劉新鋒，王新根，王忠祿，劉金鑫，劉正偉

(中海油田服務股份有限公司，天津 300459)

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新型熱采篩管在海上稠油油田的應用

劉新鋒，王新根，王忠祿，劉金鑫，劉正偉*

(中海油田服務股份有限公司，天津 300459)

海上熱采井井底溫度達300 ℃，高溫熱應力加劇了出砂風險，篩管作為最后一道屏障，決定著熱采防砂的成敗。篩管在高溫、腐蝕和強注強采的惡劣環(huán)境下易發(fā)生損壞，導致油井出砂停產。針對海上熱采井生產特點，研發(fā)了新型熱采篩管。該篩管材質選用熱穩(wěn)定性強、耐腐蝕和強度高的P110H-3Cr鋼材；結構優(yōu)化為7層，內外2層擋砂網精度外大內小，逐層過濾；特殊結構的導流外護套，減少高速流體沖蝕影響。新型熱采篩管不僅具備較好的熱穩(wěn)定性能，而且提高了抗腐蝕能力。截至2015年12月，新型熱采篩管已成功應用15井次，作業(yè)成功率為100%，單井產能提高2～3倍，未發(fā)生出砂及篩管損壞情況。該技術滿足了海上油田熱采防砂要求，為提高熱采效果奠定了基礎。

篩管；出砂；防砂；熱應力；熱采；稠油；海上油田

0 引 言

海上油田利用熱采技術開采稠油油藏，井底溫度為300 ℃，注熱周期為30 d，并且注入量大(周期注水量為4 000 m3，周期注氣量為14×104m3)，單井產能達到200 m3/d。海上熱采井強注強采措施導致井底流速高，形成沖蝕現(xiàn)象。同時，為保證井底溫度，利用環(huán)空注N2隔熱措施，減少井筒沿程熱損失，注N2過程中不可避免含有O2，若油藏含有CO2氣體，兩者共同構成腐蝕環(huán)境[1-5]。熱采篩管在高溫、腐蝕和沖蝕聯(lián)合作用下，易發(fā)生損壞，導致熱采井出砂停產。為了預防海上熱采井防砂篩管損壞，研制了新型熱采篩管，主要在結構設計、耐溫材質和耐腐蝕性等方面進行改進和優(yōu)化，以適應海上熱采井防砂技術要求，延長生產期。

1 熱采篩管設計

1.1 結構設計

目前，國內稠油熱采井超過80%采用機械防砂技術，篩管以割縫篩管、繞絲篩管和金屬棉篩管為主，根據巖石粒徑分布和生產特點，每種篩管均有較好的適應性。但是，海上稠油油田受平臺空間、舉升和地面砂處理等限制，含砂量要求低于0.3‰，因此，針對海上油田熱采井油層和生產特點，需研制適合海上熱采的新型篩管。

新型熱采篩管結構從內向外依次為基管、繞絲管篩套、內支撐網、內過濾網、中間支撐網、外過濾網、外保護套(圖1)。各層具有不同結構和特點：①新型熱采篩管最外層為外保護套，采用槽型導流結構，改變流體流向，減小流體沖蝕影響；②過濾網為4層，外層過濾網根據地層砂粒度分布，設計精度為150 μm，進行初次擋砂；中間支撐網主要起到分流和減小流體沖蝕作用；內過濾網提供第2次擋砂，阻擋生產過程中通過外過濾網的小粒徑砂粒，設計精度為120 μm；內支撐網具有較大的過流面積，同樣起分流和減小沖蝕作用。4層過濾網均采用斜紋密紋編制結構，不受扭矩影響，網孔不變形；③繞絲管篩套設計縫寬為300 μm，其作用主要是提高篩管整體強度，并在過濾網損壞的情況下可避免大砂粒進入篩管，提供最后一道防砂屏障；④最內層為基管，根據熱采后產量，基管上打不同尺寸螺旋分布孔眼，提供流體通道，并對外部各層結構提供支撐作用。

圖1 新型熱采篩管結構示意圖

1.2 材質優(yōu)選

1.2.1 基管材質優(yōu)選

在海上油田熱采過程中，熱采井經歷注熱、燜井和生產3個階段，井底最高溫度達300 ℃，放噴生產后，井底溫度緩慢降低，直至恢復為原始井底溫度。因此，篩管處于高溫熱應力及交變熱應力聯(lián)合作用下，屈服損壞風險增大。根據熱應力模型計算出篩管受到的高溫熱應力約為225 kN，相當于703 MPa軸向應力。

因此，新型熱采篩管在滿足高溫強度要求的同時，還需較強的熱穩(wěn)定性，避免熱應力的較大變化，導致篩管損壞。對J55、N80、P105和P110等4種鋼材強度受高溫影響程度進行分析[1]，根據各材質在300 ℃下的強度值并結合篩管所受的熱應力，新型熱采篩管材質優(yōu)選用P110H鋼材。在300 ℃高溫下，P110H鋼材最小屈服強度達740.98 MPa，遠高于熱采期間產生的熱應力值，可以滿足高溫下的強度要求，降低篩管屈服損壞風險。

