熱采防砂篩管沖蝕試驗研究與應用

劉新鋒，王新根，劉正偉，李良慶，李效波

(中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459)

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熱采防砂篩管沖蝕試驗研究與應用

劉新鋒，王新根，劉正偉，李良慶，李效波

(中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459)

針對海上熱采井打撈篩管出現的穿孔與腐蝕現象，為探求熱采篩管損壞因素及機理，在熱采高溫井底環境下，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與過濾材料進行沖蝕試驗。通過對篩管試驗前后微觀及形貌分析，得到高溫熱采井底環境下篩管沖蝕因素影響規律及損傷機理，并提出篩管材質優選、防蝕及結構改進措施。改進后篩管防砂成功率達100%，有效生產時間超過1000d，經受了2輪次熱采考驗，達到了延長防砂有效期的目的，為熱采井增產奠定了基礎。

稠油熱采；防砂篩管；腐蝕；沖蝕

海上油田稠油儲量豐富，普通開采單井產能低，熱力采油可提高單井產能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10 m3/h，生產強度達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上[2，3]，自主研制模擬試驗裝置，模擬不同生產階段井底溫度、流體性質和生產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行熱采生產，注熱流體由水蒸汽、N2、CO2和O2組成。根據熱采時注熱和生產2個階段井底環境溫度、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動篩管沖蝕試驗裝置，以模擬不同生產階段井底環境對金屬棉和金屬網布兩種篩管進行沖蝕試驗。

圖1　熱采篩管沖蝕試驗模擬裝置圖

該試驗裝置主要由溫控系統、混合氣配置和反應釜組成。溫控系統主要采用內外熱電偶進行加熱升溫，滿足不同試驗要求，達到溫度調節目的。根據熱采井多元熱流體組分、含量及分壓值，配置混合氣，并不斷通入反應釜；同時，隨著混合氣體在反應釜內的逐漸消耗，氣體各組分的分壓發生變化，為了保持各氣體分壓值，通過反應釜壓力表，實時排出反應后的混合氣，而配置的混合氣不斷補充至反應釜，使釜內混合氣組分及分壓保持不變。試驗樣件放置于反應釜旋轉夾持器中，根據生產流量計算旋轉速度，達到沖刷試樣的目的。

金屬網布篩管由內外保護套、內外支撐網和內外過濾網組成，其中內外兩層過濾網起到擋砂作用，結構如圖2所示。金屬棉篩管由內外保護套、金屬棉過濾網組成，其中金屬棉過濾網起到擋砂作用，結構如圖3所示。

圖2　熱采金屬網布篩管結構示意圖　　　圖3　熱采金屬棉篩管結構示意圖

因此，利用沖蝕試驗研究裝置，根據篩管內外支撐網和內外過濾網按照篩管結構及制作工藝，制作試驗樣件，樣件材質分別為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試驗介質與流程

熱采井在注熱后進入生產階段，為了更加準確地模擬井底流體對篩管的沖蝕影響，試驗流體根據現場的地層產出水及注入流體水配制，配制的流體參數如表1所示。

表1　試驗流體離子質量濃度及礦化度

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)依據注熱和生產階段，模擬井底溫度、氣體分壓值，進行篩管過濾材質靜態腐蝕試驗。

2)根據靜態腐蝕試驗結果，分析注熱流體對靜態腐蝕影響因素及規律。

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

4)結合靜態腐蝕與動態沖刷下造成的沖蝕現象，總結篩管試驗樣件沖蝕影響因素及規律。

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]，根據沖蝕主要影響因素，設定篩管沖蝕試驗參數，進行沖蝕試驗。

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，以除去釜內的空氣；②加入熱電偶升溫、升壓至設定的O2壓力值，然后通入CO2氣體到設定的總壓；③進行沖蝕試驗，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)下觀察腐蝕產物的微觀形貌，對腐蝕產物進行EDS(能譜)和XRD(X射線衍射)分析；⑤分析試驗結果，進行篩管使用壽命預測，并提出改進措施。

2　試驗結果分析

2.1材質形貌分析

434金屬棉材質過濾網試樣沖蝕試驗后，在表面沖蝕區域過濾材質上附著棕紅色腐蝕產物，過濾材質銹斷，而未沖蝕區域腐蝕產物堆積嚴重。316L不銹鋼材質過濾網試樣沖蝕試驗后，試樣沒有明顯的損傷，體現出了316L材質試樣優異的耐沖蝕腐蝕性能(圖5)。

