创新酸性气井完井改进操作技术

时间:2016-12-12 14:43 来源:《石油与装备》 作者:编译 / 张瑜
技 术进步必须与温和酸 性环境钻探活动、深 层井及钻探设备设计 发展保持一致。 当前油气行业面临的挑战是提 高套管和油管的屈服强度,而不是 提高其硬度,降低材料的抗 H 2 S 性 能。 瓦 卢 雷 克 公 司(Vallourec) 解决这个问题是在热处理钢材迅速 冷却过程通过淬火工艺,提高屈服 强度无需增加硬度。 根 据 美 国 腐 蚀 工 程 师 协 会 (NACE International) 数据显示, 每年石油天然气行业的腐蚀成本估 计达 13.2 亿美元。
 
尽管油气行业正在尽一切可能 削减腐蚀成本,其关键是在酸性油 气田完井过程中实施最小化或消除 潜在的腐蚀的解决方案。与几家服 务商和设备供应商交谈发现,他们 关注的重点是为油管及套管与处理 系统提供优化的酸性介质材料,在 不破坏这些材料的情况下,使得油 管、套管及处理系统不受到腐蚀的 影响。
 
酸性介质材料
 
“今天,油井的挑战是套管和 油管制造商提高材料的屈服强度不 影响抗 H 2 S 性能。”瓦卢雷克公司 (Vallourec) 技术销售经理希瑟·拜 尔斯说:“H 2 S 与低强度等级材料 反应不严重,因此屈服强度越低, 通常抗 H 2 S 性能越好。钻孔机进入 深层,面临的压力、温度不同,且 井段较长,这就需要尽可能地提高 它们的强度。” 当材料屈服强度增加时,材料 往往会变得更硬,越具脆性,才能 使 H 2 S 分子易于穿过钢材。瓦卢雷 克公司(Vallourec)提高油管和 套管的屈服强度无需增加硬度,通 过专有的化学过程和专用淬火工艺, 钢材经过热处理后可以迅速冷却。“ 该 公 司 的 VM110 SS 是 一 种 高 耐 H 2 S 腐 蚀 合 金 钢, 屈 服 强 度 为 110kpsi, 用 于 墨 西 哥 湾 深 水 中 高 压、 严 重 酸 性 环 境。” 希 瑟· 拜 尔 斯 说。
 
VM125 HCSS 酸 性介质合金钢具有更高的屈服强 度,达到 125kpsi,高抗挤毁性能 满足 API 要求。当预计储层压力较 高时,高抗挤毁套管通常被使用。 “这是一种较高强度的产品,”希 瑟·拜尔斯说:“通常我们不会见 到 125kpsi 屈 服 强 度 且 具 有 酸 性 介质能力的产品,因为这些产品的 强度更高,通常易于受到 H2S 的 影 响。”“ 这 两 种 产 品 满 足 所 有 NACE 资格和标准。” 在温和的酸性环境中,比如鹰 福特(Eagle Ford)地区,通常不 需要高品质的稳健性产品。“2013 年和 2014 年出现时,人们在陆上试 图钻探这些温和的酸性环境。”希 瑟·拜尔斯说:“我们发现现在需 要一种具有成本效益的解决方案, 因为陆上钻井活动的边际收益有所 减少,但运营商仍然需要温和的耐 H 2 S 性能。”
 
 该公司表示, P110MS 产品的 需求将不断增长, 2006 年首次开发, 就具有 110ksi 屈服强度和温和酸性 介质的性能。其他产品在严重的酸 环境中不能操作,经试验,它们不 能满足严格的 NACE 要求。NACE 系列测试仍在 90% 的实际屈服强度 下。 然而, 测试解决方案的浓度较低, 已被调整为模拟温和的酸性环境, 像标准 NACE 测试一样,这个调整 后的测试操作 720 小时NACE 将酸性介质分为三个区 域,其中区域 1 酸性最低,区域 3 酸性最高。区域取决于给定区的 pH 值和 H 2 S 分压。对于区域 3 内的油 井来说,NACE 建议采用一种高酸 性介质级材料, 如API 级T95。 然而, 特定条件下的测试可能表明,操作 员可以使用稳健性低的产品。
 
正确操作装置
 
 一旦运营商为套管和油管选择 适合的材料,如果处理不当,这些 材料仍然会受到腐蚀。“必须确保 损害最小, 或者最好不要损坏管材, 因为它们很容易受到腐蚀性环境的 影响。在处理过程中损害可以加速 管材的断裂。”弗兰克国际公司的 技术工程高级副总裁杰里米·安吉 拉说。
 
