泡沫金屬防砂篩管研制及性能測(cè)試

邢洪憲，張曉誠，王 堯，孟召蘭，張紀(jì)雙，張春升

（1. 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；2.中海石油天津分公司，天津 300452）

油氣井出砂會(huì)造成磨蝕井下、地面設(shè)備和工具，堵塞井眼，降低油氣井產(chǎn)量或迫使油氣井停產(chǎn)[1]。我國海上發(fā)現(xiàn)的疏松或較疏松砂巖油氣田較多，這些油氣田在開采初期就需要采取防砂措施。

海上油氣田的開發(fā)要求高速、強(qiáng)采，防砂層易被沖蝕破壞，要求防砂層強(qiáng)度高、耐沖蝕；同時(shí)，海上油氣田開發(fā)主要為定向井和水平井，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，防砂方式的選擇需考慮降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；另外，海上修井作業(yè)費(fèi)用高，這就要求防砂有效期要長，盡可能降低修井頻率。針對(duì)這些對(duì)海上油氣田防砂的要求，目前海上常用的防砂方式主要采用獨(dú)立篩管防砂和礫石充填防砂。獨(dú)立篩管防砂的作業(yè)周期短，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小，作業(yè)費(fèi)用低，對(duì)儲(chǔ)層傷害小，但篩管易被堵塞[2]和沖蝕破壞，防砂有效期較短，主要用于泥質(zhì)含量低、地層砂粒度分選好的物性較好的儲(chǔ)層；礫石充填防砂效果好，有效期長，生產(chǎn)穩(wěn)定，但作業(yè)周期長，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，作業(yè)費(fèi)用高，對(duì)儲(chǔ)層傷害大，主要用于泥質(zhì)含量高、地層砂粒度分選差、物性較差的儲(chǔ)層[3-6]。

對(duì)于物性不算太好也不算太差的儲(chǔ)層，采用現(xiàn)有的獨(dú)立篩管防砂方式失效的風(fēng)險(xiǎn)較大，而采用礫石充填的防砂方式又有些浪費(fèi)，能否研究出一種新型防砂方式，更好地滿足該類儲(chǔ)層的防砂需求，彌補(bǔ)現(xiàn)有兩種防砂方式的不足，就是本文的探討方向。

礫石充填防砂之所以效果好，得益于地層和篩管之間的礫石充填層的三維立體結(jié)構(gòu)。本文通過對(duì)同樣具有三維立體結(jié)構(gòu)的泡沫金屬材料擋砂機(jī)理的研究，研制出了一種泡沫金屬防砂篩管。通過室內(nèi)的性能測(cè)試和井下現(xiàn)場(chǎng)試用，證明泡沫金屬篩管的擋砂性能、過流能力、耐堵塞能力和耐沖蝕性能均較好，為海上油氣田的防砂提供了一種新的選擇。

1 泡沫金屬及擋砂機(jī)理

1.1 泡沫金屬材料簡(jiǎn)介

泡沫金屬（圖1）是一種金屬基體中含有一定數(shù)量、一定尺寸孔徑、一定孔隙率的金屬材料[7]。作為一種功能材料，泡沫金屬在電子、通訊、化工、冶金、機(jī)械、建筑、交通運(yùn)輸業(yè)，甚至在航空航天技術(shù)中都有著廣泛的用途[8]。由于泡沫金屬材料的內(nèi)部存在許多孔洞，孔洞的大小、多少、均勻性、連通及封閉都會(huì)影響它的性能。

泡沫金屬材料的制備工藝目前常用的有發(fā)泡法、電沉積法、粉末冶金法、滲流法[9]，泡沫金屬的制備工藝不同，所得到的泡沫金屬的產(chǎn)品質(zhì)量和成本也有差別。常用材料鋁、鎳、鐵、銅都可制備成泡沫金屬，目前不銹鋼泡沫金屬還處于試驗(yàn)階段，沒有達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的水平。

圖1 泡沫金屬材料實(shí)物圖

泡沫金屬材料因具有突出的高通透性，孔徑可調(diào)，耐磨蝕，成為理想的過濾材料。泡沫金屬過濾材料比多孔陶瓷過濾材料具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，比多孔高分子過濾材料具有更好的環(huán)境適應(yīng)性。

1.2 泡沫金屬擋砂機(jī)理

泡沫金屬材料具有三維立體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)與礫石充填層的三維結(jié)構(gòu)相類似，因此其擋砂機(jī)理同礫石充填層的擋砂機(jī)理相似，都遵循表層過濾、深層過濾、砂拱架橋規(guī)律。但二者的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式又存在不同，決定了其擋砂機(jī)理又存在一定差異。礫石充填層以顆粒為主，孔隙率較低，一般為30% ~ 35%；泡沫金屬材料的內(nèi)部孔隙形貌呈現(xiàn)多面體“籠式”結(jié)構(gòu)（圖2），以孔隙為主，孔隙率可高達(dá)80%以上。礫石充填層的礫石起擋砂功能，礫石與礫石之間的喉道是滲流通道（圖3）；泡沫金屬材料的連結(jié)筋條起擋砂功能，筋條之間結(jié)成的三維網(wǎng)狀籠式結(jié)構(gòu)則為滲流通道（圖4）。所以礫石充填層過濾容易造成喉道堵塞、過流能力下降，而泡沫金屬材料在過濾過程中孔隙不易堵塞，過流能力更好。

