Kemiska injektionsledningar nere i hålet – varför misslyckas de?Erfarenheter, utmaningar och tillämpning av nya testmetoder
Copyright 2012, Society of Petroleum Engineers
Abstrakt
Statoil driver flera fält där kontinuerlig injicering av avlagringshämmare ned i hålet tillämpas.Målet är att skydda den övre slangen och säkerhetsventilen från (Ba/Sr) SO4orCaCO;skala, i de fall där skalklämning kan vara svår och kostsam att utföra på regelbunden basis, t.ex. anslutning av undervattensfält.
Kontinuerlig insprutning av avlagringshämmare i borrhålet är en tekniskt lämplig lösning för att skydda den övre slangen och säkerhetsventilen i brunnar som har avskalningspotential ovanför produktionspackaren;speciellt i brunnar som inte behöver klämmas regelbundet på grund av skalningspotential i det nära borrhålsområdet.
Design, drift och underhåll av kemikalieinjektionslinjerna kräver extra fokus på materialval, kemikaliekvalificering och övervakning.Systemets tryck, temperatur, flödesregimer och geometri kan innebära utmaningar för säker drift.Utmaningar har identifierats i flera kilometer långa injektionslinjer från produktionsanläggningen till undervattensmallen och i injektionsventilerna nere i brunnarna.
Fälterfarenheter som visar komplexiteten hos kontinuerliga injektionssystem i borrhålet avseende nederbörds- och korrosionsfrågor diskuteras.Laboratoriestudier och tillämpning av nya metoder för kemisk kvalificering a representerade.Behoven av multidisciplinära åtgärder tillgodoses.
Introduktion
Statoil driver flera fält där kontinuerlig injicering av kemikalier i borrhålet har tillämpats.Detta involverar huvudsakligen injektion av avlagringshämmare (SI) där syftet är att skydda den övre slangen och säkerhetsventilen i borrhålet (DHSV) från (Ba/Sr) SO4orCaCO;skala.I vissa fall injiceras emulsionsbrytare ned i hålet för att starta separationsprocessen så djupt i brunnen som möjligt vid en relativt hög temperatur.
Kontinuerlig injektion av beläggningshämmare nere i hålet är en tekniskt lämplig lösning för att skydda den övre delen av brunnarna som har beläggningspotential ovanför produktionspackaren.Kontinuerlig injektion kan rekommenderas speciellt i brunnar som inte behöver klämmas på grund av låg skalningspotential i det nära borrhålet;eller i fall där skalklämning kan vara svår och kostsam att utföra regelbundet, t.ex. sammankoppling av undervattensfält.
Statoil har lång erfarenhet av kontinuerlig kemikalieinjektion till topside-system och undervattensmallar, men den nya utmaningen är att ta injektionspunkten längre djupt ner i brunnen.Design, drift och underhåll av kemikalieinjektionslinjerna kräver extra fokus på flera ämnen;såsom materialval, kemisk kvalificering och övervakning.Systemets tryck, temperatur, flödesregimer och geometri kan innebära utmaningar för säker drift.Utmaningar i långa (flera kilometer) injektionslinjer från produktionsanläggningen till undervattensmallen och in i injektionsventilerna nere i brunnarna har identifierats;Figur 1.Vissa av injektionssystemen har fungerat enligt plan, medan andra har misslyckats av olika anledningar.Flera nya fältutvecklingar planeras för kemisk injektion i borrhål (DHCI);dock;i vissa fall är utrustningen inte helt kvalificerad ännu.
Tillämpning av DHCI är en komplex uppgift.Det involverar komplettering och brunnskonstruktioner, brunnskemi, topside-system och det kemiska doseringssystemet för topside-processen.Kemikalien kommer att pumpas från ovansidan via kemikalieinjektionsledningen till kompletteringsutrustningen och ner i brunnen.Därför är samarbete mellan flera discipliner avgörande vid planering och genomförande av denna typ av projekt.Olika överväganden måste utvärderas och god kommunikation under designen är viktig.Processingenjörer, undervattensingenjörer och kompletteringsingenjörer är inblandade och arbetar med ämnena brunnskemi, materialval, flödessäkring och produktionskemikaliehantering.Utmaningarna kan vara chemical gun king eller temperaturstabilitet, korrosion och i vissa fall en vakuumeffekt på grund av lokala tryck- och flödeseffekter i kemikalieinsprutningsledningen.Utöver dessa förhållanden som högt tryck, hög temperatur, hög gashastighet, hög skalningspotential，långdistans navelsträng och djupinsprutningspunkt i brunnen, ger olika tekniska utmaningar och krav på den injicerade kemikalien och på injektionsventilen.
En översikt över de DHCI-system som installerats i Statoils verksamhet visar att erfarenheten inte alltid har varit framgångsrik. Tabell 1. Planering för förbättring av injektionsdesign, kemikaliekvalificering, drift och underhåll pågår dock.Utmaningarna varierar från fält till fält, och problemet är inte nödvändigtvis att själva kemikalieinsprutningsventilen inte fungerar.
Under de senaste åren har flera utmaningar beträffande kemiska injektionslinjer i borrhålet upplevts.I detta dokument ges några exempel från dessa erfarenheter.Uppsatsen diskuterar utmaningar och åtgärder som vidtagits för att lösa problemen relaterade till DHCI-linjer.Två fallhistorier ges;en om korrosion och en om kemisk vapenkung.Fälterfarenheter som visar komplexiteten hos kontinuerliga injektionssystem i borrhålet avseende nederbörds- och korrosionsfrågor diskuteras.
