二氧化碳井喷_一个驱油过程中的新问题

二氧化碳井喷󰀁󰀁󰀁一个驱油过程中的新问题

󰀂󰀂󰀂LesSkinner翻译:徐合献󰀂徐滨南(中原油田井下特种作业处苏丹工程部)校对:马颖洁(大庆油田公司设计院)󰀂󰀂摘要󰀂注二氧化碳驱油已经应用多年。持续注入二氧化碳使很多油层压力较高,二氧化碳处于超临界状态,加上一些井身腐蚀老化,一旦压力失控,超临界二氧化碳急剧膨胀,极易发生井喷。超临界二氧化碳的特性使二氧化碳井喷呈现出独特的复杂性,在井控方面提出了一些特殊要求。本文讨论了注入工程中二氧化碳的物理和化学特性、井喷特点、特殊危害、腐蚀、防范措施和井控方法,并对近期发生的几起二氧化碳井喷事故做了具体案例分析。主题词󰀂二氧化碳󰀂超临界二氧化碳󰀂特性󰀂注入󰀂腐蚀󰀂井喷󰀂井控

󰀂󰀂最近,在注二氧化碳项目中,二氧化碳井喷事故发生率提高,需要专业井控公司的参与。近3年,某井控公司参与了五起此类井喷抢险。而在此之前的27年里,井控行业才经历过两次与注入相关的二氧化碳井喷。本文讨论了注入工程中二氧化碳的物理和化学特性、井喷特点、特殊危害、腐蚀、防范措施和井控方法,并简要分析了最近五起井喷事故中的三个案例,希望有助于控制上升的井喷势头。一、引言几年来,世界各地钻成了一些二氧化碳含量高的气井。有些井在钻井/生产过程中出现井喷,包括新墨西哥州、克罗拉多州和怀俄明州的二氧化碳气源井遇到的井控问题。即使一些中等含二氧化碳的生产井也发生过腐蚀问题。这类所谓 无硫腐蚀!在文献中已有详细记载。近来,采用二氧化碳三次采油中的井喷现象日趋严重。持续注入造成很多项目中油层压力较高,二氧化碳处于或超过其临界点。地面压力一旦失控,这种流体急剧膨胀,引发的井喷严重程度惊人。由于超临界二氧化碳的特性,二氧化碳井喷呈现出其他井喷没有的复杂性。尽管大多数井控技术仍遵循传统程序,要正确地应对这些特殊情况,控制二氧化碳井喷,人们需要在思想上有所转变。不断增多的二氧化碳井喷是否代表一种趋势尚不能确定,但近年来的经验表明,二氧化碳驱油过程中的井喷实际上正成为一个不容忽视的问题。二、二氧化碳的特性二氧化碳是碳的一种稳定氧化物,有两个氧原子,各自和一个碳原子双键连接。它溶解于多数原油,溶解后,原油膨胀,使地层原油体积略微增大,黏度降低。根据原油成分和油层压力的不同,二氧化碳可以混相或非混相地驱替原油。二氧化碳是弱双极性,极易溶于水,并与水反应生成碳酸。二氧化碳引起的腐蚀可能导致井控失控。二氧化碳不属于有毒物质,但吸入会对健康造成严重的不良影响。二氧化碳比空气重,相对密度为1󰀁55(空气相对密度为1),可以以较高浓度聚集在洼地、坑池、井口圆井等低洼区域。1,压力与物相变化最重要的问题是压力失控时超临界二氧化碳急剧膨胀。图1是二氧化碳相态图,其临界点为1󰀁071lb/in2(A)和88󰀂在该温度和压力以上,液相和气相之间无差别,即使压力下降很小,也会导致体积大幅度增加,反之亦然。大多数二氧化碳/原油系统的最低混相压力都超过临界压力,注入项目地层温度大多数超过临界温度。这样,多数已经实施几年的注入驱替中,二氧化碳都处在该临界点以上。压力失控时,同时出现两种过程。首先,二氧化碳(和部分混相物)由超临界 流体!转化成气体,急剧膨胀,气体沿井眼向上移动,继续膨胀,封闭压力下降,流动速度相应增加。井内的泥浆或其他液体被快速排出,使液柱压力变得很小,无法阻止地层液体进入,使得更多的超临界二氧化碳流入井眼,同时体积膨胀。喷出流体的摩擦力引起回压,地层压力也下降,两者逐渐建立平衡,流量最终会稳定。11󰀂󰀂徐合献:二氧化碳井喷󰀁󰀁󰀁一个驱油过程中的新问题󰀂󰀂流量通常由液流在地面穿过的孔眼来控制。通过小孔眼(套管穿孔,半封闸板周围或井口渗漏)的液流可以达到声速,限制了流量,并相应限制了二氧化碳从地层进入井眼。

