深水完井液關(guān)鍵外加劑優(yōu)選評(píng)價(jià)方法

唐海雄 （中海石油 （中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

劉衛(wèi)紅 （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

羅俊豐 （中海石油 （中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

田 波 （中海油研究總院，北京100027）

許明標(biāo) （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

陳 彬 （中海石油 （中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

深水完井液關(guān)鍵外加劑優(yōu)選評(píng)價(jià)方法

唐海雄 （中海石油 （中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

劉衛(wèi)紅 （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

羅俊豐 （中海石油 （中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

田 波 （中海油研究總院，北京100027）

許明標(biāo) （長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

陳 彬 （中海石油 （中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳518067）

在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的研究實(shí)踐，提出了深水完井液關(guān)鍵外加劑優(yōu)選的評(píng)價(jià)方法。對(duì)深水完井液鹽類物質(zhì)的篩選除了檢測(cè)其實(shí)際結(jié)晶溫度 （TCT）外，還必須對(duì)其壓力結(jié)晶溫度（PCT）進(jìn)行檢測(cè)，PCT的測(cè)定是由專用設(shè)備通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)溫度和體積的變化來(lái)確定的；對(duì)完井液水合物抑制性能的評(píng)價(jià)方法一般采用溫度－壓力法，即通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中溫度和壓力的變化來(lái)判斷氣體水合物的生成與分解，從而判別抑制劑性能的好壞；對(duì)緩蝕劑的篩選除了采用常規(guī)的腐蝕失重法進(jìn)行評(píng)價(jià)外，還必須進(jìn)行應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

深水完井液；水合物抑制劑；緩蝕劑；壓力結(jié)晶溫度；應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

完井液是指在射孔、防砂以及各種增產(chǎn)措施中用于產(chǎn)層的工作液，目前使用最為廣泛的完井液體系主要為無(wú)固相清潔鹽水完井液體系，其中又包含無(wú)機(jī)鹽水和有機(jī)鹽水完井液體系。由于完井液直接接觸產(chǎn)層，其性能的好壞會(huì)對(duì)油氣產(chǎn)能產(chǎn)生較大的影響，因此對(duì)完井液的設(shè)計(jì)必須綜合考慮各方面的性能。對(duì)海洋深水完井液體系的設(shè)計(jì)，除了考慮常規(guī)完井液的性能如密度、結(jié)晶溫度、與地層巖石及流體的配伍性、腐蝕性、環(huán)保等常規(guī)性能外，還必須考慮深水低溫高壓環(huán)境下完井液的結(jié)晶析出、氣體水合物的形成、井下金屬材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等問(wèn)題［1～3］。賦予深水完井液這些特殊性能的外加劑如鹽類物質(zhì)及緩蝕劑等為深水完井液的關(guān)鍵外加劑，在深水完井液的設(shè)計(jì)中對(duì)這些外加劑的優(yōu)選必須充分考慮深水特殊的作業(yè)環(huán)境和對(duì)完井液性能的特殊要求，只有這樣才能減少完井作業(yè)事故的發(fā)生，提高油田開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。筆者在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的研究實(shí)踐，提出了深水完井液關(guān)鍵外加劑優(yōu)選的評(píng)價(jià)方法。

1 完井液壓力結(jié)晶溫度 （PCT）的測(cè)定

在早期深水井的開(kāi)發(fā)中，人們主要依靠完井液的實(shí)際熱力學(xué)結(jié)晶溫度 （TCT）作為完井液的技術(shù)指標(biāo)，這些井主要為礫石充填完井的套管井，其充填組件往往在長(zhǎng)度上小于120m。而在深水水平井完井中，由于其特殊的作業(yè)要求和較長(zhǎng)的完井組件，則有可能導(dǎo)致完井液的壓力結(jié)晶問(wèn)題。在平臺(tái)的儲(chǔ)液罐中測(cè)得密度為1.488g/cm3的CaCl2/CaBr2混合鹽水的TCT低于－1.1℃ （30°F）；而在壓力為20.7MPa的條件下，其壓力結(jié)晶溫度 （PCT）的測(cè)定值為3.9～7.2℃ （39～45°F）。這表明較高的壓力可導(dǎo)致鹽水的結(jié)晶溫度升高，附加的泵壓更能加重這種壓力結(jié)晶的產(chǎn)生。因此在深水完井作業(yè)中，除了要測(cè)定完井液常規(guī)的TCT外，一定要測(cè)定完井液的PCT［4］，以確保在完井過(guò)程中完井液不會(huì)結(jié)晶析出。

