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新一代高溫高壓防砂篩管研發成功

新一代高溫高壓防砂篩管研發成功

日前,一種能夠滿足200℃、20,000psi作業條件的新型防砂篩管已研發成功。

來自 | World oil
編譯 | 張玉亭

近年來,石油行業出現了多項井下防砂技術。其中,獨立篩管防砂技術和礫石充填篩管防砂技術應用最為廣泛。然而不幸的是,上述技術都受到了篩管沖蝕以及腐蝕問題的嚴重影響。有害的流體環境條件,如pH和礦化度等,會降低防砂篩管的使用壽命。同時,一些堅硬的研磨性較大的地層砂礫還會造成防砂篩管的局部堵塞,進而造成篩管的沖蝕以及篩縫或擋砂孔眼的增大。

上述問題會導致防砂篩管在生產過程中局部或者整體的失效,再加上高溫高壓地層條件(一般地層溫度高于150℃,地層壓力大于10,000psi/bar)的影響,上述問題將更加突出。

陶瓷篩管的研發

目前,石油行業內缺乏一套通用的防砂篩管測試評價標準,使得科研和技術部門很難制定一套全球認可的測試協議條款來輔助推進防砂篩管技術的研發。2008年丹麥的一家油氣公司與ESK Ceramics公司(現在為3M高端材料分公司)開展了一個合作項目,該項目使用3M現有的陶瓷技術,聯合研發出了新型的防砂篩管材料,該成果包括了3M公司三個部門的技術成果:

1.軍品部門—新型材料,硬度大于金屬和合金,但是密度更低;
2.采礦部門—新型陶瓷技術,具有高抗沖蝕特性,能夠降低NPT(非生產作業時間);
3.油氣部門—應用技術。

經過兩年時間,該項目完成了測量參數的確定以及方案的測試,研發成功了世界上第一款使用碳化硅材料的陶瓷防砂篩管。截至目前為止,新型陶瓷防砂篩管已在世界范圍內的30多口井進行了應用,應用對象包括使用常規防砂篩管失效后的生產井、高產高沖蝕氣井(射孔孔眼流速大于100 ft/sec)以及由于高費用限制而無法采用礫石充填技術的生產井。

新一代高溫高壓防砂篩管研發成功

圖1.10號縫寬的陶瓷篩管環

新型陶瓷篩管具有靈活布置的陶瓷環結構層,如圖1所示,可根據用戶需求參考地層砂粒度分布情況制成V型篩縫結構。陶瓷環結構層外部覆蓋護罩,端部有端蓋連接,端蓋可對陶瓷環結構層起到保護作用,同時還與基管緊密錨固。上述結構設計能夠使地層砂在陶瓷篩管周圍自然堆積,從而降低產能損失的風險。

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圖2.a:外護罩保護陶瓷環結構層; b:完整的帶端蓋和緊固錨的篩管總成

評定標準方法

有效確定防砂篩管評定和檢驗標準的最大挑戰是如何界定相關的里程碑節點。同時工程師還需要設計一個有效的辦法,能夠將室內實驗室測試結果和地面技術評價結果可靠地轉換為井下高溫高壓生產條件下的結果。盡管評定標準里很多參考了ISO 17824(19s)的內容,但是工程技術人員還是與作業公司一起建立了一套更為完整的方法。

各作業者選擇不同的關鍵參數進行了測試和評價,形成了對現場條件下各參數的測試和評價方法。通過數據分析,確定了用來進行篩管沖蝕、強度、腐蝕、鼓脹和屈曲特征評價的參數,從而保障了風險控制措施的有效性和針對性。該評價方法的應用需要作業者和篩管制造廠家統一認識,對評價目標、測試條款以及井下環境條件的認識取得一致,并對產品形成統一的規格參數要求。

沖蝕

對于防砂篩管來說,進行高流速沖擊測試需要在典型條件下進行攜砂液的射流沖擊試驗.項目組根據作業井眼條件要求,對各個參數進行了定義,并明確了相互之間的關系。

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圖3.測試后陶瓷試件SEM圖片(基準標尺為100μm)

