形狀記憶篩管自充填防砂完井技術(shù)

段友智 ， 艾 爽 ， 劉歡樂 ， 岳 慧

（1. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2. 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101）

目前，獨立篩管防砂完井技術(shù)和礫石充填防砂完井技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛[1-4]。篩管完井具有不用射孔、試油工藝簡單的優(yōu)點，但修井作業(yè)難度大、易污染油層。礫石充填完井是先下入獨立篩管，隨后下入充填管柱，通過地面泵送攜砂液實現(xiàn)井眼環(huán)空的充填，具有防坍塌、耐沖蝕和防砂有效期長等優(yōu)勢，但存在施工工藝復(fù)雜、易砂堵和充填長度受限等不足。因此，提出了形狀記憶篩管防砂完井技術(shù)，只需下入一趟管柱將處于壓縮狀態(tài)的形狀記憶篩管送入井底，利用地層溫度激發(fā)篩管膨脹，實現(xiàn)充填環(huán)空、支撐井壁和過流擋砂的功能。形狀記憶篩管防砂完井的充填長度不受限制[5-6]，能夠以獨立篩管的完井工藝達(dá)到礫石充填的完井效果[7-8]，大幅縮短施工周期和減少地面配套裝置，可用于長水平段水平井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井及海上平臺等井場條件受到限制油氣井的防砂完井，應(yīng)用前景廣泛[9-10]。為此，筆者設(shè)計了形狀記憶篩管的機械結(jié)構(gòu)，研制了國內(nèi)首支形狀記憶篩管樣機，利用室內(nèi)性能評價裝置優(yōu)化了篩管材料體系，配套了形狀記憶篩管防砂完井工藝，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，驗證了形狀記憶篩管自充填防砂完井技術(shù)的可行性和適用性。

1 形狀記憶篩管結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工

形狀記憶篩管防砂完井技術(shù)的核心是溫敏性形狀記憶篩管，其結(jié)構(gòu)包括打孔基管、側(cè)流保護(hù)套、形狀記憶材料及可溶保護(hù)涂層（見圖1）。其中，最內(nèi)層是φ88.9 mm 打孔基管，圓孔在管體上呈螺旋式分布，孔徑、孔密可調(diào)；第二層側(cè)流保護(hù)套是由不銹鋼材料316L 和鎳合金編織的橋式金屬濾網(wǎng)，可提高過流面積、降低篩管堵塞概率；第三層是壓縮態(tài)溫敏性形狀記憶材料，在特定溫度下激發(fā)可以發(fā)生膨脹，緊貼套管內(nèi)壁或者裸眼井壁；最外層是可溶保護(hù)材料，可防止入井過程中篩管提前膨脹，降低下入風(fēng)險。設(shè)計基于φ88.9 mm 基管的形狀記憶篩管，長度9.80 m，膨脹前最大外徑133.0 mm，膨脹后外徑190.0 mm，適用于φ152.4 mm 裸眼井防砂完井。

圖 1 形狀記憶篩管的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of shape memory screen

形狀記憶篩管的核心部件是形狀記憶材料。對不同形狀記憶材料的記憶溫度、變形能力、恢復(fù)力、耐水解、耐酸堿和成本等方面進(jìn)行比較，優(yōu)選了綜合性能優(yōu)異的形狀記憶聚氨酯作為形狀記憶材料的原料[11-17]。通過優(yōu)化單體配比，制得了形變溫度60～91 ℃的形狀記憶聚氨酯，可滿足不同深度儲層完井的需求。

將研制的形狀記憶聚氨酯及其他成分組成的混合物料按照一定的充填系數(shù)注入發(fā)泡裝置，使材料在密閉的模具內(nèi)發(fā)泡，當(dāng)其膨脹到充滿模腔時，由于模腔的束縛，模具內(nèi)壓力提高，材料逐漸固化，得到規(guī)定尺寸和結(jié)構(gòu)的原始態(tài)形狀記憶材料。對成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，使成型后的原始態(tài)形狀記憶材料均質(zhì)性好，機械強度高，無需進(jìn)行后固化。

