多孔泡沫金屬在防砂篩管應(yīng)用中結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)優(yōu)化

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(海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

疏松砂巖油氣藏在我國(guó)有著廣泛的分布[1-2]，此類儲(chǔ)層巖石膠結(jié)強(qiáng)度低，受原油黏度高及儲(chǔ)層含水率上升等因素影響，極易容易出砂，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致油井躺井停產(chǎn)。油田常用的防砂方式主要包括獨(dú)立篩管防砂和礫石充填防砂[3]。獨(dú)立篩管防砂因其施工工藝簡(jiǎn)單、成本低而得到廣泛應(yīng)用。獨(dú)立篩管(機(jī)械防砂篩管)主要有繞絲篩管、割縫襯管、金屬網(wǎng)布篩管和金屬氈(棉)篩管等[4]。獨(dú)立篩管防砂雖然應(yīng)用廣泛，但在原油黏度高、高泥質(zhì)含量及地層砂分布不均勻的儲(chǔ)層中非常容易被堵塞，而產(chǎn)生沖蝕刺漏破壞，因此防砂有效期不長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)常規(guī)防砂篩管的堵塞試驗(yàn)研究也較多，如董長(zhǎng)銀等[5]研究了生產(chǎn)時(shí)間、出砂速度、原油黏度等因素對(duì)篩管堵塞程度的影響，揭示了堵塞過(guò)程的機(jī)理。礫石充填防砂有效期雖長(zhǎng)，但施工周期長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)高，綜合費(fèi)用高等因素限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。隨著油氣田大規(guī)模開(kāi)發(fā)與降本增效要求，對(duì)特種防砂篩管的應(yīng)用需求日益迫切。

多孔泡沫金屬具有突出的高通透性，立體多層三維結(jié)構(gòu)，具有可調(diào)孔徑、耐磨、耐腐蝕等性能，是理想的過(guò)濾材料[6-7]。該材料體內(nèi)包含著大小不一的氣孔，兩者混合存在，孔隙率可以達(dá)到80%以上；孔徑在0.05～10 mm可調(diào)；孔徑的均勻度比較高。已經(jīng)在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展十分迅速[8]。針對(duì)泡沫金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用其作為擋砂介質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種特種泡沫金屬篩管。目前，業(yè)內(nèi)對(duì)泡沫金屬篩管防砂技術(shù)的介紹和研究較少，高斌等[9]研究了泡沫金屬篩管常規(guī)的擋砂性能及抗沖蝕性能等；孫金等[10]研究了不同泥質(zhì)含量、篩管精度對(duì)泡沫金屬篩管堵塞性能的影響。但還沒(méi)有看到關(guān)于泡沫金屬篩管擋砂介質(zhì)的結(jié)構(gòu)排布、厚度比等參數(shù)影響篩管擋砂性能的研究報(bào)道。

1 泡沫金屬篩管

1.1 泡沫金屬

泡沫金屬篩管是利用多孔泡沫金屬作為擋砂介質(zhì)開(kāi)發(fā)而成的一種完井防砂篩管。泡沫金屬材料采用泡沫鎳制備。泡沫金屬主要的制備工藝有鑄造法、粉末冶金法、金屬沉積法、燒結(jié)法等[11]。制備工藝不同，產(chǎn)生的泡沫金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，其材料的物性性能參數(shù)也不相同。本文應(yīng)用的泡沫金屬是采用金屬沉積法制備而成，是以聚氨酯泡沫塑料為骨架，以純鎳為制備原料，先進(jìn)行導(dǎo)電化預(yù)處理，再經(jīng)化學(xué)鍍和電鍍制得多孔金屬材料，最后將多孔金屬材料進(jìn)行高溫氧化，還原工序，去掉聚氨酯泡沫基體，獲得成品泡沫金屬[12]。如圖1所示。由金屬沉積法所獲得的多孔泡沫金屬的主要特點(diǎn)是孔連通率可達(dá)到98%，孔隙率高達(dá)80%以上，具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這類多孔金屬材料是一種性能優(yōu)異的功能結(jié)構(gòu)材料，非常適合作為防砂篩管的過(guò)濾材料。