“当操作装置控制油管, 提升、 支持或连接它们,控制插件通常在 管材中经常留下咬痕。在无腐蚀性 的环境中,这通常不是一个问题,” 杰里米·安吉拉说:“然而,在酸 性油气井中,这些咬痕可以受到应 力腐蚀裂痕或硫化物应力腐蚀裂痕 的影响。产生的裂纹可以通过管材 迅速扩展,进而造成它断裂,为井 的完整性带来灾难性的损失。”
 
管材断裂并不是全球石油天然 气行业的新问题。油气行业已加深 了对应力腐蚀裂痕和硫化物应力腐 蚀裂痕以及酸性气井气环境中出现 断裂的原因的了解。弗兰克国际公 司关注的重点是了解形成裂痕的处 理技术。 “我们弗兰克有一个冶金实验 室,能够模拟晚期的腐蚀破裂,所 以我们可以看不同装置的设计,” 杰里米·安吉拉说:“我们知道, 腐蚀破坏的风险对油井完整性是一 个严重的威胁。虽然这些类腐蚀破 坏相当复杂,降低破坏风险甚至消 除破坏风险,是正确处理的关键。 这包括使用真正的无痕技术,来消 除咬痕和消除管材腐蚀产生的污 染。”
 
通 过 研 究, 弗 兰 克 国 际 公 司 为耐腐蚀材料研制了获得专利的完 全 无 痕 处 理 系 统。 这 种 系 统 包 括 Collar 承载支持(CLS)系统和流 体控制处理技术。CLS 系统升起一 个接头,将其放入井架中,而流体 控制技术使用氨酯密封气囊形成通 过的摩擦。一旦连接形成,CLS 系 统会降低进入井的管柱。 调 整 CLS 系 统 和 流 体 控 制 技 术,必须了解行业最新趋势,特别 是越来越深的井。“由于深层井, 我们必须不断改进,以适应直径较 大、 较重的管柱。 ” 杰里米·安吉拉说。 CLS 系统的发展还是由钻探设 备的进展所驱动。
 
最新的 CLS 系 统在 2015 年晚期推出,为世界上 不同地区的酸性气井的陆上钻探设 备而设计,易于安装。未来研发的 新一代操作装置将专注于使其适应 未来的钻探设备。“我们发现自动 化作为提高效率的手段,并且我们 重视自动化来提高钻井平台的安全 性,”杰里米·安吉拉说:“我们 的操作装置符合未来的战略发展。” 该公司相信最为重要的是要跟 上钻探设备的创新步伐,因为随着 处理的酸性气井增多,我们需要增 加无痕装置。“我们已施工简单的 井,并且我们专注于更复杂的井。 酸性井变得越来越普遍,而且这些 井的浓度、温度、压力及井结构会 变得越来越复杂。”杰里米·安吉 拉说。
 
使旧产品适应新需求
 
对于服务公司来说,仍需挑战 的是了解运营商需要什么样的井数 据,目的是为酸性介质设备设计提 出建议。“我们必须确保我们从客 户及期望的井状况获得正确数据, 并显示有关 H 2 S 水平。”威德福公 司毛细管系统全球业务部经理詹姆 斯·布莱肯说。
 
当运营商不能提供这些信息时, 这可能是因为他们第一次进入此领 域,没有大量的数据。也可能是他 们不清楚需要为服务提供商提供哪 些数据。“这是服务公司和运营商 之间的业务合作,如果我们作为业 务合作伙伴,则可以设计和实现最 好的装置。” 詹姆斯·布莱肯说。 2014 年,这种设计能使威德福 公司的 Renaissance WCS 系统适 用于酸性气井。该系统最初的设计 目的是取代近海油井井下安全阀。
 
“这个系统允许威德福公司将插件 放入水下安全阀,基本上可以取代 利用操作阀的阀门。”詹姆斯·布 莱 肯 说,“ 将 一 个 插 入 阀 的 井 下 安全阀和基本上取代操作阀门。” 水下安全阀可以磨损,作为工具, 下入井孔,通过阀门。阀的磨损或 损坏可以防止阀正当关闭,并提供 100% 的密封。 Renaissance WCS 系 统 可 以 下入井阀。该阀门的挡板锁打开, 且包含更换挡板锁的插件被锁定在 阀门上。“这给操作员停转插件并 将其锁入剖面提供了选择。现在它 们有操作安全阀,没有额外的维修 费。”詹姆斯·布莱肯说。 油气行业一直在努力攻克酸性 气井难题。然而,技术改进和经验 的丰富,提高了这些井的作业的可 靠性及效率。
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