近年來(lái)，石油行業(yè)出現(xiàn)了多項(xiàng)井下防砂技術(shù)。其中，獨(dú)立篩管防砂技術(shù)和礫石充填篩管防砂技術(shù)應(yīng)用為廣泛。然而不幸的是，上述技術(shù)都受到了篩管沖蝕以及腐蝕問(wèn)題的嚴(yán)重影響。有害的流體環(huán)境條件，如pH和礦化度等，會(huì)降低防砂篩管的使用壽命。同時(shí)，一些堅(jiān)硬的研磨性較大的地層砂礫還會(huì)造成防砂篩管的局部堵塞，進(jìn)而造成篩管的沖蝕以及篩縫或擋砂孔眼的增大。

上述問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致防砂篩管在生產(chǎn)過(guò)程中局部或者整體的失效，再加上高溫高壓地層條件（一般地層溫度高于150℃，地層壓力大于10,000 psi/bar）的影響，上述問(wèn)題將更加突出。

陶瓷篩管的研發(fā)

目前，石油行業(yè)內(nèi)缺乏一套通用的防砂篩管測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使得科研和技術(shù)部門(mén)很難制定一套全球認(rèn)可的測(cè)試協(xié)議條款來(lái)輔助推進(jìn)防砂篩管技術(shù)的研發(fā)。2008年丹麥的一家油氣公司與ESK Ceramics公司（現(xiàn)在為3M高端材料分公司）開(kāi)展了一個(gè)合作項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用3M現(xiàn)有的陶瓷技術(shù)，聯(lián)合研發(fā)出了新型的防砂篩管材料，該成果包括了3M公司三個(gè)部門(mén)的技術(shù)成果：

1.軍品部門(mén)—新型材料，硬度大于金屬和合金，但是密度更低；

2.采礦部門(mén)—新型陶瓷技術(shù)，具有高抗沖蝕特性，能夠降低NPT（非生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間）；

3.油氣部門(mén)—應(yīng)用技術(shù)。

經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間，該項(xiàng)目完成了測(cè)量參數(shù)的確定以及方案的測(cè)試，研發(fā)成功了世界上第一款使用碳化硅材料的陶瓷防砂篩管。截至目前為止，新型陶瓷防砂篩管已在世界范圍內(nèi)的30多口井進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用對(duì)象包括使用常規(guī)防砂篩管失效后的生產(chǎn)井、高產(chǎn)高沖蝕氣井（射孔孔眼流速大于100 ft/sec）以及由于高費(fèi)用限制而無(wú)法采用礫石充填技術(shù)的生產(chǎn)井。

完井：新一代高溫高壓防砂篩管研發(fā)成功

圖1.10號(hào)縫寬的陶瓷篩管環(huán)

新型陶瓷篩管具有靈活布置的陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)層，如圖1所示，可根據(jù)用戶需求參考地層砂粒度分布情況制成V型篩縫結(jié)構(gòu)。陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)層外部覆蓋護(hù)罩，端部有端蓋連接，端蓋可對(duì)陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)層起到保護(hù)作用，同時(shí)還與基管緊密錨固。上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠使地層砂在陶瓷篩管周?chē)匀欢逊e，從而降低產(chǎn)能損失的風(fēng)險(xiǎn)。

完井：新一代高溫高壓防砂篩管研發(fā)成功

圖2.a：外護(hù)罩保護(hù)陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)層； b：完整的帶端蓋和緊固錨的篩管總成

1. 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)方法

有效確定防砂篩管評(píng)定和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的大挑戰(zhàn)是如何界定相關(guān)的里程碑節(jié)點(diǎn)。同時(shí)工程師還需要設(shè)計(jì)一個(gè)有效的辦法，能夠?qū)⑹覂?nèi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果和地面技術(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果可靠地轉(zhuǎn)換為井下高溫高壓生產(chǎn)條件下的結(jié)果。盡管評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)里很多參考了ISO 17824（19s）的內(nèi)容，但是工程技術(shù)人員還是與作業(yè)公司一起建立了一套更為完整的方法。

各作業(yè)者選擇不同的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)價(jià)，形成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件下各參數(shù)的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，確定了用來(lái)進(jìn)行篩管沖蝕、強(qiáng)度、腐蝕、鼓脹和屈曲特征評(píng)價(jià)的參數(shù)，從而保障了風(fēng)險(xiǎn)控制措施的有效性和針對(duì)性。該評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用需要作業(yè)者和篩管制造廠家統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)、測(cè)試條款以及井下環(huán)境條件的認(rèn)識(shí)取得一致，并對(duì)產(chǎn)品形成統(tǒng)一的規(guī)格參數(shù)要求。

2. 沖蝕

對(duì)于防砂篩管來(lái)說(shuō)，進(jìn)行高流速?zèng)_擊測(cè)試需要在典型條件下進(jìn)行攜砂液的射流沖擊試驗(yàn)．項(xiàng)目組根據(jù)作業(yè)井眼條件要求，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了定義，并明確了相互之間的關(guān)系。

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3. 強(qiáng)度

由于高溫高壓井一般井深更大并且井身結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，可能采用平臺(tái)井口或者水下井口，因此該項(xiàng)目針對(duì)上述情況進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的影響測(cè)試，以確保篩管在正常的安裝條件下具備可靠的完整性和功能性。完整的高溫高壓防砂篩管總成要進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，直接打入堅(jiān)硬地面，以模擬端情況下的篩管安裝環(huán)境，如圖4所示。在經(jīng)過(guò)了100次沖擊測(cè)試之后，試驗(yàn)表明，篩管未發(fā)生臨界破壞。

