熱采防砂篩管沖蝕試驗研究與應(yīng)用

劉新鋒，王新根，劉正偉，李良慶，李效波

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459)

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熱采防砂篩管沖蝕試驗研究與應(yīng)用

劉新鋒，王新根，劉正偉，李良慶，李效波

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459)

針對海上熱采井打撈篩管出現(xiàn)的穿孔與腐蝕現(xiàn)象，為探求熱采篩管損壞因素及機理，在熱采高溫井底環(huán)境下，利用自主研制的沖蝕試驗裝置，運用沖蝕試驗方法，模擬不同階段井底溫度、壓力、流量和含砂量等因素，分別對不同篩管基管材質(zhì)與過濾材料進(jìn)行沖蝕試驗。通過對篩管試驗前后微觀及形貌分析，得到高溫?zé)岵删篆h(huán)境下篩管沖蝕因素影響規(guī)律及損傷機理，并提出篩管材質(zhì)優(yōu)選、防蝕及結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施。改進(jìn)后篩管防砂成功率達(dá)100%，有效生產(chǎn)時間超過1000d，經(jīng)受了2輪次熱采考驗，達(dá)到了延長防砂有效期的目的，為熱采井增產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

稠油熱采；防砂篩管；腐蝕；沖蝕

海上油田稠油儲量豐富，普通開采單井產(chǎn)能低，熱力采油可提高單井產(chǎn)能2～3倍。然而，熱采中井底高溫和腐蝕性流體會造成篩管腐蝕損壞；同時，注熱強度達(dá)10 m3/h，生產(chǎn)強度達(dá)200 m3/d，強注強采使含砂流體不斷沖刷篩管，加劇篩管損壞。為探求篩管損壞影響因素及機理，在造成篩管腐蝕單因素試驗理論及試驗研究基礎(chǔ)上[2，3]，自主研制模擬試驗裝置，模擬不同生產(chǎn)階段井底溫度、流體性質(zhì)和生產(chǎn)狀況對篩管的沖蝕影響。

1　試驗裝置與方案

1.1試驗裝置與樣件制備

目前海上稠油熱采井主要采用多元熱流體進(jìn)行熱采生產(chǎn)，注熱流體由水蒸汽、N2、CO2和O2組成。根據(jù)熱采時注熱和生產(chǎn)2個階段井底環(huán)境溫度、壓力、注熱流體組分、流量和含砂量等因素對防砂篩管的影響[4]，自主研制如圖1所示的高溫高壓磁力驅(qū)動篩管沖蝕試驗裝置，以模擬不同生產(chǎn)階段井底環(huán)境對金屬棉和金屬網(wǎng)布兩種篩管進(jìn)行沖蝕試驗。

圖1　熱采篩管沖蝕試驗?zāi)M裝置圖

該試驗裝置主要由溫控系統(tǒng)、混合氣配置和反應(yīng)釜組成。溫控系統(tǒng)主要采用內(nèi)外熱電偶進(jìn)行加熱升溫，滿足不同試驗要求，達(dá)到溫度調(diào)節(jié)目的。根據(jù)熱采井多元熱流體組分、含量及分壓值，配置混合氣，并不斷通入反應(yīng)釜；同時，隨著混合氣體在反應(yīng)釜內(nèi)的逐漸消耗，氣體各組分的分壓發(fā)生變化，為了保持各氣體分壓值，通過反應(yīng)釜壓力表，實時排出反應(yīng)后的混合氣，而配置的混合氣不斷補充至反應(yīng)釜，使釜內(nèi)混合氣組分及分壓保持不變。試驗樣件放置于反應(yīng)釜旋轉(zhuǎn)夾持器中，根據(jù)生產(chǎn)流量計算旋轉(zhuǎn)速度，達(dá)到?jīng)_刷試樣的目的。

金屬網(wǎng)布篩管由內(nèi)外保護(hù)套、內(nèi)外支撐網(wǎng)和內(nèi)外過濾網(wǎng)組成，其中內(nèi)外兩層過濾網(wǎng)起到擋砂作用，結(jié)構(gòu)如圖2所示。金屬棉篩管由內(nèi)外保護(hù)套、金屬棉過濾網(wǎng)組成，其中金屬棉過濾網(wǎng)起到擋砂作用，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2　熱采金屬網(wǎng)布篩管結(jié)構(gòu)示意圖　　　圖3　熱采金屬棉篩管結(jié)構(gòu)示意圖

因此，利用沖蝕試驗研究裝置，根據(jù)篩管內(nèi)外支撐網(wǎng)和內(nèi)外過濾網(wǎng)按照篩管結(jié)構(gòu)及制作工藝，制作試驗樣件，樣件材質(zhì)分別為316L不銹鋼和434金屬棉，并研制專用試樣夾具，試樣及夾具安裝實物，如圖4所示。

