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【本周专题:完井】形状记忆聚合物,裸眼井控砂技术升级

【本周专题:完井】形状记忆聚合物,裸眼井控砂技术升级

出砂会对井筒生产造成巨大伤害,常规的防砂技术都存在着各种缺点。新技术采用形状记忆聚合物,防砂效率更高,导流能力更强,在各种油藏中都可应用。

来自 | JPT
编译 | 张德凯

裸眼井常规防砂技术包括独立筛管、膨胀筛管和砾石充填(OHPG),在某些情况下,为了满足地层压力强度及砂砾均匀性、大小等要求,必须要使用OHPG。然而,OHPG在一些油藏和特殊地质情况的井中并不适用,形状记忆聚合物技术(SMP)能够弥补这一技术空白。本文对SMP技术在裸眼井地层防砂中的应用进行了总结。

技术简介

SMP是一种复合防砂系统,由特殊设计的聚合物材料组成,聚合物一般依附于储存罐内。在射孔作业时,将聚合物储存器以机械的方式安装在射孔中心管上,即建立了可用于裸眼井防砂的简单模块系统。

SMP设计原则与工程性能

SMP有两种工作状态:低温时保持玻璃态,高温时为橡胶状,两种状态的转变温度定义为玻璃化温度(Tg)。

特殊设计的SMP为Tg进行了全新定义,该温度标志着记忆聚合物形状转变的开始。首先,将SMP加热至Tg,随后对其施加压力将其压实,缩小其直径,并将其依附于储存器的表面。随后对压缩态的SMP降温,撤去施加压力。在应用中,当SMP外围温度升高至Tg,则压缩状态的SMP将恢复至压缩之前的状态。

为了确保SMP在井筒的生产阶段保持压缩状态,预定作业油藏的井底温度(BHT)必须要低于Tg。在SMP防砂系统成功安装后,如果BHT低于Tg,则SMP无法被活化,需要注入一些活化液体。注入的液体会起到类似于催化剂的作用,降低SMP的Tg至BHT以下,达到激发SMP恢复为原始形状的目的。在SMP活化后,活化液体即被排除井筒。当SMP被活化后,将依附于井筒,起到防砂作用,井筒可投入生产。

SMP的防砂和过滤能力

为了评价SMP的防砂和过滤性能,除了进行常规的测试外(泥浆测试等),研发人员还模拟了一系列油藏压力状况对SMP进行抗压测试。测试中,研发人员通过模拟地层砂粒状态和控砂介质对SMP施加了不同的动态载荷。

动态过滤测试和结果

对多种出砂粒径分布不同(PSDs)的地层情况进行了模拟,测量了砂层、SMP层的压降以及通过测试介质的井液流出量。结果显示,相对于未过滤前的状态,通过防砂层液体的含砂量低于10%。如果不考虑砂粒的形状均一性、筛分系数和磨损比例,被过滤掉的出砂中90%粒径都小于44μm。

如果从粒径、筛选、均一性和磨损程度来说,测试用的砂子与地层出砂差别很大。然而,测试用的SMP类型与实际防砂所用相同,该测试的过滤性能还是令人满意的,而且测试中并没有出现堵塞或意外出砂等问题。

SMP与OHPG性能对比

SMP是由不规则形状的气泡组成的,本身具有多个开口(缝隙),用于相互连接和流动路径(图1)。SMP的独特结构允许粒径小于44μm的颗粒通过,忽略了颗粒PSD的影响,从而达到控砂的目的,这种气泡结构是一种通用的防砂介质,在多种井况中都可使用。为了对比SMP和OHPG的控砂能力,分别以粒径不均匀度低、中、高的三种砂粒进行了测试。结果显示,当地层出砂情况确定后,根据PSD设计的OHPG才能达到防砂的目的,而SMP通用性更强。