圖1 泡沫金屬三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

在完井防砂篩管擋砂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了提高篩管的過(guò)流抗堵性能，通常將過(guò)濾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成“外密內(nèi)疏”的漸開(kāi)口結(jié)構(gòu)，確保進(jìn)入擋砂層的儲(chǔ)層固相顆粒能順利通過(guò)篩管，避免卡在擋砂層內(nèi)部過(guò)早的產(chǎn)生堵塞。常用繞絲篩管結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 繞絲篩管結(jié)構(gòu)示意

將泡沫金屬設(shè)計(jì)成變孔徑抗堵結(jié)構(gòu)，確保地層固相顆粒進(jìn)入篩管后能順利排出，如圖3所示。

圖3 泡沫金屬變孔徑結(jié)構(gòu)

1.2 防砂篩管結(jié)構(gòu)

以變孔徑泡沫金屬作為擋砂層設(shè)計(jì)的篩管如圖4所示。

圖4 泡沫金屬篩管結(jié)構(gòu)示意

防砂篩管的擋砂性能取決于擋砂層的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)。本文主要對(duì)泡沫金屬開(kāi)展擋砂效果試驗(yàn)評(píng)價(jià)，優(yōu)化確定其規(guī)格參數(shù)，最大程度滿足油氣田開(kāi)發(fā)的需求。

2 泡沫金屬參數(shù)試驗(yàn)優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)室內(nèi)擋砂介質(zhì)驅(qū)替模擬試驗(yàn)，對(duì)比“外密內(nèi)疏”變孔徑材料與均一孔徑材料的擋砂效果，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及適用性；同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中的壓力、流量及出砂量等參數(shù)探究擋砂介質(zhì)(泡沫金屬)不同的孔徑厚度比的擋砂效果，優(yōu)選出合適的擋砂介質(zhì)厚度比，為優(yōu)化防砂篩管擋砂層結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)條件

按照設(shè)計(jì)要求，將泡沫金屬切割成?38 mm的試體樣件。試驗(yàn)在室溫20 ℃下進(jìn)行；驅(qū)替液體采用2% KCL鹽水(KCl對(duì)粘土水化的抑制作用較強(qiáng)，是水敏性地層最為理想的無(wú)固相清潔鹽水)；驅(qū)替排量為10、 50 、100 、170 mL/min；試驗(yàn)用砂采用人工混配的模擬地層砂。經(jīng)調(diào)研，常用防砂篩管的濾砂件擋砂層厚度平均為5 mm，本次對(duì)新開(kāi)發(fā)的泡沫金屬擋砂層的總厚度也按照5 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)。樣件清單如表1。

表1 泡沫金屬樣件清單

表1(續(xù))

注：衡量多孔泡沫金屬材料的疏密程度主要以PPI值確定， PPI值是指泡沫塑料或泡沫金屬在任意方向每英寸長(zhǎng)度上包含的孔數(shù)。PPI值越大，包含孔數(shù)越多，對(duì)應(yīng)孔徑就越小，反之就越大。

2.3 試驗(yàn)裝置及流程

室內(nèi)擋砂介質(zhì)擋砂效果驅(qū)替模擬試驗(yàn)裝置包括恒流驅(qū)替泵、中間容器、填砂管、壓力計(jì)、流量計(jì)等。如圖5所示。

1—恒流驅(qū)替泵； 2—中間容器； 3—閥門；4—壓力表；5—填砂管； 6—壓力傳感器； 7—調(diào)壓閥； 8—計(jì)量管。

試驗(yàn)時(shí)向填砂管中加入模擬地層砂，KCl鹽水驅(qū)替液經(jīng)恒流驅(qū)替泵，通過(guò)中間容器，以設(shè)定的排量進(jìn)入填砂管，形成均勻的軸向流，填砂管內(nèi)一部分固相顆粒被驅(qū)替液通過(guò)擋砂介質(zhì)攜帶出來(lái)，在計(jì)量管通過(guò)固液分離可得到出砂量，絕大部分地層砂仍堆積在填砂管內(nèi)，在擋砂介質(zhì)的表面形成固相帶，進(jìn)一

步堵塞防砂介質(zhì)。

試驗(yàn)流程如下：

1) 將備好的泡沫金屬樣件裝入填砂管內(nèi)，均勻孔徑材料無(wú)方向要求，變孔徑材料的小孔徑面與模擬砂接觸朝進(jìn)液端放置，大孔徑的朝出液端方向放置。