1.1 PCT的測(cè)試裝置及測(cè)試過(guò)程

圖1 PCT測(cè)試裝置

PCT的測(cè)試裝置見(jiàn)圖1，裝置是由測(cè)試釜、加壓注射器、動(dòng)力缸、加壓泵以及測(cè)試和控制系統(tǒng)構(gòu)成。該裝置是在較高的壓力下采取恒定壓力/質(zhì)量的過(guò)程來(lái)確定流體的結(jié)晶溫度。其結(jié)晶點(diǎn)是通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)溫度和體積的變化來(lái)確定的，整個(gè)結(jié)晶過(guò)程由計(jì)算機(jī)監(jiān)控。

測(cè)試時(shí)，整個(gè)測(cè)試單元都放置在由計(jì)算機(jī)控制的冷水浴中，通過(guò)冷水浴使溫度分布保持均一，同時(shí)控制冷卻速度。測(cè)試釜中設(shè)有磁力攪拌，通過(guò)攪拌可以使樣品的組成和溫度保持均一。在測(cè)試釜中放置有一個(gè)質(zhì)量很小的溫度傳感器，溫度傳感器的終端剛好位于攪拌棒的上方，這樣可以減少反應(yīng)釜壁的影響，以保證對(duì)流體溫度測(cè)試的準(zhǔn)確性。

隨著測(cè)試流體的收縮，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的壓力，壓力允許的變化范圍為±0.17MPa，設(shè)備可以進(jìn)行的壓力測(cè)試范圍為6.89～137.93MPa。在結(jié)晶過(guò)程中，壓力保持恒定。結(jié)晶點(diǎn)是由冷卻速率的變化來(lái)確定的，并可通過(guò)壓力注射器活塞的體積變化速率進(jìn)行驗(yàn)證。壓力注射器的體積變化是通過(guò)位移傳感器來(lái)監(jiān)控的，它體現(xiàn)了測(cè)試流體比體積的變化。體積測(cè)量的相對(duì)誤差小于5%。

1.2 PCT的測(cè)試數(shù)據(jù)分析

在PCT測(cè)試過(guò)程中，記錄溫度和注射器體積變化量隨時(shí)間的變化，并作此變化曲線，當(dāng)系統(tǒng)溫度和注射器體積變化量隨時(shí)間的變化曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)，就意味著產(chǎn)生了結(jié)晶過(guò)程。圖2為某一樣品的測(cè)試曲線，從圖2中可以看出，其結(jié)晶過(guò)程出現(xiàn)在830min，PCT溫度為－2.5℃ （27.5℉）。

圖3 68.96MPa壓力下CaCl2鹽水溶液的TCT和PCT曲線

固定壓力，改變鹽水溶液的密度，采用上述方法可以測(cè)得一系列的鹽水溶液在一定壓力下的PCT，圖3為68.96MPa下，CaCl2鹽水溶液的TCT和PCT曲線。從圖3中可以看出，在密度較低時(shí)壓力會(huì)使凝固點(diǎn)降低，而在鹽水密度較高時(shí)，壓力則會(huì)使結(jié)晶點(diǎn)升高，PCT與TCT的溫度差可達(dá)13.89℃ （25℉）。因此對(duì)深水完井液一定要測(cè)試其PCT，否則的話，就有可能出現(xiàn)鹽水結(jié)晶析出，從而導(dǎo)致各種管線的堵塞。

2 水合物抑制劑性能的評(píng)價(jià)方法

在深水完井作業(yè)中通常采用各種鹽水作為完井液，所使用的鹽分為無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)鹽。無(wú)論采用哪種鹽，它們從機(jī)理上都屬于氣體水合物的熱力學(xué)抑制劑，該類抑制劑主要通過(guò)抑制劑分子或離子與水分子之間的競(jìng)爭(zhēng)力，改變水和烴分子之間的熱力學(xué)平衡條件，避免水合物的形成，或者直接與水合物接觸，移動(dòng)相平衡曲線，使水合物不穩(wěn)定，從而使水合物分解。

