形狀記憶聚合物在防砂中的應(yīng)用

孔德濤，宋吉明，閻興濤，陳 旭

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，廣東 深圳 518054）

世界范圍內(nèi)，超過70%的油氣藏會(huì)受到出砂的影響[1-3]，油井出砂會(huì)磨損井下工具，堵塞井筒，降低產(chǎn)能，甚至使油井報(bào)廢[4-7]。通常，對(duì)于易出砂的油井需要進(jìn)行防砂作業(yè)，延長油井壽命，而如何進(jìn)行有效的防砂也成為業(yè)界的一大挑戰(zhàn)。

防砂完井工藝，基本可分為兩種，（1）下入不同類型的篩管進(jìn)行獨(dú)立防砂[8]，（2）下入篩管后進(jìn)行礫石充填，而礫石充填是目前公認(rèn)的進(jìn)行油井防砂的一種最為有效的完井方式[9-11]，并已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，但礫石充填發(fā)展至今仍然有許多無法解決的缺陷，包括工藝復(fù)雜，作業(yè)難度大，耗費(fèi)時(shí)間長，作業(yè)中易產(chǎn)生充填缺陷而導(dǎo)致作業(yè)失敗等，雖然優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理施工能夠一定程度降低礫石充填失敗的概率，但其固有的缺陷已無法再通過工藝的改進(jìn)進(jìn)行解決。

20世紀(jì)80年代熱致型形狀記憶聚合物被發(fā)現(xiàn)[12-13]，并逐漸被應(yīng)用于石油工程領(lǐng)域[14-16]，用形狀記憶聚合物制作成的篩管可以實(shí)現(xiàn)與獨(dú)立篩管防砂一致的作業(yè)方式，并達(dá)到礫石充填作業(yè)的效果，這是一種顛覆性的技術(shù)進(jìn)步，徹底改變了防砂領(lǐng)域的規(guī)則，隨著技術(shù)的成熟與完善，成本的不斷降低，形狀記憶聚合物篩管有望最終完全取代礫石充填完井工藝。

1 形狀記憶材料在石油工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

材料在受到外界某種刺激后，可發(fā)生形狀的改變并經(jīng)過定型處理后撤去外界刺激，當(dāng)再次受到外界的刺激后可恢復(fù)到初始的形態(tài)，這種現(xiàn)象就是形狀記憶效應(yīng)，而可產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)的材料就是形狀記憶材料[17-22]。形狀記憶材料一般可分為三種類型，形狀記憶金屬、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物。在石油工程領(lǐng)域，形狀記憶金屬通常可用來制作封隔器、各類管接頭等金屬部件，前人對(duì)形狀記憶合金在石油工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行過詳細(xì)歸納總結(jié)[23]，并提出了一些亟待解決的問題，為形狀記憶金屬在石油工程領(lǐng)域內(nèi)的持續(xù)發(fā)展指出了方向；形狀記憶陶瓷的形變量較小且材料易碎，這些都限制了其在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用，但其具有耐高溫的特性，可用于高溫形狀記憶裝置的制作[17]，可利用這一特性加強(qiáng)其在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用拓展；形狀記憶聚合物具有密度小、質(zhì)量輕、形變量大、易成型、耐腐蝕等特點(diǎn)，在石油工程領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，可用于堵漏劑、膨脹水泥、壓裂支撐劑以及壓裂轉(zhuǎn)向劑等，而將形狀記憶聚合物進(jìn)行發(fā)泡處理制作而成的多孔型或泡沫型形狀記憶聚合物[24-26]，由于其多孔隙性、較高的滲透性、較強(qiáng)的機(jī)械性能[27-32]，是理想的制作篩管的材料，可在其壓縮狀態(tài)下將其下入井內(nèi)，在井內(nèi)膨脹后恢復(fù)其原始特性并提供穩(wěn)定的井壁支撐，從而替代了礫石充填材料。

貝克休斯的專利防砂系統(tǒng)將形狀記憶聚合物工業(yè)化應(yīng)用于防砂領(lǐng)域[33-36]，其各項(xiàng)性能居于世界先進(jìn)水平。國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)的研究與應(yīng)用都鮮見報(bào)道，有人曾試制了形狀記憶篩管簡(jiǎn)易試件，并通過自制的評(píng)價(jià)裝置對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行了測(cè)試，包括膨脹性能、滲透率、擋砂精度等[37-38]，但其制備的試樣僅僅能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的模擬測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也僅僅是簡(jiǎn)易井況下的膨脹試驗(yàn)，遠(yuǎn)未達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水平。因此，相關(guān)技術(shù)的引進(jìn)、吸收與消化并加速自主研發(fā)迫在眉睫。