Laboratoriestudier och tillämpning av nya metoder för kemisk kvalificering beaktas också;hur man pumpar kemikalien, skalningspotential och förebyggande, komplex utrustningstillämpning och hur kemikalien kommer att påverka topside-systemet när kemikalien produceras tillbaka.Acceptkriterier för kemikalieapplikationer involverar miljöfrågor, effektivitet, lagringskapacitet ovansida, pumphastighet, om befintlig pump kan användas etc. Tekniska rekommendationer måste baseras på vätske- och kemikompatibilitet, restdetektering, materialkompatibilitet, undervattens navelsträngskonstruktion, kemikaliedoseringssystem och material i omgivningen av dessa linjer.Kemikalien kan behöva hydratinhiberas för att förhindra igensättning av injektionsledningen från gasinvasion och kemikalien får inte frysa under transport och lagring.I befintliga interna riktlinjer finns en checklista över vilka kemikalier som kan appliceras vid varje punkt i systemet. Fysikaliska egenskaper som viskositet är viktiga.Injektionssystemet kan innebära 3-50 km avstånd från umbilical undervattensflödesledning och 1-3 km ner i brunnen.Därför är temperaturstabiliteten också viktig.Utvärdering av nedströmseffekter, t.ex. i raffinaderier, kan också behöva övervägas.
Kemiska injektionssystem i hålet
Kostnadsnytta
Kontinuerlig injektion av avlagringshämmare ned i hålet för att skydda DHS Vor produktionsslangen kan vara kostnadseffektiv jämfört med att klämma ihop brunnen med avlagringshämmare.Denna applikation minskar risken för bildningsskador jämfört med beläggningsbehandlingar, minskar risken för processproblem efter en fjällklämning och ger möjlighet att kontrollera kemikalieinsprutningshastigheten från insprutningssystemet på ovansidan.Injektionssystemet kan också användas för att kontinuerligt injicera andra kemikalier ned i hålet och kan därigenom minska andra utmaningar som kan uppstå längre nedströms processanläggningen.
En omfattande studie har utförts för att utveckla en strategi i bottenhålsskala för Oseberg S eller fältet.Den stora skalan var CaCO;fjällning i den övre slangen och eventuellt DHSV-fel.Oseberg S eller skalhanteringsstrategin drog slutsatsen att under en treårsperiod var DHCI den mest kostnadseffektiva lösningen i de brunnar där kemikalieinjektionslinjerna fungerade.Det huvudsakliga kostnadselementet med avseende på den konkurrerande tekniken för skalpressning var den uppskjutna oljan snarare än den kemiska/driftskostnaden.För applicering av avlagringshämmare i gaslyft var den största faktorn på kemikaliekostnaden den höga gaslyfthastigheten som ledde till hög SI-koncentration, eftersom koncentrationen måste balanseras med gaslyfthastigheten för att undvika kemisk pistolkung.För de två brunnarna på Oseberg S eller som hade väl fungerande DHC I-ledningar, valdes detta alternativ för att skydda DHS V:erna mot CaCO;skalning.
Kontinuerligt insprutningssystem och ventiler
Befintliga kompletteringslösningar med kontinuerliga kemiska injektionssystem står inför utmaningar för att förhindra igensättning av kapillärledningarna.Vanligtvis består injektionssystemet av en kapillärledning, 1/4” eller 3/8” ytterdiameter (OD), ansluten till ett ytförgreningsrör, matad genom och ansluten till slanghängaren på den ringformade sidan av slangen.Kapillärledningen är fäst vid produktionsslangens ytterdiameter med speciella slangklämmor och löper på utsidan av slangen ända ner till kemikalieinsprutningsdornen.Dornen placeras traditionellt uppströms om DHS V eller djupare i brunnen med avsikten att ge den injicerade kemikalien tillräcklig dispersionstid och att placera kemikalien där utmaningarna finns.
Vid kemikalieinsprutningsventilen, Fig. 2, innehåller en liten patron cirka 1,5 tum i diameter backventilerna som förhindrar borrhålsvätskor från att komma in i kapillärledningen.Det är helt enkelt en liten poppet som rider på en fjäder.Fjäderkraften ställer in och förutsäger det tryck som krävs för att öppna tallriken från tätningssätet.När kemikalien börjar rinna lyfts tallriken från sitt säte och öppnar backventilen.
Det krävs att två backventiler är installerade.En ventil är den primära barriären som hindrar borrhålsvätskorna från att komma in i kapillärledningen.Detta har ett relativt lågt öppningstryck (2-15 bar). Om det hydrostatiska trycket inuti kapillärledningen är lägre än borrhålstrycket, kommer borrhålsvätskorna att försöka tränga in i kapillärledningen.Den andra backventilen har atypiskt öppningstryck på 130-250 bar och är känt som U-tube prevention-systemet.Denna ventil förhindrar kemikalien inuti kapillärledningen att fritt strömma in i borrhålet om det hydrostatiska trycket inuti kapillärledningen skulle vara högre än borrhålstrycket vid kemikalieinsprutningspunkten inuti produktionsslangen.