設(shè)計加工了澆注成型后的原始態(tài)形狀記憶材料心軸脫除裝備，在內(nèi)孔結(jié)構(gòu)保持完整的狀態(tài)下，可快速脫除原始態(tài)形狀記憶材料澆注成型時形成中心孔的心軸。研制了原始態(tài)形狀記憶材料夾具及內(nèi)孔處理工裝，可實現(xiàn)長度2.00 m 的圓筒形原始態(tài)形狀記憶材料內(nèi)孔的去皮及尺寸修正，修正后的尺寸規(guī)則、利于壓縮。

原始態(tài)形狀記憶材料受熱刺激軟化后，在恒定應(yīng)力下變形，其形狀隨著溫度降低而固定，稱為變形態(tài)[18]。為適用φ152.4 mm 井眼的完井要求，將外徑190.0 mm、內(nèi)徑90.0 mm 的原始態(tài)形狀記憶材料壓縮為外徑133.0 mm、內(nèi)徑88.0 mm 的變形態(tài)形狀記憶材料，以便研制篩管。其技術(shù)難點為：為了確保完井管柱安全下入及完井后對環(huán)空的密實充填，原始態(tài)形狀記憶材料必須在體積被壓縮為原始體積的1/4 后仍然為規(guī)則的圓形，且可在充填環(huán)空后恢復(fù)為原始態(tài)。為此，研發(fā)了18 瓣式形狀記憶材料壓縮定型裝備。該裝備的曲柄滑塊機構(gòu)及四連桿機構(gòu)連接的18 瓣壓條呈周向分布，液壓工作站驅(qū)動9 個液缸對18 瓣壓條進(jìn)行徑向壓縮。原始態(tài)（壓縮前）和變形態(tài)（壓縮后）形狀記憶材料試樣如圖2 所示。

圖 2 不同狀態(tài)的形狀記憶材料試樣Fig. 2 Prototypes of shape memory materials in different states

最后，將變形態(tài)形狀記憶材料套在裝有側(cè)流保護(hù)套的打孔基管上，形狀記憶材料之間通過連接環(huán)連接，端部用端環(huán)固定，形成形狀記憶篩管。

2 形狀記憶篩管性能評價

為了評價形狀記憶篩管性能，研發(fā)了全尺寸形狀記憶防砂篩管性能評價試驗裝置，可實時、定量監(jiān)測形狀記憶篩管試樣在膨脹過程和膨脹后的試驗參數(shù)，評價不同體系形狀記憶篩管的膨脹性能、滲流性能和擋砂性能，據(jù)此對形狀記憶材料配方和篩管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。其中，模擬井筒的內(nèi)徑為152.4 mm，形狀記憶篩管的外徑為133.0 mm。

一組典型的形狀記憶篩管試樣的膨脹過程如圖3 所示。從圖3 可以看出，形狀記憶篩管試樣開始膨脹時的溫度為42 ℃，膨脹到位的溫度為62 ℃。從膨脹過程上看，膨脹速率小于1.6 mm/h，即便在62 ℃條件下，最后的3.0 mm 也需要12 h 才能膨脹到位，給形狀記憶篩管入井提供了充足的施工時間。同時，由于原始態(tài)形狀記憶材料的外徑遠(yuǎn)大于井筒，形狀記憶篩管在膨脹到位后仍具有繼續(xù)膨脹能力，因此可以在裸眼井中進(jìn)行應(yīng)用。

圖 3 形狀記憶篩管的膨脹過程曲線Fig. 3 Expansion process curve of shape memory screen

制作了不同配方的形狀記憶篩管試樣38 套，進(jìn)行了激發(fā)膨脹啟動溫度、不同溫度梯度對膨脹速率的影響、環(huán)空充填率等功能性模擬試驗及充填完成后的滲透率、擋砂精度和抗堵塞等48 組性能測試試驗。結(jié)果表明，形狀記憶篩管試樣采用溫度激發(fā)膨脹后的外徑圓整度高，外形恢復(fù)率大于90%，可實現(xiàn)環(huán)空的密實充填。同時，形狀記憶篩管試樣具有非常好的滲流性能和擋砂性能，膨脹后的滲透率可高達(dá)10 D 級，擋砂精度達(dá)0.061 mm。