2 形狀記憶聚合物篩管原理

形狀記憶篩管在生產(chǎn)時(shí)，首先選擇外徑略大于裸眼直徑的形狀記憶聚合物材料，將材料加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上并壓縮至一個(gè)較小的外徑后冷卻定型為篩管模塊，入井前將定型后的模塊組裝到基管上，下入到位后，將活化液泵入井內(nèi)，活化液可暫時(shí)性的將形狀記憶聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低至井底溫度以下，從而使其膨脹恢復(fù)至與裸眼貼合狀態(tài)，之后將活化液排替出井，聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于井底溫度后篩管定型，由于原始狀態(tài)的篩管直徑大于裸眼直徑，所以井底定型后的篩管可完全貼合裸眼并可提供一定大小的徑向支撐力，從而保證了井壁的穩(wěn)定，整個(gè)過程見圖1。

圖1 形狀記憶聚合物篩管原理

3 貝克休斯形狀記憶聚合物篩管模塊結(jié)構(gòu)

貝克休斯形狀記憶聚合物篩管模塊的結(jié)構(gòu)見圖2，包括內(nèi)護(hù)套、編織層、外護(hù)套以及形狀記憶聚合物層，內(nèi)外護(hù)套為篩管提供了抗內(nèi)壓和抗外擠強(qiáng)度，編織層相當(dāng)于增加了一層防砂層，可以看到，除去外部的形狀記憶聚合物防砂層后，內(nèi)部相當(dāng)于一套簡(jiǎn)易篩管結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了擋砂精度，并為形狀記憶聚合物層提供了支撐。

圖2 形狀記憶聚合物篩管模塊結(jié)構(gòu)圖

4 形狀記憶聚合物篩管孔隙結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)礫石充填所用材料的尺寸通常依賴于地層粒徑分布曲線進(jìn)行選擇[39]，所形成的充填層為均勻顆粒組成的實(shí)心層，顆粒間的喉道為填充層提供了滲透性，不同于傳統(tǒng)礫石充填，形狀記憶聚合物膨脹后的結(jié)構(gòu)為空心單元網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并具有大小不一的多重流道（圖3），其滲透率超過30 D，這種結(jié)構(gòu)僅允許小于44 μm 的地層砂通過從而有效避免了砂堵，并且與石油鉆完井、修井中的幾乎所有工作液相匹配。形狀記憶聚合物的結(jié)構(gòu)特性使其完全不用考慮地層砂粒徑的大小，做到了一種產(chǎn)品能適用于所有地層，從而簡(jiǎn)化了防砂前期的準(zhǔn)備工作。

圖3 形狀記憶聚合物篩管孔隙結(jié)構(gòu)與礫石充填對(duì)比

貝克休斯形狀記憶聚合物篩管技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 貝克休斯形狀記憶聚合物篩管技術(shù)參數(shù)表

5 作業(yè)中不同液體對(duì)形狀記憶聚合物的影響

篩管膨脹的速率受到井底溫度、完井液類型和活化液濃度等多種因素的影響，所用活化液需要根據(jù)油藏物性以及所需的膨脹時(shí)間進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，一般情況下，活化液通常由基液和活化劑構(gòu)成，基液可由鹽水、鉆開液或破膠劑等工作液構(gòu)成。對(duì)于井底溫度高于38 ℃的情況，活化劑通常使用乙酰丙酮；對(duì)于井底溫度低于21 ℃的情況，活化劑通常使用DE 醋酸酯。當(dāng)使用乙酰丙酮作為活化劑時(shí)，至少應(yīng)浸泡12～24 h，對(duì)于DE 醋酸酯，浸泡時(shí)間應(yīng)至少在24～36 h。

大部分常見的油田化學(xué)品和流體已經(jīng)經(jīng)過測(cè)試并確認(rèn)了與形狀記憶聚合物的配伍性，然而，一些芳烴和兩性溶劑可能會(huì)暫時(shí)性改變形狀記憶聚合物的特性，因此應(yīng)審查完工后的化學(xué)處理程序以確保配伍性。