Utöver de två backventilerna finns det normalt ett in-line filter, syftet med detta är att säkerställa att inget skräp av något slag kan äventyra backventilsystemens tätningsförmåga.
Storleken på de beskrivna backventilerna är ganska små, och renhet hos den insprutade vätskan är avgörande för deras funktionalitet.Man tror att skräp i systemet kan spolas bort genom att öka flödeshastigheten inuti kapillärledningen, så att backventilerna öppnas avsiktligt.
När backventilen öppnar minskar strömningstrycket snabbt och fortplantar sig upp genom kapillärledningen tills trycket åter ökar.Backventilen stängs sedan tills kemikalieflödet bygger upp tillräckligt tryck för att öppna ventilen;resultatet är trycksvängningar i backventilsystemet.Ju högre öppningstryck backventilsystemet har, desto mindre flödesarea etableras när backventilen öppnar och systemet försöker uppnå jämviktsförhållanden.
De kemiska insprutningsventilerna har ett relativt lågt öppningstryck;och skulle slangtrycket vid kemikalieinloppspunkten bli mindre än summan av det hydrostatiska trycket för kemikalier inuti kapillärledningen plus backventilens öppningstryck, kommer nära vakuum eller vakuum att uppstå i den övre delen av kapillärledningen.När insprutningen av kemikalier upphör eller kemikalieflödet är lågt, kommer nära vakuum att börja uppstå i den övre delen av kapillärledningen.
Vakuumnivån beror på borrhålstrycket, specifik vikt hos den injicerade kemikalieblandningen som används inuti kapillärledningen, backventilens öppningstryck vid injektionspunkten och kemikaliens flödeshastighet inuti kapillärledningen.Brunnsförhållandena kommer att variera över fältets livslängd och potentialen för vakuum kommer därför också att variera över tiden.Det är viktigt att vara medveten om denna situation för att ta rätt hänsyn och försiktighet innan förväntade utmaningar inträffar.
Tillsammans med låga injektionshastigheter avdunstar vanligtvis de lösningsmedel som används i dessa typer av applikationer och orsakar effekter som inte har undersökts fullt ut.Dessa effekter är gun king eller utfällning av fasta ämnen, till exempel polymerer, när lösningsmedlet avdunstar.
Vidare kan galvaniska celler bildas i övergångsfasen mellan vätskeytan hos kemikalien och den ångfyllda nästan-vakuumgasfasen ovan.Detta kan leda till lokal gropkorrosion inuti kapillärledningen som ett resultat av ökad aggressivitet hos kemikalien under dessa förhållanden.Flingor eller saltkristaller som bildas som en film inuti kapillärledningen när dess inre torkar ut kan fastna eller täppa till kapillärledningen.
Brunnsbarriärfilosofi
Vid design av robusta brunnslösningar kräver Statoil att brunnssäkerheten är på plats hela tiden under brunnens livscykel.Därför kräver Statoil att det finns två oberoende brunnsbarriärer intakta.Fig. 3 visar schematiskt atypiskt brunnsbarriär, där den blå färgen representerar det primära brunnsbarriärhöljet;i detta fall produktionsslangen.Den röda färgen representerar det sekundära barriärhöljet;höljet.På vänster sida i skissen är kemikalieinjektionen indikerad som en svart linje med injektionspunkt till produktionsslangen i det rödmarkerade området (sekundär barriär).Genom att införa kemiska injektionssystem i brunnen äventyras både de primära och sekundära borrhålsbarriärerna.
Fallhistorik om korrosion
Händelsernas sekvens
Kemisk insprutning i hålet av beläggningshämmare har applicerats i ett oljefält som drivs av Statoil på norska kontinentalsockeln.I det här fallet hade den applicerade skalinhibitorn ursprungligen kvalificerats för applicering ovanifrån och under vatten.Återuppförandet av brunnen följdes av installation av DHCIpointat2446mMD, Fig.3.Insprutningen i hålet av avlagringsinhibitorn på ovansidan påbörjades utan ytterligare testning av kemikalien.
Efter ett års drift observerades läckage i kemikalieinsprutningssystemet och undersökningar påbörjades.Läckaget hade en skadlig effekt på brunnsbarriärerna.Liknande händelser inträffade för flera brunnar och några av dem var tvungna att stängas in medan utredningen pågick.
Produktionsslangen drogs och studerades i detalj.Korrosionsangreppet var begränsat till ena sidan av slangen, och vissa slangskarvar var så korroderade att det faktiskt fanns hål genom dem.Cirka 8,5 mm tjockt 3 % kromstål hade sönderfallit på mindre än 8 månader.Den huvudsakliga korrosionen hade inträffat i den övre delen av brunnen, från brunnshuvudet ner till cirka 380 m MD, och de värsta korroderade rörfogarna hittades vid cirka 350 m MD.Under detta djup observerades liten eller ingen korrosion, men mycket skräp hittades på slangarnas OD.
9-5/8'' höljet skars också och drogs och liknande effekter observerades;med korrosion i den övre delen av brunnen endast på ena sidan.Den inducerade läckan orsakades av att den försvagade delen av höljet sprängdes.
Materialet för den kemiska injektionslinjen var Alloy 825.
