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新一代高温高压防砂筛管研发成功

新一代高温高压防砂筛管研发成功

日前,一种能够满足200℃、20,000psi作业条件的新型防砂筛管已研发成功。

来自 | World oil
编译 | 张玉亭

近年来,石油行业出现了多项井下防砂技术。其中,独立筛管防砂技术和砾石充填筛管防砂技术应用最为广泛。然而不幸的是,上述技术都受到了筛管冲蚀以及腐蚀问题的严重影响。有害的流体环境条件,如pH和矿化度等,会降低防砂筛管的使用寿命。同时,一些坚硬的研磨性较大的地层砂砾还会造成防砂筛管的局部堵塞,进而造成筛管的冲蚀以及筛缝或挡砂孔眼的增大。

上述问题会导致防砂筛管在生产过程中局部或者整体的失效,再加上高温高压地层条件(一般地层温度高于150℃,地层压力大于10,000psi/bar)的影响,上述问题将更加突出。

陶瓷筛管的研发

目前,石油行业内缺乏一套通用的防砂筛管测试评价标准,使得科研和技术部门很难制定一套全球认可的测试协议条款来辅助推进防砂筛管技术的研发。2008年丹麦的一家油气公司与ESK Ceramics公司(现在为3M高端材料分公司)开展了一个合作项目,该项目使用3M现有的陶瓷技术,联合研发出了新型的防砂筛管材料,该成果包括了3M公司三个部门的技术成果:

1.军品部门—新型材料,硬度大于金属和合金,但是密度更低;
2.采矿部门—新型陶瓷技术,具有高抗冲蚀特性,能够降低NPT(非生产作业时间);
3.油气部门—应用技术。

经过两年时间,该项目完成了测量参数的确定以及方案的测试,研发成功了世界上第一款使用碳化硅材料的陶瓷防砂筛管。截至目前为止,新型陶瓷防砂筛管已在世界范围内的30多口井进行了应用,应用对象包括使用常规防砂筛管失效后的生产井、高产高冲蚀气井(射孔孔眼流速大于100 ft/sec)以及由于高费用限制而无法采用砾石充填技术的生产井。

新一代高温高压防砂筛管研发成功

图1.10号缝宽的陶瓷筛管环

新型陶瓷筛管具有灵活布置的陶瓷环结构层,如图1所示,可根据用户需求参考地层砂粒度分布情况制成V型筛缝结构。陶瓷环结构层外部覆盖护罩,端部有端盖连接,端盖可对陶瓷环结构层起到保护作用,同时还与基管紧密锚固。上述结构设计能够使地层砂在陶瓷筛管周围自然堆积,从而降低产能损失的风险。

新一代高温高压防砂筛管研发成功

图2.a:外护罩保护陶瓷环结构层; b:完整的带端盖和紧固锚的筛管总成

评定标准方法

有效确定防砂筛管评定和检验标准的最大挑战是如何界定相关的里程碑节点。同时工程师还需要设计一个有效的办法,能够将室内实验室测试结果和地面技术评价结果可靠地转换为井下高温高压生产条件下的结果。尽管评定标准里很多参考了ISO 17824(19s)的内容,但是工程技术人员还是与作业公司一起建立了一套更为完整的方法。

各作业者选择不同的关键参数进行了测试和评价,形成了对现场条件下各参数的测试和评价方法。通过数据分析,确定了用来进行筛管冲蚀、强度、腐蚀、鼓胀和屈曲特征评价的参数,从而保障了风险控制措施的有效性和针对性。该评价方法的应用需要作业者和筛管制造厂家统一认识,对评价目标、测试条款以及井下环境条件的认识取得一致,并对产品形成统一的规格参数要求。

冲蚀

对于防砂筛管来说,进行高流速冲击测试需要在典型条件下进行携砂液的射流冲击试验.项目组根据作业井眼条件要求,对各个参数进行了定义,并明确了相互之间的关系。

新一代高温高压防砂筛管研发成功

图3.测试后陶瓷试件SEM图片(基准标尺为100μm)