圖2 泡沫金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 礫石充填層擋砂機(jī)理示意圖

圖4 泡沫金屬材料擋砂機(jī)理示意圖

2 泡沫金屬篩管研制

2.1 泡沫金屬材料優(yōu)選

由于井下環(huán)境非常復(fù)雜，用作過濾介質(zhì)的泡沫金屬材料除了需要具備良好的過濾性能外，還要具備較好的耐腐蝕性能和較高的強(qiáng)度。在現(xiàn)有常用的泡沫金屬材料當(dāng)中，泡沫鐵的耐腐蝕性能較差，難以使用；泡沫銅和泡沫鋁的強(qiáng)度較差，耐腐蝕性能也不太好；泡沫鐵鎳大批量生產(chǎn)時(shí)很難形成有效合金結(jié)構(gòu)，通常鐵和鎳都以單質(zhì)形式存在，極易腐蝕且強(qiáng)度較弱；泡沫不銹鋼具有較高的強(qiáng)度，良好的耐腐蝕性能，但目前的制備工藝尚無法批量生產(chǎn)；泡沫鎳成本雖較高，但是具備一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和優(yōu)良的耐高溫腐蝕性能，尤其適合于海上稠油熱采井況，具備良好的應(yīng)用前景，所以選用泡沫鎳金屬材料作為篩管的擋砂介 質(zhì)。

2.2 泡沫金屬擋砂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海上常用防砂篩管的擋砂層厚度平均為5 mm，常用擋砂結(jié)構(gòu)呈倒置的“V”字形狀，因此，泡沫金屬篩管擋砂層的總厚度也按照5 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用外密內(nèi)疏的變孔徑結(jié)構(gòu)形式。為了滿足海上稠油熱采高采液強(qiáng)度和抗沖蝕性能的特殊要求，增加了1 mm厚度，變?yōu)? mm。

泡沫金屬材料的強(qiáng)度與體密度呈正相關(guān)性，體密度越大，強(qiáng)度越高。但是孔隙率與體密度呈負(fù)相關(guān)性，體密度越大，孔隙率越低?？紤]到泡沫金屬篩管對(duì)強(qiáng)度的要求，設(shè)計(jì)泡沫金屬擋砂層的體密度為2.5 g/cm3，該密度下的孔隙率為71.9%，約為普通礫石充填層孔隙率的兩倍。

2.3 泡沫金屬篩管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泡沫金屬篩管的三維剖面結(jié)構(gòu)如圖5所示，由內(nèi)到外依次為帶孔基管、導(dǎo)流層、擋砂層、固緊層和外護(hù)罩，各部分的特點(diǎn)如下。

（1）帶孔基管：采用螺旋布孔設(shè)計(jì)，孔眼密度高，過流能力強(qiáng)。

（2）導(dǎo)流層：引導(dǎo)儲(chǔ)層流體沿軸向和徑向方向流動(dòng)，提高篩管過流能力。

（3）擋砂層：采用高孔隙率變孔徑泡沫鎳材料，具備良好的過流性能、耐堵塞性能和耐高溫腐蝕性能。

（4）固緊層：能有效箍緊擋砂層，提高泡沫金屬篩管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度。

（5）外護(hù)罩：采用“橋式”沖縫設(shè)計(jì)，有效保護(hù)內(nèi)部泡沫金屬擋砂層，提高篩管的耐沖蝕性能。

圖5 泡沫金屬篩管結(jié)構(gòu)示意圖

3 泡沫金屬篩管室內(nèi)性能測(cè)試

3.1 擋砂精度測(cè)試

泡沫金屬作為一種三維多孔材料，其孔徑以ppi值表示，即泡沫金屬在每英寸長度上包含的孔數(shù)。當(dāng)泡沫金屬材料用作過濾用途時(shí)，氣泡法測(cè)量的結(jié)果可以較好地反映多孔體的實(shí)際過濾效果 [10]。

首先采用PBR氣泡孔徑測(cè)定儀對(duì)某種孔徑的泡沫金屬樣件進(jìn)行孔徑測(cè)定，然后再通過防砂模擬試驗(yàn)裝置對(duì)該種孔徑的泡沫金屬篩管進(jìn)行擋砂精度試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，通過試驗(yàn)儀器測(cè)得的泡沫金屬材料的孔徑與通過擋砂試驗(yàn)實(shí)測(cè)的擋砂精度數(shù)值基本吻合。