圖4　試驗樣件及試驗夾具實物圖

1.2試驗介質(zhì)與流程

熱采井在注熱后進(jìn)入生產(chǎn)階段，為了更加準(zhǔn)確地模擬井底流體對篩管的沖蝕影響，試驗流體根據(jù)現(xiàn)場的地層產(chǎn)出水及注入流體水配制，配制的流體參數(shù)如表1所示。

表1　試驗流體離子質(zhì)量濃度及礦化度

利用自主研制的篩管沖蝕試驗裝置、篩管試驗樣件及試驗流體，沖蝕試驗流程如下：

1)依據(jù)注熱和生產(chǎn)階段，模擬井底溫度、氣體分壓值，進(jìn)行篩管過濾材質(zhì)靜態(tài)腐蝕試驗。

2)根據(jù)靜態(tài)腐蝕試驗結(jié)果，分析注熱流體對靜態(tài)腐蝕影響因素及規(guī)律。

3)以生產(chǎn)階段為研究過程，針對不同的含砂量、流量和沖刷角度，進(jìn)行篩管試驗樣件過濾材質(zhì)沖蝕試驗。

4)結(jié)合靜態(tài)腐蝕與動態(tài)沖刷下造成的沖蝕現(xiàn)象，總結(jié)篩管試驗樣件沖蝕影響因素及規(guī)律。

1.3試驗條件與步驟

為了探究篩管不同材料的損傷機理[5]，根據(jù)沖蝕主要影響因素，設(shè)定篩管沖蝕試驗參數(shù)，進(jìn)行沖蝕試驗。

1)試驗條件① 試驗溫度：120℃；② 二氧化碳分壓：2.5MPa；③ 氧氣分壓：0.6MPa；④ 流速：2m/s；⑤ 含砂量：1.5%；⑥ 沖蝕角度：30°；⑦ 試驗時間：120h。

2)試驗步驟①試驗前用99.95%的高純N2除O210h，然后迅速把試樣安裝在夾具上，蓋上釜蓋，再通入O22h，以除去釜內(nèi)的空氣；②加入熱電偶升溫、升壓至設(shè)定的O2壓力值，然后通入CO2氣體到設(shè)定的總壓；③進(jìn)行沖蝕試驗，試驗完畢取出試樣，用去離子水清洗，乙醇脫水，冷風(fēng)吹干，用失重法計算試樣的均勻腐蝕速率；④在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌，對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS(能譜)和XRD(X射線衍射)分析；⑤分析試驗結(jié)果，進(jìn)行篩管使用壽命預(yù)測，并提出改進(jìn)措施。

2　試驗結(jié)果分析

2.1材質(zhì)形貌分析

434金屬棉材質(zhì)過濾網(wǎng)試樣沖蝕試驗后，在表面沖蝕區(qū)域過濾材質(zhì)上附著棕紅色腐蝕產(chǎn)物，過濾材質(zhì)銹斷，而未沖蝕區(qū)域腐蝕產(chǎn)物堆積嚴(yán)重。316L不銹鋼材質(zhì)過濾網(wǎng)試樣沖蝕試驗后，試樣沒有明顯的損傷，體現(xiàn)出了316L材質(zhì)試樣優(yōu)異的耐沖蝕腐蝕性能(圖5)。

圖5　434金屬棉與316L不銹鋼材質(zhì)試驗后實物圖

圖6為沖蝕試驗條件下316L不銹鋼酸洗前后的不同倍數(shù)下微觀SEM圖片，可以看出酸洗前后的微觀形貌差異不大，說明了316L在試驗條件下良好的耐沖蝕性能。

圖6　316L不銹鋼沖蝕酸洗后不同倍數(shù)下SEM圖片

圖7為434金屬棉試驗后的形貌及能譜分析圖，從金屬棉酸洗后的微觀SEM圖片可以看出，酸洗后金屬基體損傷嚴(yán)重，出現(xiàn)了許多不同尺寸并向基體內(nèi)部擴展的蝕坑。通過對損傷處的EDS分析發(fā)現(xiàn)Cr元素含量低于原始基體，貧Cr區(qū)的出現(xiàn)也進(jìn)一步加速了基體的腐蝕。

圖7　434金屬棉不同放大倍數(shù)SEM圖片和腐蝕產(chǎn)物EDS圖譜

2.2損傷機理

在靜態(tài)腐蝕條件下，434材質(zhì)試樣的腐蝕速率為0.5772mm/a，當(dāng)流速達(dá)到2m/s時，其沖蝕速率達(dá)0.8872mm/a，同時，隨著含砂量提到的1.5%，其腐蝕程度大大提高，金屬棉絲銹斷現(xiàn)象比較明顯。損壞機理主要是進(jìn)入金屬材質(zhì)的大量砂粒與腐蝕產(chǎn)物聚集在一起而使其呈塊狀結(jié)垢，阻礙O2的傳輸而在局部區(qū)域形成許多“氧濃差電池”[6]，電化學(xué)反應(yīng)為：