图1󰀂显示CO2临界点的相态图由于这种流体特性,情况剧烈时二氧化碳几乎可以爆炸。然而,现场工作人员对此通常不了解。井眼内少量的超临界 液体!CO2就足以引发这个过程,在几秒钟内导致发生井喷,给人的反应时间极短。有些设备,特别是手动封井器和安全阀来不及安装和关闭,无法避免井液流出和压力完全失控。2,膨胀冷却的影响第二个过程是由于二氧化碳的膨胀,井眼和液流快速冷却。二氧化碳液流一旦分别降到三相点温度(-63󰀂和压力(76lb/in2)以下,就会快速形成固体干冰颗粒。这个独特的物相特性带来了几个特殊问题:∀高流量使地面修井工作复杂化,工人受到高速气流的威胁;#二氧化碳和水合物产生的液体聚集在封井器、井口和其他地面设备里;∃冷二氧化碳使大气中水分冷凝,在井口周围形成白雾,影响视线;%近井口地带排出的游离油和冷凝的混相液可能聚集在地面,造成地面火灾危险。另外,干冰经常形成豌豆或石子大小的颗粒以很高的速度喷出,足以对工人造成伤害。3,腐蚀二氧化碳对金属产生无硫腐蚀,因为二氧化碳和水反应生成了弱腐蚀性物质。无硫腐蚀尽管不如由硫化氢或强酸溶液引起的酸类腐蚀速度快,但时间长了,其危害同样严重。一些采用二氧化碳驱油的井钻成于20世纪40年代和50年代,经年累月,腐蚀问题越来越严重。二氧化碳腐蚀通常由碳酸引起。参与反应的仅仅是溶解在水中二氧化碳总量的一小部分,其余气体继续留在溶液中源源不断地提供二氧化碳气源。腐蚀是局部的,就像在某些特定点形成的一些小的原电池一样。其他类型的化学反应也能生成锈垢,可保护一个区域,而邻近处则遭受酸的侵蚀。很多注入了二氧化碳的地层也产生腐蚀性的硫化氢和高氯根水。近年来,有些井配备了改进材料的油管和封隔器,但老井很少配备防腐套管和井口部件。最近发生的两起井喷就是由于表层套管腐蚀引起的。这两起事故中,生产套管穿孔使得二氧化碳从里面腐蚀了表层套管,发生管子故障,使井失去控制。因多数井中二氧化碳分压增大,井和管材腐蚀会持续下去。除非将天然气重新回注(由于商业原因,这种情况不太可能出现),否则天然气与回收的二氧化碳之比会随时间的增加而降低。与腐蚀相关问题的发展趋势很难确定和预测。一位操作人员报告说,以前套管柱由于外部腐蚀,多数穿孔发生在井眼深处(约6000ft)。近来,在注入项目的井中产出二氧化碳引起内部腐蚀,造成套管在距离地面200~300ft处出现穿孔。过去只是偶尔需要一台作业机修补套管渗漏,而现在则一直需要两台作业机来挤水泥,这表明越来越多的腐蚀麻点正在刺穿管柱。三、井喷前的状况最近发生的五次井喷中四次发生在修井作业过程中。采用二氧化碳驱油的井一般需要修井作业,包括清砂除蜡、性能改进、增产增注、改注等,井下管柱、传感设备和生产设备也经常需要维修。压井一般采用沿油管或环空挤盐水或低密度泥浆的方法。有些井在地面泄压后,会静止一段时间。井一旦处于静止状态,就拆下井口,安装封井器。封井器组经常是额定压力为3000lb/in2,手动式半封和全封封井器。由于修井机钻台高度所限,很少安装环型封井器。经验表明,这类修井防喷设备很多已经老化,且没有正确保养。同一套闸板和安全阀经常重复使用几年都不修复。在很多情况下,安装封井器后不试压,因而无法确定闸板是否密封、能否对井实施控制。另外,二氧化碳对闸板密封件产生了哪些影响,人们掌握的资料有限(但我们已经掌握了二氧12󰀂󰀂国外油田工程第19卷第5期(2003󰀁5)󰀂󰀂化碳对O型环等其他密封元件影响的一些资料)。人们注意到,经二氧化碳渗透的合成橡胶由于快速降压而会起皮。目前有些地层则采取增压措施,如果发生二氧化碳井喷,地面关井压力将超过封井器和其他井控设备的额定压力。为适应二氧化碳注入工程需要,职工培训也需调整。有些职工从事过采油工作,但不了解超临界二氧化碳高度膨胀的特性及发现井喷后尽快关井的必要性。四、案例研究最近3年来,发生了五次需要井控专家参与的二氧化碳井喷事故,以下是其中三起案例。