3.2 耐堵塞性能測(cè)試

針對(duì)南海西部海域的文昌13-1油田粉砂巖儲(chǔ)層，通過驅(qū)替試驗(yàn)對(duì)泡沫金屬篩管、金屬網(wǎng)布篩管和精密篩管的耐堵塞性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，泡沫金屬篩管的過流能力在初期約為金屬網(wǎng)布篩管的4倍，約為精密篩管的10倍，生產(chǎn)穩(wěn)定期后是金屬網(wǎng)布篩管的5倍（圖6）。

圖6 不同類型篩管耐堵塞性能對(duì)比測(cè)試

針對(duì)渤海海域的綏中36-1油田細(xì)砂巖儲(chǔ)層，通過驅(qū)替試驗(yàn)對(duì)泡沫金屬篩管獨(dú)立防砂和金屬網(wǎng)布篩管礫石充填防砂的耐堵塞性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，泡沫金屬篩管獨(dú)立防砂的過流能力同金屬網(wǎng)布篩管礫石充填防砂接近（圖7）。

圖7 不同防砂方式耐堵塞性能對(duì)比測(cè)試

3.3 強(qiáng)度性能測(cè)試

對(duì)所研制的泡沫金屬篩管分別進(jìn)行了抗外擠和抗內(nèi)壓強(qiáng)度測(cè)試，抗外擠強(qiáng)度超過35 MPa，抗內(nèi)壓強(qiáng)度為11.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 耐沖蝕性能測(cè)試

含砂流體對(duì)篩管的沖蝕破壞是導(dǎo)致篩管失效的一個(gè)重要因素，為了了解新研制的泡沫金屬篩管的耐沖蝕性能，對(duì)泡沫金屬篩管和海上油田常用的橋式復(fù)合篩管、星孔篩管和繞絲篩管進(jìn)行了沖蝕破壞對(duì)比測(cè)試，測(cè)試參數(shù)和各種篩管的沖蝕破壞時(shí)間見表1，測(cè)試結(jié)果表明泡沫金屬篩管具有較高的耐沖蝕性能。

表1 不同類型篩管耐沖蝕性能對(duì)比測(cè)試

3.5 耐高溫性能測(cè)試

為了了解泡沫金屬篩管在高溫環(huán)境下的擋砂精度和強(qiáng)度變化情況，將40 ppi規(guī)格的泡沫金屬篩管樣品在350 ℃高溫導(dǎo)熱油中浸泡了22天，篩管高溫試驗(yàn)前測(cè)定的擋砂精度為218.3 μm，高溫油浸試驗(yàn)后為228.3 μm，擋砂精度增加了10 μm，此變化量在誤差范圍之內(nèi)，不會(huì)影響篩管的擋砂效果。

3.6 耐腐蝕性能測(cè)試

蒸汽吞吐熱采技術(shù)是超稠油油田開發(fā)的主要技術(shù)之一，為了了解泡沫金屬篩管對(duì)熱采環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)作為擋砂介質(zhì)的泡沫金屬鎳進(jìn)行了室內(nèi)高溫腐蝕性能試驗(yàn)。試驗(yàn)采用海上某超稠油油田蒸汽吞吐熱采時(shí)的流體組分和注入及采出工藝參數(shù)，分別模擬了注熱7天、注熱21天和采出階段的三個(gè)過程，檢測(cè)出了和三個(gè)過程相對(duì)應(yīng)的泡沫金屬鎳的腐蝕速率。注熱7天時(shí)的腐蝕速率為0.000 63 g/mm3·a；注熱21天時(shí)的腐蝕速率為0.000 53 g/mm3·a；采出階段的腐蝕速率為0.000 02 g/mm3·a。由此可見，泡沫金屬鎳具有良好的耐腐蝕性能[11]和對(duì)350 ℃高溫蒸汽吞吐熱采工藝的適應(yīng)性。

4 泡沫金屬篩管現(xiàn)場(chǎng)試用

3-1/2″泡沫金屬篩管在勝利油田的某稠油井進(jìn)行了試用，日產(chǎn)液量54 m3，生產(chǎn)動(dòng)液面比下入泡沫金屬篩管前恢復(fù)130 m，達(dá)到了防砂提液的目的，累計(jì)采液8 713 m3，最高采液強(qiáng)度達(dá)到了7.7 m3/ （d·m），驗(yàn)證了泡沫金屬篩管良好的擋砂、過流、耐堵塞和耐沖蝕性能。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)具有三維立體結(jié)構(gòu)的泡沫金屬材料擋砂機(jī)理的研究，研制出了一種泡沫金屬防砂篩管。

（2）通過室內(nèi)性能測(cè)試和井下現(xiàn)場(chǎng)試用，證明了泡沫金屬篩管的擋砂性能、過流能力、耐堵塞能力和耐沖蝕性能均較好，為海上油氣田的防砂提供了一種新的選擇。

（3）泡沫金屬擋砂層的體密度2.5 g/cm3有些偏高，增加了篩管成本和加工難度，在保證篩管強(qiáng)度的情況下，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。