高溫蒸汽注采對篩管擋砂性能影響分析

盧道勝，滿宗通，周歡，龐明越，王圣虹

中海油田服務股份有限公司油田生產事業部（天津 300459）

1 模擬高溫注采實驗前準備

1.1 模擬篩管試樣的制備

根據現場高溫注采要求設計了全結構燒結金屬網篩管樣件。篩管試樣由外護套、燒結金屬網、端環和基管組成，基本結構和規格如圖1所示。

圖1 全結構金屬網燒結篩管試樣

1.2 實驗流體及地層砂

根據實際地層產出水的水質標準，對實驗用模擬液進行復配，各組分含量見表1，地層混合砂，實驗砂粒度分布特征參數見表2。

表1 模擬液各組分含量 mg/L

表2 實驗砂粒度分布特征參數

實驗砂的粒度中值d50為146μm，分選系數SC為20.4，均質系數UC為4.7，泥質含量為11.4%，符合實際地層砂復配要求。

1.3 實驗裝置及方法

1.3.1 高溫注采實驗裝置及實驗方法

注采實驗裝置為高溫蒸汽注采模擬實驗裝置，如圖2所示。注熱階段篩管樣件處于350℃飽和高溫蒸汽中，在生產階段保持攪拌槳旋轉，以模擬生產過程中生產水質與篩管之間的相對流動狀態；在模擬生產水介質中加入實驗砂，在攪拌槳旋轉攪拌作用下，形成與篩管試樣間存在相對運動的液固流體以模擬實際生產階段工況條件。

圖2 高溫飽和蒸汽注采模擬實驗專用裝置

高溫蒸汽注采模擬實驗時，依次進行注熱階段和生產階段的模擬實驗。注熱實驗時，將篩管樣件穩定固定在裝置內部的懸掛架上，向反應釜中注入1.5 L模擬生產水介質并加入配制好的實驗砂后蓋上釜蓋，升溫至350℃，實驗壓力為16.7 MPa，實驗時間為72 h。注熱階段實驗完成后，進入生產階段。在生產階段，向裝置內加入4 L生產采出水介質，實驗砂質量分數為5%，實驗時間為120 h。實驗結束后打開釜蓋，取出篩管樣件，注采單輪次周期為192 h。

在實際稠油熱采過程中，注熱吞吐一般包括注汽、悶井、生產3個階段[1]。根據現場蒸汽熱采工況，設計室內模擬加速實驗方法以盡量實現與現場開采一定程度的相關性[2]。設計采用高溫蒸汽注采模擬實驗裝置對篩管進行1、3、5輪次的蒸汽注采模擬實驗。蒸汽注采實驗由注熱階段和生產2個階段組成，實驗條件見表3。

表3 蒸汽注采模擬實驗注熱階段和生產階段實驗條件

現場蒸汽吞吐注熱和悶井占比為3.29%~8.22%左右，室內實驗注熱和悶井占比37.5%左右[3]。室內蒸汽注采實驗注熱和悶井時間周比明顯高于現場開采，室內蒸汽注采強化了蒸汽注熱階段，能夠實現對現場蒸汽注熱和開采過程的模擬。

1.3.2 擋砂性能實驗裝置及實驗方法

高壓擋砂性能實驗測試裝置由中間容器和填砂容器兩部分組成，如圖3所示。

圖3 擋砂性能實驗測試裝置

實驗前將經過不同輪次的篩管樣件放入并固定在填砂容器中心部位，外圍放入模擬地層砂，然后向中間容器和填砂裝置注入10 L去離子水，密封容器。采用高純氮氣增壓到不同的壓差，當氮氣加壓至設定壓力后打開出水口閥門，氮氣驅動下中間容器中的液體均勻進入擋砂裝置中經閥門流出，收集通過篩管樣件的濾出實驗砂進行計量分析。若濾出實驗砂混有腐蝕產物，則需采用酸洗處理。

2 高溫蒸汽注采篩管損傷、擋砂性能分析

2.1 高溫蒸汽注采篩管宏觀形貌損傷

圖4為1、3、5輪次高溫蒸汽注采實驗后的篩管與原始試樣的對比。可以看出，實驗后篩管基管被腐蝕，外保護套失去金屬光澤。隨著注采輪次的增加，外保護套的顏色逐漸加深，基管腐蝕加劇，腐蝕產物呈褐色且易剝落。

圖4 原始及不同注采輪次實驗篩管試樣

端環處的外支撐環與基管、外保護套之間，外支撐環與內支撐環之間焊接部位、內支撐環與四層網之間的環焊縫是易產生裂紋區域[4]。通過著色滲透法[5]對經過原始、1、3、5輪次篩管進行了無損檢測。如圖5所示，篩管各焊接區無明顯裂紋產生，未出現明顯腐蝕破壞。

