稠油井高温热采复合筛管研究及应用

2023-10-12满宗通庞明越

石油矿场机械 2023年5期

满宗通, 庞明越

(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部完井中心, 天津 300459)

渤海地区的油田大部分为稠油油藏。随着以多元热流体、蒸汽吞吐为代表的海上稠油热采技术的试验成功和逐步推广,稠油热采工艺得到更多应用,而且已逐步成为未来海上稠油开发的主要工艺[1-5]。目前,高温对筛管过滤精度的影响不明确。中国石油天然气集团公司管材研究所研究表明,高温会明显降低筛管的屈服强度[6]。部分高校、油田及相关研究院所对于筛管腐蚀的研究较多,研究发现,当温度上升时,腐蚀过程中阳极和阴极的反应速度随之增加[7-11]。由于筛管在热采过程中存在局部冲蚀,并且注入的高温多元热流体中含有CO2、O2和水蒸汽等成分,会对管材产生腐蚀作用,造成筛管机械强度和过滤精度降低,影响井下管柱的寿命[12-15]。

为了深入研究稠油热采生产过程中高温对防砂筛管材质造成的损害,以及高温对筛管防砂过滤精度的影响程度和规律,本文从室内试验入手,结合理论计算和分析,给出比较可靠的评估数据,从而保证稠油热采防砂的有效性,更好地指导稠油热采工艺的推广应用,避免因筛管机械强度和过滤精度的降低而造成热采井后期防砂失败,影响油井的正常生产和后期增产措施的实施。

1 新型高温热采复合筛管结构优化设计

1.1 高温热采复合筛管微观结构分析

无论是单层还是多层编织滤网,筛管的挡砂机理均为内部桥架堵塞机理。滤网层数越多,阻挡地层砂通过的能力越强。同时,筛网被地层砂细砂侵入,造成渗透率降低的可能性就越大[16-18]。因此,在优质筛管的基础上,优化了绕丝过滤层,将两层泄流层设计为外小内大的形式,以增强泄流效果。

高温热采复合筛管从内到外由打孔基管、内保护套、15目泄流层、125 μm过滤层、20目泄流层、125 μm过滤层、125 μm绕丝层、外保护罩等组成,如图1所示,流体及地层砂由外至内流入。

第1层编织滤网形成第1道绕丝挡砂屏障,阻挡大部分地层砂侵入,同时使部分细的地层砂通过。阻挡住的地层砂堆积形成“砂桥”结构,起到很好的挡砂作用。

第2泄流层在绕丝层与编制滤网之间,主要起到隔开绕丝层与编制滤网的作用,减小因为编织滤网与绕丝层贴得过于紧密造成的流通阻力问题。

第2层编织滤网形成第2道挡砂屏障,阻挡部分第1层筛网滤过的地层砂。

第3层编织滤网形成第3层防砂保护屏障。

第1泄流层在2层编织滤网之间,主要起到隔开这2层挡砂编织滤网的作用,减小因为2层编织滤网或编织滤网与绕丝层贴得过于紧密造成的流通阻力问题。

设计的高温复合筛管结构如图2所示。

1-基管;2-外端环;3-外护套;4-内端环;5-压紧环;6-内护套;7-过滤网;8-支撑网;9-绕丝端环;10-绕丝过滤体;11-接箍。

1.2 高温热采复合筛管技术优势

复合筛管的防砂原理如图3所示,液体在内外压差的作用下通过筛套最外层的外保护套。外保护套的冲缝结构改变井下液体流动方向,能有效减缓液体对过滤体的直接冲击。绕丝过滤体具有孔隙度高、强度高、耐冲蚀等特点,且可抗堵塞,便于反洗清洁。金属网过滤体采用2层金属网和2层支撑泄流网结构,增加了过滤的可靠度。

1-基管;2-内护套;3-支撑网;4-过滤网;5-支撑网;6-过滤网;7-绕丝过滤体;8-外护套。

支撑泄流网主要对过滤层起支撑和泄流的作用,两种不同精度泄流网的外层交错空间大于外侧交错空间,过流能力更强,可抗堵塞,便于反洗清洁;筛套结构中最内层是内保护套,能够避免筛套受外力挤压变形,导致筛套内壁紧贴基管,液体无法流动。