在滿足熱穩(wěn)定性和高溫強度下要求的同時，隨著鋼材中微量元素Cr含量的提高，基管的耐腐蝕性逐漸增強，P110H-3Cr鋼材比P110H鋼材耐腐蝕性可提高5倍以上[6]。因此，基管材質最終優(yōu)選P110H-3Cr鋼材。

1.2.2 過濾網材質優(yōu)選

為了進一步研究O2與CO2氣體對過濾材質的腐蝕機理，在室內利用高溫高壓反應釜模擬熱采生產過程，對篩管在沖蝕、腐蝕和二者迭加情況下的耐蝕性能進行室內評價，評價了316L、434鋼材的耐蝕性能[7]，根據實驗研究成果，優(yōu)選316L不銹鋼為過濾網材質。

1.3 耐沖蝕設計

篩管在熱采中除受腐蝕影響外，長時間強注強采使含砂流體不斷沖蝕篩管，腐蝕和沖蝕兩者相互促進，加速了篩管損壞，導致出砂停產。

為了降低熱采中沖蝕和腐蝕對篩管的影響，進行了篩管室內沖蝕評價實驗，研究了流體流速、含砂濃度、沖蝕角度和粒徑對篩管沖蝕的影響[8-11]。根據實驗研究成果，對新型熱采篩管外保護套進行優(yōu)化設計(圖2)：①外保護套采用沖壓拉伸、螺旋分布的直角側向導流槽，根據儲層巖心粒徑分布和熱采井產能(200 m3/d)，設計導流槽槽縫為0.40 mm，開孔率比普通開孔率提高25%，提高了含砂流體的流通能力；②在熱采生產中，含砂流體流動到篩管，外護套直角側向導流槽改變含砂流體流動方向，由徑向直接沖擊流動改變?yōu)檠刂Y管周向流動，含砂流體平行于過濾網進入篩管，有效避免其對篩管過濾層的直接沖蝕，延長篩管使用壽命；③海上熱采井采用裸眼水平井完井，在篩管入井過程中，外保護套可很好地保護過濾層，避免過濾層被刺破或刮壞而導致防砂施工失效。

圖2 新型熱采篩管外護罩導流原理

綜上所述，新型熱采篩管在結構和材質上進行了改進和優(yōu)化，滿足了高溫要求，降低了沖蝕損壞風險，延長了防砂有效期，表1為新型熱采篩管與其他篩管性能對比。

表1 新型篩管與常規(guī)篩管性能對比

由表1可知：新型熱采篩管采用多層過濾防砂設計，可以有效防止60 μm以上砂粒，提高了防砂精度；P110H-3Cr鋼材具有熱穩(wěn)定性強、強度高、耐高溫和防腐蝕的特點，耐溫300 ℃，抗內壓強度為8.3 MPa，抗外擠強度為27.5 MPa；獨特的導流槽外護套可以有效降低流體沖蝕性；篩管外徑為162.0 mm，通徑為124.3 mm，整體過流面積達20.0%～40.0%，遠高于常規(guī)篩管。

2 現(xiàn)場應用

新型熱采篩管已在海上油田成功應用15井次，其中13口井第1周期熱采生產已結束，單井產能提高2～3倍，平均有效生產時間超過1 000 d，未發(fā)生出砂或含砂量控制在0.3‰以內，達到了海上熱采井防砂要求，提高了熱采增產效果。

A1井為一口熱采裸眼水平井，井深為1 578.0 m，水平段長度為186.0 m，完井采用新型熱采篩管+礫石充填防砂方式。根據該井地層砂粒度分布，內外過濾網過濾精度分別為120、150 μm，繞絲網縫隙寬度為300 μm，充填礫石粒徑為16～30目，充填效率為180%。冷采平均日產油為34 m3/d，自噴生產平均日產油為63 m3/d，電泵生產平均日產油為43 m3/d，截至2015年12月，穩(wěn)定生產超過1 400 d，累計產油超過45 000 m3，含砂量低于0.3‰，目前已進入第2周期熱采生產，沒有發(fā)生篩管損壞現(xiàn)象。

3 結 論

(1) 新型熱采篩管采用多層過濾防砂設計，提高了防砂精度；優(yōu)選基管和過濾網材質，提高了熱穩(wěn)定性、強度和防腐性能；采用獨特的導流槽外護套，有效降低了流體沖蝕，增大了過流面積，在性能上遠高于其他篩管。

(2) 實際應用證明新型熱采篩管能夠滿足海上油田熱采井高溫防砂要求。

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編輯 孟凡勤

20151010；改回日期：20160318

中海油田服務股份有限公司科技項目“海上熱采篩管腐蝕與沖蝕作用機理及預防措施研究”(YSB11YF003)

劉新鋒(1981-)，男，工程師，2004年畢業(yè)于長江大學石油工程專業(yè)，2007年畢業(yè)于該校巖石力學與石油工程專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)從事完井防砂技術研究與應用工作

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.036

TE358

A

1006-6535(2016)03-0148-03

* 參加該項研究的還有李良慶。