在修井的情況下，應(yīng)避免形狀記憶聚合物長時(shí)間暴露在高濃度溶劑中，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的影響。常見的溶劑可以包括醇類、酮類、乙二醇醚類和酯類等。

6 與礫石充填作業(yè)的對(duì)比

常規(guī)礫石充填作業(yè)，根據(jù)作業(yè)難度的不同，通常需要5 至10 人共同完成，而下入形狀記憶聚合物篩管僅需要2 到3 人即可完成作業(yè)。在作業(yè)天數(shù)上，常規(guī)礫石充填在10 至30 天完成，形狀記憶聚合物篩管僅5 天左右即可完成。

形狀記憶聚合物篩管可下入超長大位移、多分支、上翹型、正弦型井內(nèi)，而通常這些井型都是礫石充填所難以完成的。

此外，形狀記憶聚合物篩管還可以和裸眼封隔器、ICD 控水篩管以及各類型滑套配合使用，大大增強(qiáng)了靈活性，為實(shí)現(xiàn)油井產(chǎn)量和壽命的最大化提供了條件。

7 應(yīng)用案例

日本分別在2013年和2017年進(jìn)行了兩次天然氣水合物試采[40-41]，2013年的第一次試采中盡管使用了較為成熟的礫石充填完井工藝，但仍然在試采的第6 天由于出砂嚴(yán)重導(dǎo)致試采中斷，2017年的第二次試采中采用了形狀記憶聚合物防砂系統(tǒng)，第二口試采井采用井下膨脹的方式，解決了出砂問題并將試采時(shí)間提高至了24 天，此次試采中，對(duì)比礫石充填，形狀記憶聚合物篩管展示出了在防砂方面的明顯優(yōu)勢(shì)。

2020年俄羅斯薩哈林近海地區(qū)，形狀記憶聚合物篩管被成功下入到一口超長大位移分支井中，由于油藏屬于超細(xì)粉砂巖且破裂壓力梯度較低，加之位于邊遠(yuǎn)區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)資源和平臺(tái)空間都非常有限，進(jìn)行礫石充填幾乎是不可能的，而此層位又被認(rèn)為必須要進(jìn)行礫石充填，最終采用形狀記憶聚合物篩管使其防砂作業(yè)成為可能并節(jié)約了成本。

2020年在印度尼西亞的一口深水井作業(yè)中，形狀記憶聚合物篩管配合裸眼封隔器，并通過上部的智能完井，實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有不同厚度多層位的分層開采，不僅替代了多層礫石充填作業(yè)，還實(shí)現(xiàn)了分層控水生產(chǎn)。

截至2020年底，貝克休斯的形狀記憶聚合物專利防砂系統(tǒng)已在多國部署，下入量逐年上升，其替代礫石充填的趨勢(shì)也漸漸凸顯。目前，限制其大規(guī)模應(yīng)用的仍然是成本因素，現(xiàn)階段只有當(dāng)采用此系統(tǒng)節(jié)約的成本遠(yuǎn)優(yōu)于礫石充填的情況下，油田公司才會(huì)考慮方案的替換，但隨著下入量的不斷增長，產(chǎn)品的普及，將不斷降低成本，有望最終優(yōu)于礫石充填而將其取代。

8 結(jié)論

以形狀記憶聚合物為技術(shù)基礎(chǔ)制成的形狀記憶聚合物篩管，對(duì)比傳統(tǒng)的防砂完井工藝，具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括節(jié)約作業(yè)時(shí)間，節(jié)約大量的人力，施工簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)等。

目前只有貝克休斯公司擁有形狀記憶聚合物篩管的專利產(chǎn)品，其他國外相關(guān)公司以及國內(nèi)都沒有類似產(chǎn)品，國內(nèi)更是空白領(lǐng)域，應(yīng)加快引進(jìn)吸收，在必要的情況下，進(jìn)行若干口井的應(yīng)用試驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為自主研發(fā)建立基礎(chǔ)。

礫石充填完井技術(shù)由于工藝成熟以及成本優(yōu)勢(shì)，在一定時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)占據(jù)主流，但必定會(huì)隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展而逐漸退出歷史舞臺(tái)，面對(duì)這一趨勢(shì)，我們必須要做好充分的準(zhǔn)備，不要等到國外公司完全占領(lǐng)技術(shù)的制高點(diǎn)及市場(chǎng)后才后知后覺。