強度

由于高溫高壓井一般井深更大并且井身結構更復雜,可能采用平臺井口或者水下井口,因此該項目針對上述情況進行了專門的影響測試,以確保篩管在正常的安裝條件下具備可靠的完整性和功能性。完整的高溫高壓防砂篩管總成要進行嚴格的測試,直接打入堅硬地面,以模擬極端情況下的篩管安裝環境,如圖4所示。在經過了100次沖擊測試之后,試驗表明,篩管未發生臨界破壞。

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圖4.強度測試地面安裝

腐蝕

高H2S和CO2濃度以及高礦化度地層條件在高溫高壓井中是普遍存在的情況。該項目將基礎的碳化硅材料放置在150℃到220℃之間的兩個溫度條件下,進行了96% H2SO4溶液中的腐蝕試驗。試驗結果表明,上述試驗材料即使在更高溫度條件下,在觀測條件范圍內也只觀察到了很少的腐蝕現象,腐蝕損失可以忽略不計,如表1所示。

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表1.碳化硅在濃硫酸鹽溶液中的腐蝕速率

壓潰和鼓脹

根據ISO 17824(API 19s)中對防砂篩管壓潰和鼓脹性能測試的規定,項目組利用篩管制造廠家的測試設備和第三方的實驗室分別對陶瓷防砂篩管進行了測試。篩管制造廠家根據ISO標準規范加工了一套堵塞工具,能夠承受1500psi的鼓脹壓力以及超過7500psi的壓差作用,達到了測試設備的極限條件,如圖5所示。測試結果表明陶瓷篩管完全滿足高溫高壓井的所有已知條件要求。

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圖5.a:壓潰和鼓脹堵塞工具測試結果;b:陶瓷篩管壓潰測試果

屈曲

通過屈曲試驗對陶瓷環的完整性和金屬部件的變形特性進行了檢測。圖6顯示的是測試設備安裝過程。屈曲測試的目標是測試撤銷屈曲壓力之后篩管在松弛過程中平均篩縫寬度的變化情況(一般小于2標準尺寸,50μm)。

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圖6.測試松弛階段峰寬變化情況的屈曲試驗

測試程序/結果

項目組建立了一整套被作業者和篩管制造廠家共同認可的高溫高壓評價和驗證標準之后,按照以下程序進行了測試檢驗。

1.將測試篩管和測量系統安裝在測試設備上;
2.測量測試設備內支架之間的距離;
3.調節位移傳感器并與數據記錄系統進行連接;
4.利用液壓千斤頂對篩管進行加壓直到陶瓷環彎曲程度達到預定的狗腿度;
5.測量加壓前后篩管峰寬的尺寸。

采用4-1/2in基管陶瓷篩管總成的測試結果如下所示:

1.屈曲試驗中,篩管彎曲狗腿度為12.7°/100 ft時,篩縫寬度最大變化值為10μm;
2.篩管彎曲狗腿度為25.2°/100 ft時,篩縫寬度最大變化值為23μm;
3.卸載階段,篩縫寬度無變化,與設計規格參數一致;
4.針對相同尺寸篩管開展的有限元理論分析得到了與試驗相似的結論。

案例分析

某作業者需要控制上游工程投資,另外,由于目標井產能較高(25~35 MMscfgd),因此需要在高流速生產條件下保障井下空間(篩管與套管環空以及地層裂縫內部)充填足夠的支撐劑。其中,兩口井采用了陶瓷防砂篩管,篩管懸掛于封隔器下部,采用電纜下入,封隔器在射孔段上部坐封。兩口井于2014年底投產,一直生產至今,地面未發現出砂或者支撐劑返排問題。今后該項目的井都將采用相同的完井方法。

總結

高溫高壓井防砂篩管設計評價方法取得了成功應用,每個階段定義的測試條件都會出現變動,并確保與常見高溫高壓環境條件保持一致。

由于具備了進行攜砂射流沖擊測試的能力,并充分理解和遵守了ISO對與陶瓷篩管的規范要求,3M制定出了相關測試條款,能夠確保對高溫高壓防砂篩管進行正確的評價檢測。得到的設計規格參數能夠滿足200℃作業溫度和20,000 psi井下靜態壓力下的篩管應用要求。

該項新技術的取得,得益于整體項目管理以及與市場伙伴的密切協作,研究成果將有助于推動高溫高壓防砂技術的革新。

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