1,案例一该井是得克萨斯西部二氧化碳混相驱替项目的一口注入井,需要更换腐蚀的油管和封隔器。井喷发生时正在起2󰀁󰀂~2 󰀂in的缩径油管,井内还剩有几节2 󰀂in油管和封隔器。气动卡瓦用链条固定在手动双闸板封井器上面。突然发生井涌,井队人员关闭了装有2󰀁󰀂in防喷器闸板的手动封井器。当时的报告显示至少有一根油管被顶出,挂在井架上。30s内开始井喷,队员撤离。很明显气动卡瓦不知什么时候打开了,致使油管落入封井器内,油管挂在部分关闭的半封闸板上,气动卡瓦被甩到边上,致使液流向井口四周沿水平方向喷射,能见度很低。打开半封闸板,以便将油管和封隔器丢入井内,试图关闭全封闸板,发现全封在原位冻结了。由于封井器内结冰,不能确定油管是否落入井底,液体无法泵入结冻的井口。用热油清蜡车将井口和封井器解冻,泵入242bbl水。第二天早晨,再次用热油车解冻泵管线、油管头和封井器。开始用泵沿环空以0󰀁5bbl/d的排量注入水。井控专家确认油管已经落入井底,封井器组疏通了。提高泵排量以便增加井筒压力。活动全封闸板使其开关自由,然后关闭全封。井内大流量的二氧化碳明显损坏了闸板密封件,封井器严重渗漏。表明随时都可能发生故障,泵排量提高到20bbl/d,将井压住。卸下封井器,装上新的封井器组。打捞出掉下的油管和封隔器,继续施工,没有出现其他问题。2,案例二该井是活跃的二氧化碳注入井,准备改为油层压力监测井。计划在4!∀in的衬管顶部挤注水泥,下入新油管、传感器和封隔器。压井,起注入管柱和旧封隔器。用旧油管下入水泥承转器,下到6300ft时,管柱上接了一根提升油管,关闭半封,坐下卡瓦,装好插入式安全阀。全封处于打开状态。第二天早晨队员发现二氧化碳自封井器喷出。喷出的原油聚集在井场的坑洼处。由于二氧化碳浓度高,气流不可能燃烧;但地面的原油却是严重的火灾隐患,因此洒了一层泡沫。井控专家赶到现场后确认所有流体都从封井器顶部出来,可能是半封失灵了。在不影响液流的情况下,接了一条管线,从环空打入177bbl盐水。考虑到火灾危险,不能启动修井机。为提升滑车,倒进一台绞车。上提管柱,安装托架,用0󰀁5in的钻头对油管进行热分接。大约泵入300bbl盐水,排量4󰀁5bbl/min,但仍控制不住液流。关闭油管上半封,液流停止了。从环空挤入液体终于把井压住。卸下提升油管,发现油管一侧被轻微挤扁了,整根油管只有约 #in宽、!∃in深的痕迹。可能是原先上提油管时,全封没有完全开闭造成的,二氧化碳从挤扁的地方和关闭的半封闸板之间漏出。未损坏油管上的闸板开闭后,液流就停止了。3,案例三该井也是二氧化碳混相驱油的一口注入井,需要修井清除井下淤积物。压井,解封封隔器,起出注入管柱并排立在井架上。和在其他井内清砂除蜡一样,在一根油管下部接上一根用1!∀in油管做成的小直径尾管。在下尾管之前,井队没有安装环型封井器,也没有更换封井器闸板。打开全封,下入尾管,井突然开始发生涌动。关闭半封,但无法密封小直径的尾管。试图下放尾管和油管,但上喷流体使得油管无法下入。想把油管丢入井内,但尾管折弯,结果那根油管翻倒;几秒钟后,油喷到地面,队员撤离。油集在井场,沿井场四周堆起土围堰,以防到处横流。在一个悬臂上安装了单喷嘴喷砂切割机,一条管线接到泵车上,凝胶液和磨料混合后,通过喷嘴泵出,调整悬臂到合适位置,刚好从封井器上面切掉尾管。切割后,尾管落入井内,关闭全封,抑制住液流。从套管挤入盐水把井压住,安装环型封井器后打捞出尾管。五、展望注二氧化碳今后有望增加。在CogdellReef(Canyon)油田、Slaughter(SanAndres)油田的NorthHobbs(SanAndres)单元、Boyd单元以及其他几个油田,刚开始实施几项新的驱油项目。由于13󰀂󰀂徐合献:二氧化碳井喷󰀁󰀁󰀁一个驱油过程中的新问题󰀂󰀂