砂施工失效。

图2 新型热采筛管外护罩导流原理

综上所述，新型热采筛管在结构和材质上进行了改进和优化，满足了高温要求，降低了冲蚀损坏风险，延长了防砂有效期，表1为新型热采筛管与其他筛管性能对比。

表1 新型筛管与常规筛管性能对比

由表1可知：新型热采筛管采用多层过滤防砂设计，可以有效防止60 μm以上砂粒，提高了防砂精度；P110H-3Cr钢材具有热稳定性强、强度高、耐高温和防腐蚀的特点，耐温300 ℃，抗内压强度为8.3 MPa，抗外挤强度为27.5 MPa；独特的导流槽外护套可以有效降低流体冲蚀性；筛管外径为162.0 mm，通径为124.3 mm，整体过流面积达20.0%～40.0%，远高于常规筛管。

2 现场应用

新型热采筛管已在海上油田成功应用15井次，其中13口井第1周期热采生产已结束，单井产能提高2～3倍，平均有效生产时间超过1 000 d，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，提高了热采增产效果。

A1井为一口热采裸眼水平井，井深为1 578.0 m，水平段长度为186.0 m，完井采用新型热采筛管+砾石充填防砂方式。根据该井地层砂粒度分布，内外过滤网过滤精度分别为120、150 μm，绕丝网缝隙宽度为300 μm，充填砾石粒径为16～30目，充填效率为180%。冷采平均日产油为34 m3/d，自喷生产平均日产油为63 m3/d，电泵生产平均日产油为43 m3/d，截至2015年12月，稳定生产超过1 400 d，累计产油超过45 000 m3，含砂量低于0.3‰，目前已进入第2周期热采生产，没有发生筛管损坏现象。