陽極(含氧量低)Fe→Fe3++3e Cr→Cr3++3e

陰極(含氧量高)O2+H2O→4OH-

在含氧量較高區(qū)域為陰極發(fā)生吸氧反應(yīng)，而含氧量較低區(qū)域為陽極發(fā)生Fe和Cr的溶解，使金屬棉局部腐蝕嚴(yán)重進(jìn)而造成基體的完全銹斷，進(jìn)一步加速機體損傷。此外，金屬過濾材質(zhì)的孔隙度降低，使得局部區(qū)域流體實際流速大大提高，加速了金屬棉的失效。這兩方面相互促進(jìn)，使金屬棉的損傷程度明顯提高。

2.3試驗結(jié)果

根據(jù)篩管沖蝕試驗結(jié)果，建立篩管過濾材料的沖蝕速率計算模型如下：

(1)

式中：CR為平均腐蝕速率，mm/a；M為實驗前的試樣質(zhì)量，g； Mt為腐蝕實驗后的試樣質(zhì)量，g； Mk為空白試樣的失重，g；S為試樣面積，cm2；T為試驗時間，h；D為材料的密度，g/cm3。

由式(1)可計算出316L材質(zhì)和434材質(zhì)試樣的沖蝕速率分別為0.0050mm/a和0.8835mm/a?？梢缘贸?，316L材質(zhì)試樣的沖蝕速率明顯低于434材質(zhì)的，耐蝕性提高175倍。因此，316L材質(zhì)試樣在沖蝕試驗條件下具備較好的耐蝕性能。

3　現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)海上熱采井在不同生產(chǎn)階段的井底環(huán)境下篩管腐蝕與沖蝕迭加試驗研究成果，提高海上熱采井防砂效果及有效期，對篩管材質(zhì)與篩管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，主要體現(xiàn)如下：①根據(jù)不同過濾材質(zhì)迭加試驗成果，熱采篩管優(yōu)選耐蝕性能好的316L過濾材質(zhì)；②為了減小含砂流體對過濾材質(zhì)的沖蝕影響，避免腐蝕與沖蝕的相互促進(jìn)作用，熱采篩管采用導(dǎo)流槽的外護(hù)套結(jié)構(gòu)；③篩管內(nèi)部增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，減小熱采井注入階段的沖蝕影響。

改進(jìn)后的熱采篩管已成功應(yīng)用于海上11口熱采井中。其中，A1井為熱采裸眼水平井，完鉆井深1578.0m，水平段長度186.0m，采用新型熱采篩管+礫石充填完井。該井充填效率達(dá)180%，冷采產(chǎn)量平均34m3/d，自噴生產(chǎn)產(chǎn)量平均63m3/d，電泵生產(chǎn)產(chǎn)量平均43m3/d，截止2015年12月，穩(wěn)定生產(chǎn)超過1400d，累產(chǎn)油超過45000m3，含砂量低于0.3‰，經(jīng)歷了第二輪熱采生產(chǎn)，沒有發(fā)生篩管損壞現(xiàn)象。

其余10口熱采井均經(jīng)歷了第1輪次熱采作業(yè)，單井產(chǎn)能提高2～3倍，平均有效生產(chǎn)時間超過800d，5口井已完成2輪次熱采作業(yè)，生產(chǎn)穩(wěn)定，未發(fā)生出砂或含砂量控制在0.3‰以內(nèi)，達(dá)到了海上熱采井防砂要求。實現(xiàn)了熱采增產(chǎn)效果，達(dá)到了防砂設(shè)計要求。

4　結(jié)論

1)腐蝕與沖蝕迭加協(xié)同作用是熱采井篩管損壞的主要影響因素。

2)過濾材質(zhì)在沖蝕、腐蝕及迭加試驗條件下，316L材質(zhì)均沒有明顯的損傷。434材質(zhì)在迭加條件下的腐蝕速率較純沖蝕和純腐蝕條件下顯著提高。

3)優(yōu)選采用316L過濾材質(zhì)、具有內(nèi)外導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)的熱采防砂篩管。

4)后期熱采井中防砂成功率達(dá)100%，滿足了現(xiàn)階段海上熱采生產(chǎn)的技術(shù)需要。

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[編輯]黃鸝

2016-03-11

中海油田服務(wù)股份有限公司項目(C201103)。

劉新鋒(1981-)，男，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事完井防砂技術(shù)研究與應(yīng)用工作，liuxf16@cosl.com.cn。

TE358.1

A

1673-1409(2016)17-0058-05

[引著格式]劉新鋒，王新根，劉正偉，等.熱采防砂篩管沖蝕試驗研究與應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版), 2016,13(17):58～62.