基管采用螺旋布孔方式,既满足开口率的要求,也能达到基管强度要求。

复合筛管整体结构简单紧凑,强度高、抗变形能力强,同时耐酸碱腐蚀、耐高温、耐冲蚀,寿命长。现场使用施工简单,操作方便,有利于降低施工费用、提高施工成功率。

1.3 高温热采复合筛管技术参数

表1 139.7 mm(5英寸)高温热采复合筛管技术参数

基管规格基管钢级筛管最大外径/mm过滤精度/μm扣型抗弯曲角度/((°)·(30m)-1)开孔率/%抗外压差/MPa抗内压差/MPa抗拉伸载荷/kN5 ″ 17lb/ftTP110H1761505 ″ LTC B×P≥156.44≥36.5≥10.7≥1 942.9

2 复合筛管材料多元热流体腐蚀冲蚀性能检测

2.1 腐蚀冲蚀损伤速率

对金属网布及绕丝使用的316L过滤体进行冲蚀性能试验,冲蚀装置如图4所示。在恒压差和恒流量工况下进行冲蚀试验,通过逐渐增加试验砂,模拟油井流体中地层砂在过滤体表面逐渐堆积,对过滤体金属丝产生冲蚀的过程。在冲蚀腐蚀试验过程中,随着过滤体表面聚集的试验砂量增加,使用流量计计量得到通过过滤体的流量,或使用压力传感器得到过滤体前后压差的变化。采用高温高压磁力驱动CO2反应釜(如图5所示),进行316L过滤体的腐蚀试验。

图5 高温高压釜示意图及实物照片

分别利用扫描电子显微镜和共聚焦激光显微镜对过滤体的腐蚀冲蚀损伤进行微观观察测量。经过冲蚀和腐蚀试验,在350 ℃,流速2 m/s,冲蚀角度30°,pCO2=2.5 MPa,pO2=0.6 MPa条件下,测得316 L金属网布筛管的冲蚀、腐蚀和冲蚀-腐蚀迭加的腐蚀速率如表2所示。

表2 316L金属网布筛管材料3种试验条件下的损伤速率

2.2 多元热流体冲蚀和腐蚀对金属网布过滤精度影响

损伤速率是指单位时间材料在深度方向的减薄量,由于316 L金属网布网丝为实心均匀管柱,其损伤速率,即单位时间网丝直径缩进量δd是减薄量的2倍。假设金属网布过滤体每条经丝和纬丝的损伤速率相同,均等于材料整体的损伤速率。

2.2.1 多元热流体纯冲蚀对金属网布过滤精度影响

通过视频显微镜观察可得,350 ℃时过滤精度120 μm的金属网布筛管纬丝直径Dy=203 μm,经丝直径Dx=305 μm,相邻经丝间距a=1 310 μm,纬丝和y-z平面的夹角α=16.978°。

冲蚀后的金属网布的损伤速率DRe=0.002 5 mm/a,因此其经丝直径和纬丝直径计算公式如下:

纬丝网丝直径Dy1为

Dy1=Dy-δdl=Dy-2DRe×t=203-5t

(1)

式中:t为金属网布筛管服役时间;δd1为冲蚀导致的网丝直径缩进量。

经丝网丝直径Dx1为

Dx1=Dx-δdl=Dx-2DRe×t=350-5t

(2)

将以上数据代入,得冲蚀后的金属网布筛管的过滤精度Ds为:

(3)

2.2.2 多元热流体纯腐蚀对金属网布筛管过滤精度影响

腐蚀后金属网布筛管的损伤速率DRc=0.003 4 mm/a,因此其经丝直径和纬丝直径数据如下:

纬丝网丝直径Dy2为

Dy2=Dy-δd2=Dy-2DRc×t=203-6.8t

(4)

式中:δd2为腐蚀导致的网丝直径缩进量。

经丝网丝直径Dx2为

Dx2=Dx-δd2=Dx-2DRc×t=305-6.8t

(5)

相邻经丝间距为a=1 310 μm,纬丝和y-z平面的夹角为α=16.978°。

将以上数据代入式(3),得腐蚀后的金属网布的过滤精度。

2.2.3 多元热流体冲蚀-腐蚀迭加作用对金属网布筛管过滤精度影响

冲蚀-腐蚀迭加作用下的金属网布筛管的损伤速率DRe-c=0.005 mm/a,因此其经丝直径和纬丝直径数据如下:

纬丝网丝直径Dy3为

Dy3=Dy-δd3=Dy-2DRe-c×t=203-10t

(6)

式中:δd3为冲蚀-腐蚀迭加作用导致的网丝直径缩进量。

经丝网丝直径Dx3为

Dx3=Dx-δd3=Dx-2DRe-c×t=305-10t

(7)

相邻经丝间距为a=1 310 μm,纬丝和x-y平面的夹角为α=16.978°。

将以上数据代入式(3),得冲蚀-腐蚀迭加作用后金属网布过滤的过滤精度。

随着服役时间t的延长,金属网布筛管的过滤精度也发生变化。在不同服役时间下,筛管在冲蚀、腐蚀以及冲蚀腐蚀迭加作用下的过滤精度的变化如图6所示。

图6 金属网布在冲蚀、腐蚀和冲蚀-腐蚀迭加作用下过滤精度与腐蚀时间的关系

由图6可知,金属网布筛管在冲蚀、腐蚀和冲蚀-腐蚀迭加作用下过滤精度均随着服役时间的延长而增大。筛管的服役时间越长,过滤精度的变化率就越大。

在同一服役时间下,冲蚀后的筛管的过滤精度最小,冲蚀-腐蚀迭加作用下过滤精度最大,腐蚀后的过滤精度居中。随着服役时间的延长,冲蚀-腐蚀迭加作用下筛管的过滤精度的变化率最大。这是因为筛管在冲蚀-腐蚀迭加作用的损伤速率最大。

2.3 多元热流体腐蚀对绕丝过滤体过滤精度影响

损伤速率是指单位时间材料在厚度方向的减薄量。由于316 L绕丝过滤体的过滤精度是绕丝的缝隙宽度,因此绕丝过滤体过滤精度的变化量为减薄量的2倍。

2.3.1 多元热流体纯冲蚀对绕丝过滤精度影响

多元热流体纯冲蚀后的绕丝过滤体的过滤精度Ds1为

Ds1=Ds0+2δd1=Ds0+2DRe×t=96+5t

(8)

式中:350 ℃时,绕丝的过滤精度Ds0=96 μm;冲蚀后的绕丝过滤体的损伤速率DRe=0.002 5 mm/a。

2.3.2 多元热流体纯腐蚀对绕丝过滤精度影响

多元热流体纯腐蚀后的绕丝过滤体的过滤精度Ds2为

Ds2=Ds0+2δd2=Ds0+2DRc×t=96+6.8t

(9)

式中:腐蚀后的绕丝过滤体的损伤速率DRc=0.003 4mm/a。

2.3.3 多元热流体冲蚀-腐蚀迭加对绕丝过滤精度影响

多元热流体冲蚀-冲蚀后的绕丝过滤体的过滤精度Ds3为

Ds3=Ds0+2δd3=Ds0+2DRe-c×t=96+10t

(10)

式中:冲蚀腐蚀后的绕丝过滤体的损伤速率DRe-c=0.005 0 mm/a。

随着服役时间t的延长,绕丝过滤体的过滤精度也发生相应的变化。在不同服役时间下,绕丝过滤体在冲蚀、腐蚀以及冲蚀腐蚀迭加作用下的过滤精度的变化如图7所示。

图7 绕丝过滤体在冲蚀、腐蚀和冲蚀-腐蚀迭加作用下过滤精度与腐蚀时间的关系

由图7可知,随着服役时间的延长,绕丝在冲蚀、腐蚀和冲蚀-腐蚀迭加作用下过滤精度均线性增大。在同一服役时间下,冲蚀后的绕丝的过滤精度最小,冲蚀-腐蚀迭加作用下过滤精度最大,腐蚀后的过滤精度居中。

3 复合筛管防砂效果及力学性能试验

3.1 力学性能检测

3.1.1 试验装置

抗拉伸、弯曲、扭转性能测试采用拉伸试验机,抗内外压试验采用耐高压试验舱、携砂液搅拌罐、压力计、125 MPa电动试压泵、32 MPa高压柱塞泵、黏度测定仪、计算机测控系统,试验装置如图8～9所示。