雖然完井液所用的鹽類物質(zhì)為水合物抑制劑，但其抑制性能的好壞必須通過(guò)試驗(yàn)確定，國(guó)內(nèi)外用于水合物抑制劑性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法有很多種，其中最常用的方法為溫度/壓力法，即通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中溫度和壓力的變化來(lái)判斷氣體水合物的生成與分解，并通過(guò)繪制溫度/壓力曲線來(lái)測(cè)定水合物形成的相平衡點(diǎn)［5～7］。圖4為天然氣在海水中一次生成分解試驗(yàn)的PT曲線，圖中從反應(yīng)開(kāi)始一直到B點(diǎn)，這一階段為氣體溶解階段，是水合物的成核階段，拐點(diǎn)B點(diǎn)即為水合物開(kāi)始生成點(diǎn)，這一點(diǎn)上的溫度壓力曲線發(fā)生劇烈變化，壓力值隨溫度的微小變化劇烈降低。圖中C點(diǎn)開(kāi)始升溫，C點(diǎn)以后為水合物的分解階段。分解曲線與生成曲線的交點(diǎn)A點(diǎn)即是試驗(yàn)所取得的水合物相平衡點(diǎn)，該點(diǎn)表示水合物理論上在該溫度和壓力條件下處于相平衡狀態(tài)。

改變起始?jí)毫?，重?fù)上述試驗(yàn)，可以獲另一個(gè)相平衡點(diǎn)。獲得若干個(gè)相平衡點(diǎn)后，即可作出該體系的水合物相態(tài)曲線。如圖5所示。

圖4 天然氣水合物生成與分解的PT曲線

圖5 水合物的固－液平衡曲線

圖5中右邊的曲線為海水－天然氣體系的相態(tài)曲線，左邊的曲線為加有20%NaCl的海水－天然氣體系的相態(tài)曲線。圖5中左邊的曲線與右邊的曲線相比，在相同壓力下，其水合物平衡溫度要低，說(shuō)明NaCl具有一定的水合物抑制能力。同時(shí)利用該圖可以求出加入抑制劑后水合物平衡溫度相對(duì)于未加抑制劑的水合物平衡溫度的降低值，即過(guò)冷度。該值越大，表明該抑制劑的抑制能力越強(qiáng)。

3 緩蝕劑的優(yōu)選評(píng)價(jià)方法

完井液通常由各種鹽溶液構(gòu)成，有時(shí)為了疏通近井壁的油層孔道，提高油層滲透率而加入部分酸液，因此完井液具有一定的腐蝕性。為了減緩?fù)昃簩?duì)井下金屬材料的腐蝕作用，往往在完井液體系中添加緩蝕劑。一般情況下，對(duì)緩蝕劑的優(yōu)選和評(píng)價(jià)可采用腐蝕失重法，其具體的試驗(yàn)方法可根據(jù)GB10124－88《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸實(shí)驗(yàn)方法》、SY/T 5273－2000《油田采出水用緩蝕劑性能評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行評(píng)價(jià)［8，9］。

圖6 測(cè)定應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的C形環(huán)試樣

對(duì)深水完井液緩蝕劑的優(yōu)選，除了采用常規(guī)的腐蝕失重法進(jìn)行評(píng)價(jià)外，還必須考慮完井液對(duì)金屬材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 （SCC）的影響。近年來(lái)，經(jīng)常有關(guān)耐腐蝕合金鋼 （CRA）油管因應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂而損毀的報(bào)道，因此測(cè)定CRA油管（尤其是高強(qiáng)度的CRA油管）在完井液中的損傷已成為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試項(xiàng)目。測(cè)試時(shí)采用用于深水作業(yè)的油管材料。測(cè)試方法和程序按NACE標(biāo)準(zhǔn)TM0177－96進(jìn)行。具體的測(cè)試步驟如下：①給測(cè)試用的C形環(huán)施加一定的應(yīng)力，然后置于裝有測(cè)試鹽水的聚四氟乙烯杯中，將聚四氟乙烯杯放于壓力容器中。②分3次向壓力容器內(nèi)充0.69MPa的N2，以置換其中的空氣。③在21.1℃下充N2或其他測(cè)試氣體至1.38MPa，試漏后置于烘箱中，將烘箱溫度設(shè)定至測(cè)試溫度。④經(jīng)過(guò)15d或30d的測(cè)試時(shí)間后，將C形環(huán)取出，用加有緩蝕劑的HCl溶液浸泡后，依次用肥皂水、清水沖洗，干燥后在顯微鏡下檢查腐蝕應(yīng)力開(kāi)裂、點(diǎn)蝕、局部腐蝕以及全面腐蝕狀況。圖6為用于測(cè)定應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的C形環(huán)試樣。