Kemisk kvalifikation
Kemiska egenskaper och korrosionstestning är viktiga inriktningar vid kvalificeringen av beläggningshämmare och den faktiska beläggningshämmaren hade kvalificerats och använts i topside- och undervattensapplikationer i flera år.Anledningen till att använda den faktiska kemikalien i borrhålet var förbättrade miljöegenskaper genom att ersätta den befintliga kemikalien i borrhålet. Avlagringshämmaren hade dock endast använts vid omgivande temperaturer på ovansidan och havsbotten (4-20 ℃).När den injicerades i brunnen kunde temperaturen på kemikalien vara så hög som 90 ℃, men inga ytterligare tester hade utförts vid denna temperatur.
Inledande korrosivitetstester hade utförts av kemikalieleverantören och resultaten visade 2-4 mm/år för kolstål vid hög temperatur.Under denna fas hade operatörens materiella tekniska kompetens varit minimal involverad.Nya tester utfördes senare av operatören som visade att avlagringshämmaren var mycket korrosiv för materialen i produktionsslangen och produktionshöljet, med korrosionshastigheter som översteg 70 mm/år.Det kemiska injektionslinjematerialet Alloy 825 hade inte testats mot kalkinhibitorn före injektionen.Brunnstemperaturen kan nå 90 ℃ och adekvata tester bör ha utförts under dessa förhållanden.
Undersökningen visade också att beläggningshämmaren som koncentrerad lösning hade rapporterat pH <3,0.Men pH hade inte mätts.Senare visade det uppmätta pH-värdet ett mycket lågt värde på pH 0-1.Detta illustrerar behovet av mätningar och materialöverväganden utöver givna pH-värden.
Tolkning av resultaten
Insprutningsledningen (fig. 3) är konstruerad för att ge hydrostatiskt tryck av beläggningsinhibitorn som överstiger trycket i brunnen vid injektionspunkten.Inhibitorn injiceras vid ett högre tryck än vad som finns i borrhålet.Detta resulterar i en U-rörseffekt vid avstängning av brunnen.Ventilen öppnar alltid med ett högre tryck i insprutningsledningen än i brunnen.Vakuum eller avdunstning i injektionsledningen kan därför förekomma.Korrosionshastigheten och risken för gropbildning är störst i övergångszonen för gas/vätska på grund av avdunstning av lösningsmedlet.Laboratorieexperiment utförda på kuponger bekräftade denna teori.I brunnarna där läckage upplevdes var alla hål i injektionsledningarna placerade i den övre delen av kemikalieinjektionsledningen.
Fig. 4 visar fotografering av DHC I-linjen med betydande gropkorrosion.Korrosionen som sågs på den yttre produktionsslangen indikerade en lokal exponering av beläggningshämmare från punkten för gropläckage.Läckaget orsakades av gropkorrosion av starkt korrosiv kemikalie och läckage genom kemikalieinsprutningslinjen in i produktionshöljet.Beläggningsinhibitorn sprutades från den urkärnade kapillärledningen på höljet och slangarna och läckor uppstod.Eventuella sekundära konsekvenser av läckor i injektionsledningen hade inte beaktats.Det drogs slutsatsen att hölje- och slangkorrosionen var ett resultat av koncentrerade skalinhibitorer som bad från den urkärnade kapillärlinjen till höljet och slangen, Fig. 5.
I det här fallet hade det saknats inblandning av materialkompetensingenjörer.Korrosiviteten hos kemikalien på DHCI-linjen hade inte testats och de sekundära effekterna på grund av läckage hade inte utvärderats;till exempel om de omgivande materialen kan tolerera kemisk exponering.
Fallhistoria av kempistolkungen
Händelsernas sekvens
Strategin för beläggningsförebyggande för ett HP HT-fält var kontinuerlig injicering av beläggningshämmare uppströms säkerhetsventilen i borrhålet.En allvarlig kalciumkarbonatavlagringspotential identifierades i brunnen.En av utmaningarna var hög temperatur och höga gas- och kondensatproduktionshastigheter i kombination med låg vattenproduktionshastighet.Bekymmer med att injicera avlagringshämmare var att lösningsmedlet skulle avlägsnas av den höga gasproduktionshastigheten och att pistolen av kemikalien skulle inträffa vid insprutningspunkten uppströms om säkerhetsventilen i brunnen, Fig. 1.
Under kvalificeringen av skalinhibitorn låg fokus på produktens effektivitet vid HP HT-förhållanden inklusive beteende i processsystemet på ovansidan (låg temperatur).Utfällning av själva beläggningshämmaren i produktionsslangen på grund av den höga gashastigheten var huvudproblemet.Laboratorietester visade att beläggningshämmare kan fällas ut och fästa vid slangväggen.Drift av säkerhetsventilen kan därför slå risken.
Erfarenheten visade att kemikalieledningen läckte efter några veckors drift.Det var möjligt att övervaka borrhålstrycket vid ytmätaren installerad i kapillärledningen.Linjen isolerades för att erhålla brunnsintegritet.
Kemikalieinsprutningsledningen drogs ut ur brunnen, öppnades och inspekterades för att diagnostisera problemet och hitta möjliga orsaker till fel.Som kan ses i Fig. 6 hittades en betydande mängd fällning och kemisk analys visade att en del av detta var fjällinhibitorn.Fällningen fanns vid tätningen och tallriken och ventilen kunde inte manövreras.