1-泵;2-携砂液搅拌罐;3-压力计;4-实验舱;5-筛管;6-封闭端;7-出口。

1-泵;2-携砂液搅拌罐;3-压力计;4-封闭端;5-实验舱;6-筛管;7-出口。

3.1.2 力学性能

经过试验测试,高温复合筛管的各项性能指标的测试结果统计如表3所示。

表3 高温复合筛管的力学性能测试结果

3.2 不同温度下的防砂效果对比

3.2.1 试验设备及方法

利用如图10所示的试验装置进行筛管高温过滤精度试验,获得不同温度条件下通过筛管的磨料数量、粒径尺寸和分布,评价温度对筛管过滤精度的影响。

图10 筛管高温过滤精度试验装置

对于复合筛管,由于绕丝过滤体有一定的弧度,为防止绕丝试样在夹具内晃动及绕丝空隙对砂子过滤产生影响,模拟实际复合筛管试样,设计制备了腐蚀筛管试样绕丝空隙填充支撑部件,如图11所示。

图11 筛管试样空隙填充支撑部件

筛管高温过滤精度试验装置由加热部分、测温部分、进出气部分、过滤部分及收集部分等组成。加热部分功率按480～500 ℃进行设计,试样最高加热温度可达400 ℃。试验时从顶端的进砂口放入适量试验砂,打开氮气阀门,气体缓慢进入管内,砂子在气体的吹动下通过筛管试样,被过滤到底部的收集容器中,部分砂子可能进入二次收集容器。将收集好的砂子分类保存,进行下一步的过滤精度分析。

3.2.2 防砂效果对比

通过热采筛管高温过滤精度试验,测得两者的出砂质量分数均远小于0.3‰,并对金属网布筛管和高温热采复合筛管的出砂样中值粒径d50和粒径≥125 μm的砂粒含量、不同温度下的出砂量及过滤比β进行分析。

复合筛管试样和金属网布筛管试样过滤出砂的中值粒径d50和粒径≥125 μm的砂粒含量如图12～13所示。复合筛管试样的过滤出砂样的中值粒径d50要稍小于金属网布筛管试样中值粒径。25 ℃时,复合筛管试样d50为104.5 μm,金属网布筛管试样d50为111 μm,复合筛管比金属网布过滤出砂的中值粒径要小6.5 μm;当350 ℃时,复合筛管比金属网布过滤出砂的中值粒径要小10.3 μm。复合筛管试样比金属网布筛管试样的过滤出砂粒径≥125 μm的砂粒含量稍小。25 ℃时,复合筛管比金属网布粒径≥125 μm的砂粒含量质量分数要小4.49%;350 ℃时,金属网布比复合筛管粒径≥125 μm的砂粒质量分数要小2.41%。

图12 过滤出砂中值粒径d50与温度关系

图13 过滤出砂粒径≥125 μm的砂粒含量与温度关系

由图12～13可知,原始的金属网布筛管试样和复合筛管试样的中值粒径d50和粒径≥125 μm的砂粒含量相差不大。绕丝层能够提高整个筛管的过滤效果,过滤出砂中值粒径小,过滤出砂粒径≥125 μm的砂粒含量低。

金属网布筛管和复合筛管试样试验后收集到的试验出砂量如图14所示。金属网布筛管试样试验后收集到的试验砂质量要大于原始复合筛管试样收集到的试验砂质量。在25 ℃和350 ℃时,复合筛管试样与金属网布试样收集到的试验砂质量相差不大,复合筛管出砂量稍低;但在60～200 ℃时,复合筛管出砂量明显少于金属网布筛管。在实际开采中,井底温度一般为50～150 ℃,因此复合筛管更适用于稠油热采[19-20]。

图14 原始金属网布和复合筛管不同温度试验的出砂量

4 现场应用

改进后的热采筛管己成功应用于海上NB35-2、LD21-2油田10余口热采井,在NB35-2油田的部分油井已进行多轮次注采,单井产能提高2～3倍。生产稳定,未发生出砂或含砂质量分数控制在0.3‰以内,无筛管损坏现象。

在LD21-2平台的10口热采井中,防砂方式均为高温热采复合筛管+砾石充填完井,设计砾石粒度为20～40目,热采方式为两趟管柱蒸汽吞吐,注入温度350 ℃、注入量300 t/d、井口注入压力为15.5 MPa左右。截止目前,10口井均完成首轮次注采。经过注热、放喷及生产阶段,热采井单井产液量为20～100 m3/d,最高122 m3/d。未发生出砂或含砂质量分数控制在0.3‰以内,没有发生筛管损坏现象,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。