圖5　434金屬棉與316L不銹鋼材質試驗后實物圖

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重，出現了許多不同尺寸并向基體內部擴展的蝕坑。通過對損傷處的EDS分析發現Cr元素含量低于原始基體，貧Cr區的出現也進一步加速了基體的腐蝕。

圖7　434金屬棉不同放大倍數SEM圖片和腐蝕產物EDS圖譜

2.2損傷機理

在靜態腐蝕條件下，434材質試樣的腐蝕速率為0.5772mm/a，當流速達到2m/s時，其沖蝕速率達0.8872mm/a，同時，隨著含砂量提到的1.5%，其腐蝕程度大大提高，金屬棉絲銹斷現象比較明顯。損壞機理主要是進入金屬材質的大量砂粒與腐蝕產物聚集在一起而使其呈塊狀結垢，阻礙O2的傳輸而在局部區域形成許多“氧濃差電池”[6]，電化學反應為：

陽極(含氧量低)Fe→Fe3++3e Cr→Cr3++3e

陰極(含氧量高)O2+H2O→4OH-

在含氧量較高區域為陰極發生吸氧反應，而含氧量較低區域為陽極發生Fe和Cr的溶解，使金屬棉局部腐蝕嚴重進而造成基體的完全銹斷，進一步加速機體損傷。此外，金屬過濾材質的孔隙度降低，使得局部區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，使金屬棉的損傷程度明顯提高。

2.3試驗結果

根據篩管沖蝕試驗結果，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為實驗前的試樣質量，g； Mt為腐蝕實驗后的試樣質量，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材質和434材質試樣的沖蝕速率分別為0.0050mm/a和0.8835mm/a。可以得出，316L材質試樣的沖蝕速率明顯低于434材質的，耐蝕性提高175倍。因此，316L材質試樣在沖蝕試驗條件下具備較好的耐蝕性能。

3　現場應用

根據海上熱采井在不同生產階段的井底環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，對篩管材質與篩管結構進行改進與優化，主要體現如下：①根據不同過濾材質迭加試驗成果，熱采篩管優選耐蝕性能好的316L過濾材質；②為了減小含砂流體對過濾材質的沖蝕影響，避免腐蝕與沖蝕的相互促進作用，熱采篩管采用導流槽的外護套結構；③篩管內部增加導流結構，減小熱采井注入階段的沖蝕影響。

改進后的熱采篩管已成功應用于海上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180%，冷采產量平均34m3/d，自噴生產產量平均63m3/d，電泵生產產量平均43m3/d，截止2015年12月，穩定生產超過1400d，累產油超過45000m3，含砂量低于0.3‰，經歷了第二輪熱采生產，沒有發生篩管損壞現象。

其余10口熱采井均經歷了第1輪次熱采作業，單井產能提高2～3倍，平均有效生產時間超過800d，5口井已完成2輪次熱采作業，生產穩定，未發生出砂或含砂量控制在0.3‰以內，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。

4　結論

1)腐蝕與沖蝕迭加協同作用是熱采井篩管損壞的主要影響因素。

2)過濾材質在沖蝕、腐蝕及迭加試驗條件下，316L材質均沒有明顯的損傷。434材質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)優選采用316L過濾材質、具有內外導流槽結構的熱采防砂篩管。

4)后期熱采井中防砂成功率達100%，滿足了現階段海上熱采生產的技術需要。

[1]劉新鋒，張海龍，高彥才. 海上單筒雙井稠油熱采鉆完井技術研究與應用[J]. 特種油氣藏，2014,21(5)：134～137.

[2] 馬增華，孫永濤，林濤，等. 多元熱流體中不同鋼材的腐蝕行為研究[J].石油化工應用，2012，31(9):60～63.

[3] 劉新鋒，張海龍，李效波，等. 海上稠油熱采篩管沖蝕影響因素[J].石油鉆采工藝，2012，34(5):73～75.

[4] 黃穎輝，劉東，羅義科. 海上多元熱流體吞吐先導試驗井生產規律研究[J]. 特種油氣藏，2013，20(2)：84～86.

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[8]王雪飛,楊岐年，趙啟彬. 多元熱流體吞吐技術在海洋稠油探井測試中的應用[J].油氣井測試，2011，20(3):35～36.

[9] 楊劍蓉. 熱水加熱器的失效分析[J]. 化工設計，2007，17(2):35～37.

[編輯]黃鸝

2016-03-11

中海油田服務股份有限公司項目(C201103)。

劉新鋒(1981-)，男，碩士，高級工程師，現從事完井防砂技術研究與應用工作，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用[J].長江大學學報(自科版), 2016,13(17):58～62.