Ventilfelet orsakades av skräp inuti ventilsystemet som hindrade backventilerna att äta på metall till metallsätet.Skräpet undersöktes och huvudpartiklarna visade sig vara metallspån, troligen producerade under installationsprocessen av kapillärledningen.Dessutom identifierades en del vitt skräp på båda backventilerna, särskilt på baksidan av ventilerna.Detta är lågtryckssidan, dvs sidan skulle alltid vara i kontakt med borrhålsvätskorna.Ursprungligen antogs detta vara skräp från produktionsbrunnen eftersom ventilerna hade klämts upp och utsatts för borrhålsvätskor.Men undersökning av skräpet visade sig vara polymerer med liknande kemi som den kemikalie som användes som avlagringshämmare.Detta fångade vårt intresse och Statoil ville utforska orsakerna bakom dessa polymerskräp som finns i kapillärlinjen.
Kemisk kvalifikation
Inom ett HP HT-område finns det många utmaningar med avseende på valet av lämpliga kemikalier för att mildra de olika produktionsproblemen.I kvalificeringen av skalinhibitorn för kontinuerlig injektion i hålet utfördes följande tester:
● Produktstabilitet
● Termisk åldring
● Dynamiska prestandatester
● Kompatibilitet med formationsvatten och hydratinhibitor (MEG)
● Statiskt och dynamiskt gun king-test
● Återupplösning information vatten, färsk kemikalie och MEG
Kemikalien kommer att injiceras med en förutbestämd doseringshastighet，men vattenproduktionen kommer inte nödvändigtvis att vara konstant，dvs vattensugning.Mellan vattensnäckorna，när kemikalien kommer in i borrhålet，det kommer att mötas av en het，snabbt strömmande kolvätegas.Detta liknar att injicera en avlagringshämmare i en gaslyftapplikation (Fleming et al. 2003). Tillsammans med
den höga gastemperaturen，risken för avdrivning av lösningsmedel är extremt hög och gun king kan orsaka blockering av insprutningsventilen.Detta är en risk även för kemikalier formulerade med lösningsmedel med hög kokpunkt/lågt ångtryck och andra ångtryckssänkande medel (VPD). I händelse av en partiell blockering，flöde av formationsvatten，MEG och/eller färsk kemikalie måste kunna ta bort eller återupplösa den uttorkade eller utsöndrade kemikalien.
I detta fall utformades en ny laboratorietestrigg för att replikera strömningsförhållanden nära injektionsportarna vid ett HP/HTg som produktionssystem.Resultaten från de dynamiska gun king-testerna visar att under de föreslagna appliceringsförhållandena registrerades en betydande lösningsmedelsförlust.Detta kan leda till snabb gun king och eventuell blockering av flödesledningarna.Arbetet visade därför att det fanns en relativt betydande risk för kontinuerlig kemikalieinjektion i dessa brunnar före vattenproduktion och ledde till beslutet att justera normala startprocedurer för detta fält, vilket fördröjde kemikalieinjektion tills vattengenombrott upptäcktes.
Kvalificeringen av beläggningshämmare för kontinuerlig injektion ned i hålet hade högt fokus på lösningsmedelsavdrivning och gun king av beläggningsinhibitorn vid injektionspunkten och i flödesledningen men potentialen för gun king i själva injektionsventilen utvärderades inte.Insprutningsventilen misslyckades troligen på grund av betydande lösningsmedelsförlust och snabb gun king,Fig.6. Resultaten visar att det är viktigt att ha en helhetssyn på systemet;inte bara fokusera på produktionsutmaningarna,men också utmaningar relaterade till injektion av kemikalien,dvs insprutningsventil.
Erfarenhet från andra områden
En av de tidiga rapporterna om problem med långväga kemikalieinjektionsledningar var från satellitfälten Gull fak sandVig dis (Osa etal.2001). Undervattensinjektionsledningarna blockerades från hydratbildning inom linjen på grund av invasion av gas från de producerade vätskorna in i ledningen via insprutningsventilen.Nya riktlinjer för utveckling av undervattensproduktionskemikalier har tagits fram.Kraven inkluderade partikelavlägsnande (filtrering) och tillsats av hydratinhibitor (t.ex. glykol) till alla vattenbaserade beläggningshämmare som skulle injiceras vid undervattensmallarna.Kemisk stabilitet,viskositet och kompatibilitet (vätska och material) övervägdes också.Dessa krav har tagits vidare in i Statoil-systemet och inkluderar kemikalieinjektion i borrhål.