强度

由于高温高压井一般井深更大并且井身结构更复杂,可能采用平台井口或者水下井口,因此该项目针对上述情况进行了专门的影响测试,以确保筛管在正常的安装条件下具备可靠的完整性和功能性。完整的高温高压防砂筛管总成要进行严格的测试,直接打入坚硬地面,以模拟极端情况下的筛管安装环境,如图4所示。在经过了100次冲击测试之后,试验表明,筛管未发生临界破坏。

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图4.强度测试地面安装

腐蚀

高H2S和CO2浓度以及高矿化度地层条件在高温高压井中是普遍存在的情况。该项目将基础的碳化硅材料放置在150℃到220℃之间的两个温度条件下,进行了96% H2SO4溶液中的腐蚀试验。试验结果表明,上述试验材料即使在更高温度条件下,在观测条件范围内也只观察到了很少的腐蚀现象,腐蚀损失可以忽略不计,如表1所示。

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表1.碳化硅在浓硫酸盐溶液中的腐蚀速率

压溃和鼓胀

根据ISO 17824(API 19s)中对防砂筛管压溃和鼓胀性能测试的规定,项目组利用筛管制造厂家的测试设备和第三方的实验室分别对陶瓷防砂筛管进行了测试。筛管制造厂家根据ISO标准规范加工了一套堵塞工具,能够承受1500psi的鼓胀压力以及超过7500psi的压差作用,达到了测试设备的极限条件,如图5所示。测试结果表明陶瓷筛管完全满足高温高压井的所有已知条件要求。

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图5.a:压溃和鼓胀堵塞工具测试结果;b:陶瓷筛管压溃测试果

屈曲

通过屈曲试验对陶瓷环的完整性和金属部件的变形特性进行了检测。图6显示的是测试设备安装过程。屈曲测试的目标是测试撤销屈曲压力之后筛管在松弛过程中平均筛缝宽度的变化情况(一般小于2标准尺寸,50μm)。

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图6.测试松弛阶段峰宽变化情况的屈曲试验

测试程序/结果

项目组建立了一整套被作业者和筛管制造厂家共同认可的高温高压评价和验证标准之后,按照以下程序进行了测试检验。

1.将测试筛管和测量系统安装在测试设备上;
2.测量测试设备内支架之间的距离;
3.调节位移传感器并与数据记录系统进行连接;
4.利用液压千斤顶对筛管进行加压直到陶瓷环弯曲程度达到预定的狗腿度;
5.测量加压前后筛管峰宽的尺寸。

采用4-1/2in基管陶瓷筛管总成的测试结果如下所示:

1.屈曲试验中,筛管弯曲狗腿度为12.7°/100 ft时,筛缝宽度最大变化值为10μm;
2.筛管弯曲狗腿度为25.2°/100 ft时,筛缝宽度最大变化值为23μm;
3.卸载阶段,筛缝宽度无变化,与设计规格参数一致;
4.针对相同尺寸筛管开展的有限元理论分析得到了与试验相似的结论。

案例分析

某作业者需要控制上游工程投资,另外,由于目标井产能较高(25~35 MMscfgd),因此需要在高流速生产条件下保障井下空间(筛管与套管环空以及地层裂缝内部)充填足够的支撑剂。其中,两口井采用了陶瓷防砂筛管,筛管悬挂于封隔器下部,采用电缆下入,封隔器在射孔段上部坐封。两口井于2014年底投产,一直生产至今,地面未发现出砂或者支撑剂返排问题。今后该项目的井都将采用相同的完井方法。

总结

高温高压井防砂筛管设计评价方法取得了成功应用,每个阶段定义的测试条件都会出现变动,并确保与常见高温高压环境条件保持一致。

由于具备了进行携砂射流冲击测试的能力,并充分理解和遵守了ISO对与陶瓷筛管的规范要求,3M制定出了相关测试条款,能够确保对高温高压防砂筛管进行正确的评价检测。得到的设计规格参数能够满足200℃作业温度和20,000 psi井下静态压力下的筛管应用要求。

该项新技术的取得,得益于整体项目管理以及与市场伙伴的密切协作,研究成果将有助于推动高温高压防砂技术的革新。

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二丫
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(北京),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系二丫(QQ295900524;微信13132550596)

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