圖7為在應(yīng)力條件下加緩蝕劑和未加緩蝕劑的腐蝕狀況。在有應(yīng)力作用的條件下，浸泡在未加緩蝕劑的鹽水中的鋼片已產(chǎn)生明顯的裂紋；在加有緩蝕劑的鹽水中浸泡的鋼片也已產(chǎn)生微小裂紋。

圖7 應(yīng)力條件下加緩蝕劑和未加緩蝕劑的試樣的腐蝕狀況

4 結(jié) 語(yǔ)

1）對(duì)深水完井液鹽類物質(zhì)的篩選除了考慮常規(guī)的實(shí)際結(jié)晶溫度 （TCT）外，還必須對(duì)其壓力結(jié)晶溫度 （PCT）進(jìn)行檢測(cè)，PCT的測(cè)定是由專用設(shè)備通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)溫度和體積的變化來(lái)確定的。

2）對(duì)完井液水合物抑制性能的優(yōu)選評(píng)價(jià)方法一般為溫度－壓力法，即通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中溫度和壓力的變化來(lái)判斷氣體水合物的生成與分解，從而判別抑制劑性能的好壞。

3）對(duì)完井液用緩蝕劑的篩選除了采用常規(guī)的腐蝕失重法進(jìn)行評(píng)價(jià)外，還必須進(jìn)行應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

［1］Javora P H，Stevens R，Devine C，et al.Deepwater completion challenges redefine best practices for completion and packer fluid selection ［J］.SPE103209，2006.

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［4］Freeman M A，Slater K S，Carminati J R，et al.High pressure crystallization of deep－water completion brines ［J］.SPE58729，2000.

［5］寧伏龍，蔣國(guó)盛，張凌，等.天然氣水合物實(shí)驗(yàn)裝置及其發(fā)展趨勢(shì) ［J］.海洋石油，2008，28（2）：68～72.

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［8］Javora P H，Ke Mingjie，Stevens R.Understanding the impact of completion brine packer fluids on cracking susceptibility of CRA materials for deepwater applications ［J］.OTC19210，2008.

［9］Richard S，Mingjie K，Paul H J，et al.Oilfield environment－induced stress corrosion cracking of CRAs in completion brines［J］.SPE90188，2004.

Optimized Evaluation Method of Key Additives for Deepwater Completion Fluids

TANG Hai－xiong，LIU Wei－h(huán)ong，LUO Jun－feng，TIAN Bo，XU Ming－biao，CHEN Bin（First Author's Address：Shenzhen Branch of CNOOC，Shenzhen518067，Guangdong，China）

In addition to considering the density，crystallization temperature，compatibilities of reservoir rock with flu－ids，corrosion and environmental protection in the design of the usual deepwater completion fluids，the brine crystallization，formation of gas hydrate and stress corrosion cracking（SCC）of downhole metal materials should be considered due to the high pressure and low temperature in deepwater environment.The additives which provided special properties for deepwater completion fluids，such as salts and corrosion inhibitors，were the key additives.Based on the predecessors'studies，this paper puts forward the method for testing the key additives and the true crystallization temperature（TCT），the pressure crystallization temperature（PCT）should be tested in the selection of salts used in deepwater completion fluids.PCT is tested by a special apparatus for determining the PCT by the changes of temperature and volume of the system.The temperature/pressure method，which judges the formation and decomposition of hydrate by the changes of temperature and pressure in experiments，is used as the method to evaluate the hydrate inhibiting performance of deepwater completion fluids.The test of SCC should be conducted for the selection of corrosion inhibitors and conducting the regular weight－loss corrosion test.

deepwater completion fluid；hydrate inhibitor；corrosion inhibitor；pressure crystallization temperature；stress corrosion cracking

TE257.6

A

1000－9752 （2012）03－0118－04

2011－10－28

國(guó)家油氣重大專項(xiàng) （2011ZX05026－001－01）。

唐海雄 （1962－），男，1983年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事海洋石油深水鉆完井技術(shù)及作業(yè)管理工作。

［編輯］ 蕭 雨