Under utvecklingsfasen av Oseberg S eller fältet beslutades att alla brunnar skulle kompletteras med DHC I-system (Fleming et al. 2006). Målet var att förhindra CaCO；fjällning i den övre slangen genom SI-injektion.En av de stora utmaningarna med avseende på kemikalieinsprutningslinjerna var att uppnå kommunikation mellan ytan och utloppet i borrhålet.Den inre diametern på kemikalieinsprutningsledningen minskade från 7 mm till 0,7 mm (ID) runt den ringformade säkerhetsventilen på grund av utrymmesbegränsningar och vätskans förmåga att transporteras genom denna sektion hade påverkat framgångsfrekvensen.Flera plattformsbrunnar hade kemikalieinjektionsledningar som var igentäppta,men orsaken förstods inte.Tåg av olika vätskor (glykol,rå,kondensat,xylen,fjällhämmare,vatten etc.) laboratorietestades för viskositet och kompatibilitet och pumpades framåt och i omvänd flöde för att öppna ledningarna;dock,målskalsinhibitorn kunde inte pumpas hela vägen ner till kemikalieinsprutningsventilen.Ytterligare,komplikationer sågs med utfällning av fosfonatavlagringshämmaren tillsammans med kvarvarande CaClz-kompletterande saltlösning i en brunn och gun king of the scale-inhibitor inuti en brunn med högt gasolförhållande och lågt vattenavsnitt (Fleming et al. 2006)
Lärdomar
Testmetodutveckling
De viktigaste lärdomarna från felet i DHC I-system har varit med avseende på den tekniska effektiviteten hos skalinhibitorn och inte med avseende på funktionalitet och kemikalieinjektion.Topside-injektion och subsea-injektion har fungerat bra övertid;dock,applikationen har utvidgats till att omfatta kemikalieinjektion i borrhål utan motsvarande uppdatering av de kemiska kvalificeringsmetoderna.Statoils erfarenhet från de två presenterade fältfallen är att den styrande dokumentationen eller riktlinjerna för kemikaliekvalificering måste uppdateras för att omfatta denna typ av kemikalietillämpning.De två huvudsakliga utmaningarna har identifierats som i) vakuum i kemikalieinjektionslinjen och ii) potentiell utfällning av kemikalien.
Avdunstning av kemikalien kan förekomma på produktionsslangen (som ses i gun king-fallet) och i injektionsslangen (en transient gränsyta har identifierats i vakuumfallet) finns det en risk att dessa utfällningar kan flyttas med flödet och in i injektionsventilen och vidare in i brunnen.Insprutningsventilen är ofta utformad med ett filter uppströms insprutningspunkten,det här är en utmaning,som i fallet med nederbörd kan detta filter vara igensatt vilket gör att ventilen går sönder.
Observationerna och preliminära slutsatserna från lärdomarna resulterade i en omfattande laboratoriestudie av fenomenen.Det övergripande målet var att utveckla nya kvalificeringsmetoder för att undvika liknande problem i framtiden.I denna studie har olika tester genomförts och flera laboratoriemetoder har designats (utvecklats för att) för att undersöka kemikalier med avseende på de identifierade utmaningarna.
● Filterblockeringar och produktstabilitet i slutna system.
● Effekten av partiell lösningsmedelsförlust på kemikaliernas korrosivitet.
● Effekten av partiell förlust av lösningsmedel i en kapillär på bildningen av fasta ämnen eller viskösa pluggar.
Under testerna av laboratoriemetoderna har flera potentiella problem identifierats
● Upprepade filterblockeringar och dålig stabilitet.
● Bildning av fasta ämnen efter partiell avdunstning från en kapillär
● PH-förändringar på grund av lösningsmedelsförlust.
Typen av de genomförda testerna har också gett ytterligare information och kunskap om förändringar i de fysikaliska egenskaperna hos kemikalier i kapillärer när de utsätts för vissa villkor,och hur detta skiljer sig från bulklösningar som utsätts för liknande förhållanden.Testarbetet har också identifierat betydande skillnader mellan bulkvätskan，ångfaser och kvarvarande vätskor som kan leda till antingen ökad potential för utfällning och/eller ökad korrosivitet.
Testproceduren för korrosivitet hos beläggningshämmarna utvecklades och inkluderades i den styrande dokumentationen.För varje applikation behövde utökad korrosivitetstestning utföras innan injektion av beläggningshämmare kan implementeras.Gun king-tester av kemikalien i injektionslinjen har också utförts.
Innan man påbörjar kvalificering av en kemikalie är det viktigt att skapa en arbetsomfattning som beskriver kemikaliens utmaningar och syfte.I den inledande fasen är det viktigt att identifiera de främsta utmaningarna för att kunna välja vilka typer av kemikalier som ska lösa problemet.En sammanfattning av de viktigaste acceptanskriterierna finns i Tabell 2.
Kvalificering av kemikalier
Kvalificering av kemikalier består av både testning och teoretiska utvärderingar för varje applikation.Tekniska specifikationer och testkriterier måste definieras och fastställas，till exempel inom HSE,materialkompatibilitet,produktstabilitet och produktkvalitet (partiklar).Ytterligare,fryspunkten,viskositet och kompatibilitet med andra kemikalier,hydratinhibitor,bildningsvatten och den producerade vätskan måste bestämmas.En förenklad lista över testmetoder som kan användas för kvalificering av kemikalier finns i Tabell 2.
Kontinuerligt fokus på och uppföljning av den tekniska effektiviteten,dosering och HSE-fakta är viktiga.Kraven på en produkt kan ändra livslängden på ett fält eller en processanläggning；variera med produktionshastigheter såväl som vätskesammansättning.Uppföljningsaktivitet med utvärdering av prestation,optimering och/eller testning av nya kemikalier måste göras ofta för att säkerställa det optimala behandlingsprogrammet.
Beroende på oljekvaliteten,vattenproduktion och tekniska utmaningar vid offshoreproduktionsanläggningen,användningen av produktionskemikalier kan vara nödvändig för att uppnå exportkvalitet,tillsynskrav,och att driva offshoreanläggningen på ett säkert sätt.Alla fält har olika utmaningar och de produktionskemikalier som behövs varierar från fält till fält och övertid.