【本周专题:完井】形状记忆聚合物,裸眼井控砂技术升级

图1.SMP样品截面,显示气泡及相互连接的结构

测试结果显示,孔径越小(40/60目)的砾石充填系统出砂量越少,但是压降也越高;相反,孔径大(12/20目)的砾石充填防砂体系出砂量多,但压降小。

与之相比,SMP的压降与20/40目的砾石充填防砂体系类似,但是其出砂量更低,防砂效率更高,这与其只允许粒径低于44 μm颗粒通过有关。

SMP应用BHT范围及活化液体设计

由于Tg是SMP本身具有的特性,所以SMP的部署主要取决于周围温度的变化。只有当SMP周围温度高于Tg时,SMP才会被活化、膨胀,发挥作用,否则就不能活化SMP。而SMP的状态转变取决于周围流体的温度。在干燥环境中(如空气中),SMP的活化温度要更高,在潮湿环境中(在某种液体中)则要低一些。

在将SMP下入井筒之前,应首先确定备选井的BHT低于Tg,这样才能在活化前将SMP保持刚性,不改变其状态和形状。因此,要在井底条件下活化SMP,其周围也必须是活化流体,活化流体主要由完井液组成,外加少量的活化剂,本文将之称为活化剂。活化流体在井下发挥类似于催化剂的作用,将SMP的活化温度暂时降低至Tg以下,使SMP在井下环境中活化变形。总之,采用SMP作为防砂工具的井筒完井方案实施前必须要检测油藏BHT,此外,在SMP下入井底后,还需注入活化液体。

一般来讲,使用SMP防砂系统最适宜的BHT范围是100~200°F,而最近的研究也表明,SMP在油藏温度低至40°F时也可用,但是在如此低的温度下使用SMP则需要使用特殊配置的活化液体。

活化液体设计

当油藏BHT较高时,只需使用低浓度的活化液体即可实现SMP活化,使其膨胀至井筒尺寸,发挥作用。然而,在BHT较低的油藏中,SMP活化需要的活化剂浓度更高。

活化液体一般由完井液(基液)和SMP活化剂组成,实际应用中,活化剂浓度取决于油藏BHT和完井液类型(如盐类完井液、泥浆等)。

通常,为了使活化液体具有较低的闪点,保证现场作业的安全性,活化剂的体积浓度低于9%。作业人员研究了SMP膨胀速率与水基泥浆/KCl溶液中活化剂浓度的关系,为了保证结果准确性,测试均在195°F下进行。结果显示,SMP的膨胀时间只与液体环境有关。

上述研究证明,SMP的膨胀速率不仅与温度有关,还受到液体类型的影响。

钻井液滤饼清除剂基活化液体的设计

清除剂一般用于裸眼段的钻井液滤饼粉碎、清洗,这种液体由表面活性剂和其他分散剂组成,能够分解滤饼,并除去沥青等会降低效渗透率的其他有机沉积物。简而言之,滤饼/泥饼清除剂主要用于提高产率。为了节约作业时间、减少下钻次数,将清除剂与SMP活化剂结合使用具有非常大的应用潜力。实际上,有研究表明,清除剂主要由有机物组成,与SMP活化剂类似,其本身就能起到SMP活化的作用。

裸眼井作业准备和操作流程

与常规筛管防砂完井类似,SMP使用之前也要进行彻底的井筒清洗。为了保证作业顺利进行,有必要在裸眼井完井的准备阶段进行一次行业最顶级的井筒清洗作业。

操作流程

SMP防砂系统安装除了遵循常规防砂筛管作业流程外,还需符合以下标准:

1.井下工具组合(BHA)必须保证在作业时井筒液体流动畅通,直至井底。这点非常重要,直接影响活化液体以何种方式注入井筒以及是否能到达井底,从而决定SMP是否从井底开始发生膨胀。

2.完井BHA还必须具有防止滤饼/泥饼脱落功能,当管串在封隔器密封的井筒中移动时,该系统必须时刻保持均匀的流体静力通信。这一点也非常重要,因为泥饼的突然脱落会造成活化液体的漏失。SMP的安装可以由尾管挂或是常规筛管安装工具完成。

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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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