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圖4.強(qiáng)度測(cè)試地面安裝

4. 腐蝕

高H?S和CO?濃度以及高礦化度地層條件在高溫高壓井中是普遍存在的情況。該項(xiàng)目將基礎(chǔ)的碳化硅材料放置在150℃到220℃之間的兩個(gè)溫度條件下，進(jìn)行了96% H2SO4溶液中的腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，上述試驗(yàn)材料即使在更高溫度條件下，在觀測(cè)條件范圍內(nèi)也只觀察到了很少的腐蝕現(xiàn)象，腐蝕損失可以忽略不計(jì)，如表１所示。

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表1.碳化硅在濃硫酸鹽溶液中的腐蝕速率

5. 壓潰和鼓脹

根據(jù)ISO 17824（API 19s）中對(duì)防砂篩管壓潰和鼓脹性能測(cè)試的規(guī)定，項(xiàng)目組利用篩管制造廠家的測(cè)試設(shè)備和第三方的實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)陶瓷防砂篩管進(jìn)行了測(cè)試。篩管制造廠家根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范加工了一套堵塞工具，能夠承受1500psi的鼓脹壓力以及超過(guò)7500psi的壓差作用，達(dá)到了測(cè)試設(shè)備的限條件，如圖5所示。測(cè)試結(jié)果表明陶瓷篩管完全滿足高溫高壓井的所有已知條件要求。

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圖5.a：壓潰和鼓脹堵塞工具測(cè)試結(jié)果；b：陶瓷篩管壓潰測(cè)試果

6. 屈曲

通過(guò)屈曲試驗(yàn)對(duì)陶瓷環(huán)的完整性和金屬部件的變形特性進(jìn)行了檢測(cè)。圖6顯示的是測(cè)試設(shè)備安裝過(guò)程。屈曲測(cè)試的目標(biāo)是測(cè)試撤銷(xiāo)屈曲壓力之后篩管在松弛過(guò)程中平均篩縫寬度的變化情況（一般小于2標(biāo)準(zhǔn)尺寸，50μm）。

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圖6.測(cè)試松弛階段峰寬變化情況的屈曲試驗(yàn)

測(cè)試程序/結(jié)果

項(xiàng)目組建立了一整套被作業(yè)者和篩管制造廠家共同認(rèn)可的高溫高壓評(píng)價(jià)和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)之后，按照以下程序進(jìn)行了測(cè)試檢驗(yàn)。

1.將測(cè)試篩管和測(cè)量系統(tǒng)安裝在測(cè)試設(shè)備上；

2.測(cè)量測(cè)試設(shè)備內(nèi)支架之間的距離；

3.調(diào)節(jié)位移傳感器并與數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)進(jìn)行連接；

4.利用液壓千斤頂對(duì)篩管進(jìn)行加壓直到陶瓷環(huán)彎曲程度達(dá)到預(yù)定的狗腿度；

5.測(cè)量加壓前后篩管峰寬的尺寸。

采用4-1/2in基管陶瓷篩管總成的測(cè)試結(jié)果如下所示：

1.屈曲試驗(yàn)中，篩管彎曲狗腿度為12.7°/100 ft時(shí)，篩縫寬度大變化值為10μm；

2.篩管彎曲狗腿度為25.2°/100 ft時(shí)，篩縫寬度大變化值為23μm；

3.卸載階段，篩縫寬度無(wú)變化，與設(shè)計(jì)規(guī)格參數(shù)一致；

4.針對(duì)相同尺寸篩管開(kāi)展的有限元理論分析得到了與試驗(yàn)相似的結(jié)論。

案例分析

某作業(yè)者需要控制上游工程投資，另外，由于目標(biāo)井產(chǎn)能較高（25~35 MMscfgd），因此需要在高流速生產(chǎn)條件下保障井下空間（篩管與套管環(huán)空以及地層裂縫內(nèi)部）充填足夠的支撐劑。其中，兩口井采用了陶瓷防砂篩管，篩管懸掛于封隔器下部，采用電纜下入，封隔器在射孔段上部坐封。兩口井于2014年底投產(chǎn)，一直生產(chǎn)至今，地面未發(fā)現(xiàn)出砂或者支撐劑返排問(wèn)題。今后該項(xiàng)目的井都將采用相同的完井方法。

總結(jié)

高溫高壓井防砂篩管設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法取得了成功應(yīng)用，每個(gè)階段定義的測(cè)試條件都會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)，并確保與常見(jiàn)高溫高壓環(huán)境條件保持一致。

由于具備了進(jìn)行攜砂射流沖擊測(cè)試的能力，并充分理解和遵守了ISO對(duì)與陶瓷篩管的規(guī)范要求，3M制定出了相關(guān)測(cè)試條款，能夠確保對(duì)高溫高壓防砂篩管進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)檢測(cè)。得到的設(shè)計(jì)規(guī)格參數(shù)能夠滿足200℃作業(yè)溫度和20,000 psi井下靜態(tài)壓力下的篩管應(yīng)用要求。

該項(xiàng)新技術(shù)的取得，得益于整體項(xiàng)目管理以及與市場(chǎng)伙伴的密切協(xié)作，研究成果將有助于推動(dòng)高溫高壓防砂技術(shù)的革新。

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