圖5 不同輪次注采實驗篩管端環部位著色滲透檢測

2.2 高溫蒸汽注采金屬網過濾體損傷及擋砂性能分析

高溫蒸汽注采條件下，篩管過濾體的損傷程度[6]是影響篩管擋砂性能的重要因素。圖6給出了高溫蒸汽5輪次注采后燒結金屬網酸洗[7]后與原始樣件的宏觀形貌對比。

高溫蒸汽注采5輪次實驗和高壓擋砂實驗后燒結金屬網酸洗后，與原始樣件對比發現，經過5輪次注采模擬實驗和高壓擋砂性能實驗后燒結金屬網內外層未出現明顯的破壞。5輪次注采實驗后金屬網布經緯絲的直徑接近原始直徑。實驗表明：在經過高溫蒸汽5輪次注采實驗和高壓擋砂實驗后，篩管樣件過濾體未表現出明顯破壞，完整性良好，為篩管保持良好擋砂性能提供了重要保障。

如表4所示，在相同的壓差條件下，經歷5輪次注采實驗后的篩管樣件其濾出砂質量和流量均小于原始篩管樣件。同時，其濾出砂的粒度中值粒徑和大于等于150μm砂粒含量百分比也顯著小于原始篩管的濾出砂。對上述防砂指標[8-10]與原始樣件進行對比，發現注采后的篩管樣件仍具有良好的擋砂性能。

表4 不同驅替壓力下篩管的各項防砂指標

如表5所示，對高溫蒸汽注采5輪次樣件過濾精度值與原始樣件進行對比。酸洗前，由于腐蝕產物的存在而導致內外層燒結金屬網經緯絲的直徑稍大于原始經緯絲，其過濾精度值稍小于原始金屬網布；酸洗后，其經緯絲的直徑稍小于原始經緯絲，其過濾精度值稍大于原始金屬網布。將注采篩管樣件的內外層過濾體過濾精度值與原始金屬網布對比同樣表明，經歷5輪次注采后金屬網布過濾體與原始金屬網布具有相近的過濾精度值。

表5 不同注采輪次下篩管的過濾精度

2.3 高溫蒸汽注采輪次對篩管擋砂性能影響規律及分析

如圖7所示，原始樣件和不同注采輪次下樣件擋砂性能數據進行對比。對比發現，在2 MPa和4 MPa的壓差條件下，隨注采輪次的增多，流量、濾出砂的質量和過濾比均呈現一定程度降低的趨勢，粒度中值d50和大于等于150μm砂粒含量均呈現減小的趨勢特征。這表明隨注采輪次的增加，過濾體金屬絲表面生成腐蝕產物[11]，腐蝕產物堆積導致內外層過濾體的過濾精度值減小而對流體的阻礙作用增大。在過濾體金屬絲腐蝕產物和基管所產生的腐蝕產物的共同阻礙作用下，在模擬多輪次熱采過程中篩管擋砂性能略有提高。

圖7 不同輪次篩管濾出砂粒度中值d50和大于等于150μm砂粒含量

2.4 高溫蒸汽注采壓力對篩管擋砂性能影響規律及分析

對5輪次注采實驗后篩管樣件進行的2 MPa、4 MPa和6 MPa 3種注入壓力條件高壓擋砂性實驗。實驗流量變化和出砂量變化如圖8所示。可以看出，隨高溫蒸汽注入壓力增大，流量呈現正向相關性，出砂量呈現負相關性，注入壓力越大出砂量越小。由于篩管外側實驗砂堆積產生較強的阻礙作用，導致濾出砂質量隨壓差增大呈現一定程度的降低。

圖8 高溫蒸汽注采5輪次篩管流量和濾出砂質量

如圖9所示，對3種壓差條件的濾出砂進行分析，發現隨著壓差增大，粒度中值d50和大于等于150μm砂粒含量呈現出先減小后增大的趨勢，低注入壓力時充填砂壓實程度低，堆積結構不穩定導致出砂粒徑偏大，而高注入壓力條件下由于高壓條件下流速水平較高，攜帶能力強，部分大顆粒被攜帶通過樣件，導致粒徑偏大。4 MPa和6 MPa驅替條件下大于等于150μm的砂粒含量基本接近，均小于2 MPa時的含量，表明篩管過濾體防砂精度受注入壓力的影響較小。

圖9 5輪次注采實驗后篩管試樣濾出砂粒度中值d50及粒徑≥150μm砂粒含量

3 結論

1）經1、3、5輪次高溫蒸汽注采實驗后，篩管整體呈現不同程度的腐蝕。隨著注采輪次的增加，篩管腐蝕程度增加；無損檢測和微觀條件下均未發現篩管出現明顯的力學性能破壞，篩管結構良好，適用于高溫注采環境。

2）高溫蒸汽5輪次注采實驗后篩管相比原始篩管，流量、出砂質量都明顯減小。濾出砂的粒度中值和大于過濾精度的砂粒含量也均有不同程度降低，經歷過5輪次高溫蒸汽注采后的篩管樣件仍然保持有效的擋砂性能。

3）隨注采實驗輪次的增多篩管流量呈現一定程度的減小，濾出砂量及濾出砂粒徑減小。高溫注采條件下過濾體金屬絲腐蝕產物和基管所產生的腐蝕產物會共同阻礙砂粒通過，篩管擋砂性能略有提高。

4）不同驅替壓力下篩管過濾體擋砂性能穩定，蒸汽的注入壓力和砂粒充填質量是影響其防砂表現的重要因素。