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【本周專題:完井】形狀記憶聚合物,裸眼井控砂技術升級

【本周專題:完井】形狀記憶聚合物,裸眼井控砂技術升級

出砂會對井筒生產造成巨大傷害,常規的防砂技術都存在著各種缺點。新技術采用形狀記憶聚合物,防砂效率更高,導流能力更強,在各種油藏中都可應用。

來自 | JPT
編譯 | 張德凱

裸眼井常規防砂技術包括獨立篩管、膨脹篩管和礫石充填(OHPG),在某些情況下,為了滿足地層壓力強度及砂礫均勻性、大小等要求,必須要使用OHPG。然而,OHPG在一些油藏和特殊地質情況的井中并不適用,形狀記憶聚合物技術(SMP)能夠彌補這一技術空白。本文對SMP技術在裸眼井地層防砂中的應用進行了總結。

技術簡介

SMP是一種復合防砂系統,由特殊設計的聚合物材料組成,聚合物一般依附于儲存罐內。在射孔作業時,將聚合物儲存器以機械的方式安裝在射孔中心管上,即建立了可用于裸眼井防砂的簡單模塊系統。

SMP設計原則與工程性能

SMP有兩種工作狀態:低溫時保持玻璃態,高溫時為橡膠狀,兩種狀態的轉變溫度定義為玻璃化溫度(Tg)。

特殊設計的SMP為Tg進行了全新定義,該溫度標志著記憶聚合物形狀轉變的開始。首先,將SMP加熱至Tg,隨后對其施加壓力將其壓實,縮小其直徑,并將其依附于儲存器的表面。隨后對壓縮態的SMP降溫,撤去施加壓力。在應用中,當SMP外圍溫度升高至Tg,則壓縮狀態的SMP將恢復至壓縮之前的狀態。

為了確保SMP在井筒的生產階段保持壓縮狀態,預定作業油藏的井底溫度(BHT)必須要低于Tg。在SMP防砂系統成功安裝后,如果BHT低于Tg,則SMP無法被活化,需要注入一些活化液體。注入的液體會起到類似于催化劑的作用,降低SMP的Tg至BHT以下,達到激發SMP恢復為原始形狀的目的。在SMP活化后,活化液體即被排除井筒。當SMP被活化后,將依附于井筒,起到防砂作用,井筒可投入生產。

SMP的防砂和過濾能力

為了評價SMP的防砂和過濾性能,除了進行常規的測試外(泥漿測試等),研發人員還模擬了一系列油藏壓力狀況對SMP進行抗壓測試。測試中,研發人員通過模擬地層砂粒狀態和控砂介質對SMP施加了不同的動態載荷。

動態過濾測試和結果

對多種出砂粒徑分布不同(PSDs)的地層情況進行了模擬,測量了砂層、SMP層的壓降以及通過測試介質的井液流出量。結果顯示,相對于未過濾前的狀態,通過防砂層液體的含砂量低于10%。如果不考慮砂粒的形狀均一性、篩分系數和磨損比例,被過濾掉的出砂中90%粒徑都小于44μm。

如果從粒徑、篩選、均一性和磨損程度來說,測試用的砂子與地層出砂差別很大。然而,測試用的SMP類型與實際防砂所用相同,該測試的過濾性能還是令人滿意的,而且測試中并沒有出現堵塞或意外出砂等問題。

SMP與OHPG性能對比

SMP是由不規則形狀的氣泡組成的,本身具有多個開口(縫隙),用于相互連接和流動路徑(圖1)。SMP的獨特結構允許粒徑小于44μm的顆粒通過,忽略了顆粒PSD的影響,從而達到控砂的目的,這種氣泡結構是一種通用的防砂介質,在多種井況中都可使用。為了對比SMP和OHPG的控砂能力,分別以粒徑不均勻度低、中、高的三種砂粒進行了測試。結果顯示,當地層出砂情況確定后,根據PSD設計的OHPG才能達到防砂的目的,而SMP通用性更強。