2) 將配置好的模擬地層砂裝進(jìn)內(nèi)徑38 .0 mm(1.5英寸)的填砂管內(nèi)，對(duì)樣品進(jìn)行飽和60 min。

3) 連接流程，試驗(yàn)流量按照設(shè)計(jì)的泵速(10、 50 、100、170 mL/min)進(jìn)行均勻驅(qū)替。試驗(yàn)過(guò)程中觀察儀表及試驗(yàn)動(dòng)態(tài)，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的壓力、流量；收集驅(qū)替出的液體，直至驅(qū)出液體無(wú)雜質(zhì)且驅(qū)替壓力穩(wěn)定后停止試驗(yàn)。

4) 將試驗(yàn)過(guò)程中驅(qū)替出的液體依次收集起來(lái)，進(jìn)行固液分離、烘干稱重。

5) 依次按照以上試驗(yàn)步驟完成其他類型不同厚度比樣件的試驗(yàn)。

6) 試驗(yàn)結(jié)束后，按照安全環(huán)保要求將模擬液、模擬砂分別收集到指定的容器內(nèi)，進(jìn)行回收處理。試驗(yàn)過(guò)程中部分圖片如6所示。

圖6 試驗(yàn)過(guò)程中部分圖片

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 變孔徑/均勻孔徑試驗(yàn)

采用編號(hào)為PMJS-1、PMJS-2、PMJS-3、PMJS-4的泡沫金屬樣件，進(jìn)行排量分別為10、 50、100 mL/min的擋砂介質(zhì)擋砂試驗(yàn)，其排量與驅(qū)替壓差關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 變孔徑/均勻孔徑不同排量與驅(qū)替壓差關(guān)系曲線

由圖7可知，驅(qū)替試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)驅(qū)替壓差較小，說(shuō)明此時(shí)擋砂介質(zhì)未發(fā)生堵塞；隨著驅(qū)替時(shí)間和排量的增加，驅(qū)替壓差均呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，說(shuō)明模擬砂中的固相顆粒在驅(qū)替液的攜帶下逐漸堵塞了擋砂介質(zhì)。壓力升高的過(guò)程反映了樣件堵塞的過(guò)程。在設(shè)計(jì)的驅(qū)替排量下，PMJS-2樣件的驅(qū)替壓差均小于PMJS-1，說(shuō)明變孔徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)樣件的過(guò)流抗堵塞能力要優(yōu)于均勻孔徑的結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了變孔徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)越性，且隨著排量的增大驅(qū)替壓差差值也變大，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)越明顯。同理分析，PMJS-4樣件在不同排量下的驅(qū)替壓差均小于PMJS-3，近一步驗(yàn)證了變孔徑結(jié)構(gòu)具備更好的抗堵優(yōu)越性。從圖7也可看出，PMJS-1、PMJS-2的驅(qū)替曲線均位于PMJS-3、PMJS-4的下方，對(duì)照樣件參數(shù)表得出，同樣驅(qū)替條件下?lián)跎敖橘|(zhì)內(nèi)部孔徑的大小是決定篩管過(guò)流能力的主要因素，大孔徑樣件流通能力要優(yōu)于小孔徑樣件，抗堵塞效果就更好。因此，在滿足防砂效果的前提下，應(yīng)優(yōu)先選擇大孔徑的擋砂材料，這樣可進(jìn)一步釋放油井產(chǎn)能。

3.2 不同孔徑厚度比

目前常用類型防砂篩管過(guò)濾層厚度為5 mm左右。為此，在5 mm材料厚度基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了2.5︰2.5、2︰3、1.5︰3.5三種厚度比進(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn)，進(jìn)一步探究不同厚度比與擋砂能力之間的關(guān)系，并綜合驅(qū)替壓差、排量與出砂量等參數(shù)，確定泡沫金屬最優(yōu)厚度比。