Det är viktigt att fokusera på teknisk effektivitet av produktionskemikalier i ett kvalificeringsprogram,men det är också mycket viktigt att fokusera på kemikaliens egenskaper,såsom stabilitet,produktkvalitet och kompatibilitet.Kompatibilitet i denna inställning betyder kompatibilitet med vätskorna,material och andra tillverkningskemikalier.Detta kan vara en utmaning.Det är inte önskvärt att använda en kemikalie för att lösa ett problem för att senare upptäcka att kemikalien bidrar till eller skapar nya utmaningar.Det kanske är kemikaliens egenskaper och inte den tekniska utmaningen som är den största utmaningen.
Speciella krav
Särskilda krav på filtrering av levererade produkter bör tillämpas för undervattenssystemet och för kontinuerlig insprutning nere i hålet.Silar och filter i kemikalieinsprutningssystemet bör tillhandahållas baserat på specifikationen på utrustningen nedströms från insprutningssystemet på ovansidan,pumpar och insprutningsventiler,till insprutningsventilerna i borrhålet.När kontinuerlig insprutning av kemikalier i borrhålet tillämpas bör specifikationen i kemikalieinsprutningssystemet baseras på specifikationen med högst kriticitet.Det här kanske filtret vid insprutningsventilen nere i hålet.
Injektionsutmaningar
Injektionssystemet kan innebära 3-50 km avstånd från umbilical undervattensflödesledning och 1-3 km ner i brunnen.Fysiska egenskaper som viskositet och förmågan att pumpa kemikalierna är viktiga.Om viskositeten vid havsbottnens temperatur är för hög kan det vara en utmaning att pumpa kemikalien genom kemikalieinjektionsledningen i undervattens navelsträngen och till undervattensinjektionspunkten eller i brunnen.Viskositeten ska vara enligt systemspecifikationen vid förväntad lagrings- eller driftstemperatur.Detta bör utvärderas i varje enskilt fall,och kommer att vara systemberoende.Som bord är kemikalieinsprutningshastigheten en faktor för framgång i kemikalieinjektion.För att minimera risken för igensättning av kemikalieinsprutningsledningen，kemikalierna i detta system bör vara hydratinhiberade (om potential för hydrater).Kompatibilitet med vätskor som finns i systemet (konserveringsvätska) och hydratinhibitorn måste utföras.Stabilitetstester av kemikalien vid faktiska temperaturer (lägsta möjliga omgivningstemperatur,omgivningstemperatur,undervattenstemperatur,injektionstemperatur) måste passeras.
Ett program för tvättning av kemikalieinsprutningslinjerna vid given frekvens måste också övervägas.Det kan ge en förebyggande effekt att regelbundet spola kemikalieinjektionsslangen med lösningsmedel，glykol eller rengöringskemikalier för att avlägsna eventuella avlagringar innan det ackumuleras och kan orsaka igensättning av ledningen.Den valda kemiska lösningen av spolvätska måste varakompatibel med kemikalien i injektionslinjen.
I vissa fall används kemikalieinjektionslinjen för flera kemiska tillämpningar baserat på olika utmaningar under en fältlivslängd och vätskeförhållanden.I den inledande produktionsfasen innan vattengenombrott kan de huvudsakliga utmaningarna vara annorlunda än dem under sen livslängd som ofta är relaterade till ökad vattenproduktion.Att byta från icke-vattenhaltiga lösningsmedelsbaserade hämmare såsom asfaltenhämmare till vattenbaserad kemikalie såsom avlagringshämmare kan ge utmaningar med kompatibilitet.Det är därför viktigt att fokusera på kompatibilitet och kvalificering och användning av spacers när man planerar att byta kemikalie i kemikalieinjektionslinjen.
Material
Angående materialkompatibilitet,alla kemikalier bör vara kompatibla med tätningar,elastomerer，packningar och byggmaterial som används i det kemiska injektionssystemet och produktionsanläggningen.Testförfarande för korrosivitet hos kemikalier (t.ex. sur beläggningshämmare) för kontinuerlig injektion nere i hålet bör utvecklas.För varje applikation måste utökad korrosivitetstestning göras innan injektion av kemikalier kan genomföras.
Diskussion
Fördelarna och nackdelarna med kontinuerlig kemisk injektion i borrhålet måste utvärderas.Kontinuerlig injektion av avlagringshämmare för att skydda DHS. Vor produktionsslangen är en elegant metod för att skydda brunnen från avlagringar.Som nämnts i denna artikel finns det flera utmaningar med kontinuerlig kemisk injektion i borrhålet,men för att minska risken är det viktigt att förstå fenomenen kopplade till lösningen.
Ett sätt att minska risken är att fokusera på testmetodutveckling.Jämfört med topside eller undervattens kemikalieinjektion finns det andra och svårare tillstånd nere i brunnen.Kvalificeringsförfarandet för kemikalier för kontinuerlig injicering av kemikalier i borrhålet måste ta hänsyn till dessa förändringar i förhållandena.Kvalificeringen av kemikalierna måste göras efter det material som kemikalierna kan komma i kontakt med.Kraven på kompatibilitetskvalificering och testning vid förhållanden som replikerar så nära som möjligt de olika brunnslivscykelförhållandena som dessa system kommer att fungera under måste uppdateras och implementeras.Testmetodutvecklingen måste utvecklas vidare till mer realistiska och representativa tester.
