李艳飞 ,刘春苗 ,葛俊瑞 ,和鹏飞 ,袁则名
(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海 200335;2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 300452)
东海X气田天然气中含有较高的CO2组分,气井产水且井下处于高温高压(150℃,50 MPa)状态。在此腐蚀环境下,生产管柱需选择较高的防腐材质。在实际生产过程中,井筒内温度和压力自下而上逐渐降低,为降低开发成本,上部油管可选择较低防腐级别的油管;下部油管由于受力相对较小,可以选择较低钢级的油管。由于不同防腐材质、不同钢级油管螺纹温度膨胀系数不同,电位也不同,可能会产生螺纹连接缝隙变化或腐蚀,进而降低油管螺纹连接处的气密性[1-3]。而高温高压气井对生产管柱的气密性要求比常规井更高,因此有必要针对不同防腐材质、不同钢级复配的油管螺纹连接进行气密性检测试验,以验证复配油管螺纹连接的气密性[4,5]。
试验目的:测试不同防腐材质、不同钢级复配油管在常温、高温两种环境下螺纹连接的气密性能。
试验方法:特别制作一个公扣丝堵和母扣丝堵,与两个不同钢级的油管短节连接成为试验管串,实现不同防腐材质、不同钢级的3组复配油管气密螺纹相互连接,采用高压气泵作为气源和压力源,采用止压阀控制和截断压力传递,采用压力计进行评估,每次试验均可实现对3组螺纹连接的气密性检测,简单高效。为更好对比不同条件下油管气密性,本次试验分5阶段进行,即:无腐蚀环境油管常温气密性试验、无腐蚀环境的高温气密性试验、腐蚀环境下液体密封试验以及腐蚀后的常温、高温气密性试验,试验流程(见图1)。
本次气密性检测试验样品包括油管短节两个、油管堵头两个(公扣丝堵和母扣丝堵各一个),用到模拟地层水、高压气泵、压力表、恒温水槽、恒温烤箱以及高温试验井筒。油管短节和油管堵头参数(见表1)。
复配油管常温气密性检测试验管串连接图(见图2)。
试验管串在恒温水箱试验图(见图3),最高试验温度为100℃。高温试验井筒(见图4),其深度为4.5 m,最高试验温度为250℃。
图1 复配油管连接气密性检测试验示意图
表1 试验样品参数表
图2 复配油管常温气密性检测试验管串连接图
图3 恒温水箱连接图
图4 高温试验井筒(250℃,4.5 m)
在常温环境下进行气密封试验,试验压力升高至20 MPa时,水槽中试验样品无气泡冒出,保压初期很短时间压力下降较快,随后压力缓慢下降。
试验压力继续升高至35 MPa,保压曲线与20 MPa时的保压曲线趋势相同,在保压初期很短的时间内压力下降较快随后压力缓慢下降,分析此现象与压力系统有关;在整个试验过程中试验样品位于水槽中,无气泡冒出,判断试验样品无气体泄漏。综合分析,试验管串在常温高压下气密封性能良好。
将试验管串放置于高温试验井筒内,加温至150℃进行气密封试验,试验压力升高至20 MPa时,试验井中试验样品无气泡冒出,保压初期很短时间压力下降较快,随后压力缓慢下降。
试验压力继续升高至35 MPa,在保压初期很短的时间内压力下降较快随后压力缓慢下降,整个试验过程中无气泡冒出,判断试验样品无气体泄漏。综合分析,试验管串在高温高压下气密封性能良好。
将试验管串放置于烤箱内,加热升温至150℃进行液体密封试验,试验液体为溶解有CO2的模拟地层水,由于油管内液体受热膨胀,以及液体中溶解气的析出,导致压力升高,打开手动泄压阀排出膨胀液体,油管压力下降,之后将油管内析出气体排空,关闭手动泄压阀,油管内压力稳定在38 MPa,并保持5 d不变,说明该油管在150℃、38 MPa的腐蚀环境下,液体密封良好。
将试验管串放置于恒温水槽内,恒温水浴加热至99℃进行液体密封试验,油管内压力稳定在39 MPa,并保持25 d不变。说明该油管在99℃、39 MPa的腐蚀环境下,液体密封良好。
经过30 d左右的液体腐蚀试验后,将试验管柱放置于常温环境下再次进行气密封试验,试验压力升高至35 MPa,压力曲线有缓慢下降趋势,水槽中试验样品无气泡冒出,判断此时试验管串无气体泄漏,说明经过腐蚀试验后的试验管串在常温高压下气密封性能保持良好。
将试验管柱放置于高温试验井筒内再次进行气密封试验,试验温度升高至156℃,试验压力升高至35 MPa,压力曲线呈现缓慢下降趋势,无气泡冒出,说明经过腐蚀试验后的试验管串在高温高压下气密封性能保持良好。
气密封检测试验结果对比(见表2)。从常温高压和高温高压气密试验结果来看,在20 MPa压力下整体压降较小,随时间推移呈现逐渐平稳的趋势;在35 MPa压力下整体压降相对较大,这与气泵压力的稳定性有关,高温下整体压降相对较小。
从腐蚀环境下高温高压液体密封试验结果可以看出,压力系统可保持长时间的压力稳定,液体密封性良好。从腐蚀后常温高压和高温高压气密试验结果来看,常温下整体压降明显较大,高温下整体压降明显较小,而试验过程均无气体泄漏,可以看出高温下气密性能更为良好。
表2 气密封试验结果对比
将 13Cr-L80、13Cr-P110、13Cr-L80、超级 13Cr-P110的气密封螺纹依次连接,进行常温高压、高温高压、腐蚀后常温高压、腐蚀后高温高压等多组气密性检测试验,得出结论如下:
(1)相同材质(13Cr)、不同钢级(P110与 L80)的气密螺纹油管在X气田的地层水环境及高温高压(温度150℃,压力35 MPa)条件下复配使用时,其气密性保持良好。
(2)不同材质、不同钢级(超级13Cr-P110和13Cr-L80)的气密螺纹油管在X气田的地层水环境及高温高压(温度150℃,压力35 MPa)条件下复配使用时,其气密性保持良好。
(3)常温试验的整体压降明显大于高温试验的整体压降,而试验过程均无气体泄漏,由此可以得出,气密螺纹扣油管气密性能在高温状态下更为良好。