采用編號(hào)為PMJS-5～PMJS-10不同型號(hào)樣件分別進(jìn)行了170 mL/min大排量下的驅(qū)替擋砂試驗(yàn)，并對(duì)出砂量進(jìn)行分離烘干稱重。試驗(yàn)過(guò)程中驅(qū)替排量、出砂量統(tǒng)計(jì)如表2。不同厚度比下樣件排量與驅(qū)替壓差對(duì)比如圖8所示。不同厚度比下樣件排量穩(wěn)定后出砂量對(duì)比如圖9所示。

表2 不同厚度比泡沫金屬樣件驅(qū)替穩(wěn)定后壓差和出砂量統(tǒng)計(jì)

圖8 兩種型號(hào)不同厚度比泡沫金屬樣件驅(qū)替穩(wěn)定后壓差對(duì)比

圖9 兩種型號(hào)不同厚度比泡沫金屬樣件驅(qū)替穩(wěn)定后出砂量對(duì)比

由圖8可看出，試驗(yàn)穩(wěn)定后厚度比增加對(duì)應(yīng)的驅(qū)替壓差也變大，說(shuō)明了樣件中小孔徑材料厚度比增大阻礙了擋砂介質(zhì)的過(guò)流能力，固相顆粒在小孔徑內(nèi)卡滯的可能性增大，介質(zhì)發(fā)生堵塞的可能性增大。由PMJS-5、PMJS-6、PMJS-7試驗(yàn)壓差均低于PMJS-8、PMJS-9、PMJS-10的驅(qū)替壓差得出，介質(zhì)孔徑大小是決定篩管過(guò)流能力的首要因素，孔徑越大，過(guò)流能力越強(qiáng)，但通過(guò)介質(zhì)的出砂量也有增多的風(fēng)險(xiǎn)；反之發(fā)生堵塞的可能性就越大。

由圖9可看出，樣件厚度比為1.5︰3.5的兩組數(shù)據(jù)出砂量約是其他厚度比樣件出砂量的2.5～2.8倍，另兩種厚度比出砂量相差則不明顯，其原因是小孔徑泡沫層厚度較薄，形不成有效的擋砂層內(nèi)部阻攔結(jié)構(gòu)，不具備砂粒架橋的物質(zhì)條件，試驗(yàn)砂體內(nèi)部固相顆粒在驅(qū)替液的攜帶下容易通過(guò)擋砂介質(zhì)排出來(lái)，過(guò)流效果明顯，這也解釋了小厚度比擋砂介質(zhì)驅(qū)替壓差較低的原因。對(duì)于2︰3、2.5︰2.5兩種厚度比，樣件其出砂量相差較小，但驅(qū)替壓差相差0.2～0.3 MPa，說(shuō)明增加小孔徑金屬的厚度比完善了泡沫材料內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)，可以顯著提高介質(zhì)的控砂效果。綜合考慮驅(qū)替壓差、出砂量及排量等因素，優(yōu)選厚度比為2︰3的變孔徑設(shè)計(jì)最適合油氣田開(kāi)發(fā)要求。

4 結(jié)論

1) 擋砂介質(zhì)(即泡沫金屬)孔徑排布形式對(duì)擋砂性能有直接影響。同等驅(qū)替試驗(yàn)條件下“外密內(nèi)疏”的變孔徑結(jié)構(gòu)樣件，驅(qū)替壓差要小于均勻孔徑的結(jié)構(gòu)樣件；且隨著驅(qū)替排量增大，這種優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)更加明顯。表明變孔徑結(jié)構(gòu)的過(guò)流能力要優(yōu)于均勻孔徑結(jié)構(gòu)，更有利于儲(chǔ)層中細(xì)微固相顆粒的排出，發(fā)生篩管堵塞的可能性就大大降低，直接表現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的油井生產(chǎn)壓差變小，可進(jìn)一步釋放油井產(chǎn)能，降低油井開(kāi)發(fā)成本。

2) 基于變孔徑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，綜合考慮驅(qū)替排量、驅(qū)替壓差與出砂量等因素，厚度比為2︰3的變孔徑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更適合油氣田的開(kāi)發(fā)要求。大孔徑的樣件材料的過(guò)流抗堵能力要好，尤其在稠油、超稠油開(kāi)采中，在滿足油田控砂前提下，盡量放大擋砂介質(zhì)的孔徑參數(shù)，達(dá)到穩(wěn)油上產(chǎn)的目的。