Dessutom,samspelet mellan kemikalierna och utrustningen är avgörande för framgång.Utvecklingen av injektionskemikalieventilerna måste ta hänsyn till de kemiska egenskaperna och placeringen av injektionsventilen i brunnen.Det bör övervägas att inkludera riktiga insprutningsventiler som en del av testutrustningen och att utföra prestandatestning av skalinhibitorn och ventilkonstruktionen som en del av kvalificeringsprogrammet.För att kvalificera skalinhibitorer,huvudfokus har tidigare legat på processutmaningar och skalinhibering,men god skalinhibering beror på stabil och kontinuerlig injektion.Utan stabil och kontinuerlig injektion ökar potentialen för beläggning.Om kalkinhibitorinsprutningsventilen är sönderslagen och det inte finns någon kalkinhibitorinsprutning i vätskeströmmen,brunnen och säkerhetsventilerna är inte skyddade från skalan och därför kan säker produktion äventyras.Kvalificeringsproceduren måste ta hand om de utmaningar som är relaterade till injektionen av skalinhibitorn utöver processutmaningarna och effektiviteten hos den kvalificerade skalinhibitorn.
Det nya tillvägagångssättet omfattar flera discipliner och samarbetet mellan disciplinerna och respektive ansvar måste förtydligas.I den här applikationen ovansidans processsystem,subsea mallar och brunnsdesign och kompletteringar är inblandade.Multidisciplinära nätverk som fokuserar på att utveckla robusta lösningar för kemiska injektionssystem är viktiga och kanske vägen till framgång.Kommunikation mellan de olika disciplinerna är avgörande;särskilt nära kommunikation mellan de kemister som har kontroll över de kemikalier som appliceras och brunnsingenjörerna som har kontroll över utrustningen som används i brunnen.Att förstå de olika disciplinernas utmaningar och att lära av varandra är väsentligt för att förstå komplexiteten i hela processen.
Slutsats
● Kontinuerlig injektion av beläggningshämmare för att skydda DHS. Vor produktionsslangen är en elegant metod för att skydda brunnen för beläggning
● Att lösa de identifierade utmaningarna,följande rekommendationer är:
● En särskild DHCI-kvalificeringsprocedur måste utföras.
● Kvalificeringsmetod för kemikalieinsprutningsventiler
● Test- och kvalificeringsmetoder för kemisk funktionalitet
● Metodutveckling
● Relevant materialprovning
● Det multidisciplinära samspelet där kommunikationen mellan de olika disciplinerna är avgörande för framgång.
Erkännanden
Författaren vill tacka Statoil AS A för tillstånd att publicera detta verk och Baker Hughes och Schlumberger för att de tillåter användning av bilden i Fig.2.
Nomenklatur
(Ba/Sr)SO4=barium/strontiumsulfat
CaCO3 = kalciumkarbonat
DHCI=kemikalieinjektion i borrhålet
DHSV=säkerhetsventil i borrhålet
t.ex.=till exempel
GOR=gasolförhållande
HSE=hälsosäkerhetsmiljö
HPHT=högtryck hög temperatur
ID=innerdiameter
dvs=det vill säga
km=kilometer
mm = millimeter
MEG = monoetylenglykol
mMD=meter uppmätt djup
OD = ytterdiameter
SI = skalinhibitor
mTV D=meter totalt vertikalt djup
U-rör=U-format rör
VPD=ångtryckssänkande medel
Figur 1. Översikt över de kemiska injektionssystemen under vatten och i borrhålet inom atypiskt område.Skiss av kemikalieinjektion uppströms DHSV och de relaterade förväntade utmaningarna.DHS V=borrhålssäkerhetsventil, PWV=processvingventil och PM V=processhuvudventil.
Figur 2. Skiss av atypiskt kemiskt injektionssystem i borrhålet med dorn och ventil.Systemet ansluts till ytförgreningsröret, matas igenom och ansluts till slanghängaren på den ringformade sidan av slangen.Den kemiska injektionsdornen placeras traditionellt djupt i brunnen med avsikt att ge kemiskt skydd.
Figur 3. Typisk schematisk brunnsbarriär,där den blå färgen representerar det primära brunnsbarriärhöljet;i detta fall produktionsslangen.Den röda färgen representerar det sekundära barriärhöljet;höljet.På vänster sida visas kemikalieinjektionen, svart linje med injektionspunkt till produktionsslangen i området rött (sekundär barriär).
Figur 4. Hål med grop i den övre delen av 3/8”-insprutningslinjen.Området visas i skissen av atypisk brunnsbarriärschematisk, markerad med orange ellips.
Figur 5. Allvarlig korrosionsangrepp på 7” 3 % kromslangen.Figuren visar korrosionsangreppet efter att kalkinhibitor sprutats från den urkärnade kemikalieinsprutningslinjen på produktionsslangen.
Figur 6. Skräp hittats i kemikalieinsprutningsventilen.Skräpet i det här fallet var metallspån troligen från installationsprocessen förutom en del vitaktigt skräp.Undersökning av det vita skräpet visade sig vara polymerer med liknande kemi som den injicerade kemikalien
Posttid: 2022-apr-27