【本周專題:完井】形狀記憶聚合物,裸眼井控砂技術升級

圖1.SMP樣品截面,顯示氣泡及相互連接的結構

測試結果顯示,孔徑越?。?0/60目)的礫石充填系統出砂量越少,但是壓降也越高;相反,孔徑大(12/20目)的礫石充填防砂體系出砂量多,但壓降小。

與之相比,SMP的壓降與20/40目的礫石充填防砂體系類似,但是其出砂量更低,防砂效率更高,這與其只允許粒徑低于44 μm顆粒通過有關。

SMP應用BHT范圍及活化液體設計

由于Tg是SMP本身具有的特性,所以SMP的部署主要取決于周圍溫度的變化。只有當SMP周圍溫度高于Tg時,SMP才會被活化、膨脹,發揮作用,否則就不能活化SMP。而SMP的狀態轉變取決于周圍流體的溫度。在干燥環境中(如空氣中),SMP的活化溫度要更高,在潮濕環境中(在某種液體中)則要低一些。

在將SMP下入井筒之前,應首先確定備選井的BHT低于Tg,這樣才能在活化前將SMP保持剛性,不改變其狀態和形狀。因此,要在井底條件下活化SMP,其周圍也必須是活化流體,活化流體主要由完井液組成,外加少量的活化劑,本文將之稱為活化劑?;罨黧w在井下發揮類似于催化劑的作用,將SMP的活化溫度暫時降低至Tg以下,使SMP在井下環境中活化變形??傊?,采用SMP作為防砂工具的井筒完井方案實施前必須要檢測油藏BHT,此外,在SMP下入井底后,還需注入活化液體。

一般來講,使用SMP防砂系統最適宜的BHT范圍是100~200°F,而最近的研究也表明,SMP在油藏溫度低至40°F時也可用,但是在如此低的溫度下使用SMP則需要使用特殊配置的活化液體。

活化液體設計

當油藏BHT較高時,只需使用低濃度的活化液體即可實現SMP活化,使其膨脹至井筒尺寸,發揮作用。然而,在BHT較低的油藏中,SMP活化需要的活化劑濃度更高。

活化液體一般由完井液(基液)和SMP活化劑組成,實際應用中,活化劑濃度取決于油藏BHT和完井液類型(如鹽類完井液、泥漿等)。

通常,為了使活化液體具有較低的閃點,保證現場作業的安全性,活化劑的體積濃度低于9%。作業人員研究了SMP膨脹速率與水基泥漿/KCl溶液中活化劑濃度的關系,為了保證結果準確性,測試均在195°F下進行。結果顯示,SMP的膨脹時間只與液體環境有關。

上述研究證明,SMP的膨脹速率不僅與溫度有關,還受到液體類型的影響。

鉆井液濾餅清除劑基活化液體的設計

清除劑一般用于裸眼段的鉆井液濾餅粉碎、清洗,這種液體由表面活性劑和其他分散劑組成,能夠分解濾餅,并除去瀝青等會降低效滲透率的其他有機沉積物。簡而言之,濾餅/泥餅清除劑主要用于提高產率。為了節約作業時間、減少下鉆次數,將清除劑與SMP活化劑結合使用具有非常大的應用潛力。實際上,有研究表明,清除劑主要由有機物組成,與SMP活化劑類似,其本身就能起到SMP活化的作用。

裸眼井作業準備和操作流程

與常規篩管防砂完井類似,SMP使用之前也要進行徹底的井筒清洗。為了保證作業順利進行,有必要在裸眼井完井的準備階段進行一次行業最頂級的井筒清洗作業。

操作流程

SMP防砂系統安裝除了遵循常規防砂篩管作業流程外,還需符合以下標準:

1.井下工具組合(BHA)必須保證在作業時井筒液體流動暢通,直至井底。這點非常重要,直接影響活化液體以何種方式注入井筒以及是否能到達井底,從而決定SMP是否從井底開始發生膨脹。

2.完井BHA還必須具有防止濾餅/泥餅脫落功能,當管串在封隔器密封的井筒中移動時,該系統必須時刻保持均勻的流體靜力通信。這一點也非常重要,因為泥餅的突然脫落會造成活化液體的漏失。SMP的安裝可以由尾管掛或是常規篩管安裝工具完成。

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