3 形狀記憶篩管防砂完井工藝

與傳統(tǒng)的泵送砂漿礫石充填完井相比，形狀記憶篩管自充填防砂完井工藝簡單，無需任何額外工序和工具。由于形狀記憶篩管膨脹后可以完全充滿環(huán)空，不會從環(huán)空出砂，因此可以用不帶封隔功能的懸掛器懸掛，或者在井底支撐時采用丟手接頭。以直井為例，只需一趟管柱將形狀記憶篩管下入目的層，試提管柱，判斷篩管在地層溫度作用下膨脹到位后，將其懸掛或進(jìn)行丟手作業(yè)，即可起出管柱，完成完井作業(yè)（見圖4）。

圖 4 形狀記憶篩管直井防砂完井工藝Fig. 4 Sand control completion process with shape memory screen in vertical well

4 現(xiàn)場試驗

為了進(jìn)一步驗證形狀記憶篩管的性能，在中國海油JJSY-1 井進(jìn)行了極限膨脹性能試驗和環(huán)空自充填試驗。

形狀記憶篩管極限膨脹試驗管柱包括油管短節(jié)+2 個溫度計托筒+形狀記憶篩管+扶正器+變扣接頭+鉆桿，如圖5 所示。工具入井后，下至井深400.00，800.00，1 000.00 ，1 200.00，1 300.00，1 400.00，1 500.00，1 600.00 和1 700.00 m 處分別靜止10 min，隨后緩慢下入探底，靜置8 h 后緩慢提出管柱。試驗時的地表溫度為10.9 ℃，地溫梯度為3.11 ℃/100 m，為環(huán)空自充填試驗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。起出的形狀記憶篩管外形規(guī)則、無磨損，且已實現(xiàn)完全膨脹，與未入井的原始尺寸的形狀記憶篩管相比，外徑明顯擴(kuò)大，可達(dá)191.1 mm。極限膨脹性能試驗結(jié)果表明，形狀記憶篩管完成充填后仍有20%以上的膨脹余量，可實現(xiàn)不規(guī)則裸眼井環(huán)空的完全充填，并具有良好的井壁支撐性能。

圖 5 形狀記憶篩管自由膨脹試驗管柱Fig. 5 Free expansion test string with shape memory screen

環(huán)空自充填試驗時，首先下入組合套管，包括套管絲堵+φ177.8 mm 短套管+φ177.8 mm 打孔套管+φ244.5 mm 套管（見圖6），然后下入試驗管柱，包括油管短節(jié)+扶正器+形狀記憶篩管+丟手短節(jié)+油管短節(jié)+變扣接頭+鉆桿，下入到位4 h 后，分別試提管柱，上提力由539.5 kN 增大到597.8 kN，初步判斷篩管已經(jīng)貼近套管內(nèi)壁。靜置6 h 后從井口關(guān)閉套管，清水以0.1～0.5 m3/min 排量進(jìn)行反循環(huán)，壓力表無明顯讀數(shù)，表明膨脹后的篩管徑向滲透率高。繼續(xù)靜置40 h，投球加壓至15.0 MPa，丟手后起出試驗管柱和套管，測得篩管外徑為158.1 mm，略大于套管內(nèi)徑，說明環(huán)空已完全充填；測得形狀記憶篩管在射孔孔眼中的膨脹高度為5.9 mm，說明形狀記憶篩管不僅能完全充填環(huán)空，還能進(jìn)一步充填射孔孔眼，實現(xiàn)了從擋砂到防止出砂的跨越。環(huán)空自充填試驗結(jié)果表明，自充填完井施工時間短，環(huán)空和射孔孔眼充填率均為100%，充填層滲透率高，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

圖 6 形狀記憶篩管環(huán)空自充填試驗管柱Fig. 6 Annulus self-packing test string with shape memory screen

極限膨脹性能試驗和環(huán)空自充填試驗結(jié)果表明，自主研制的形狀記憶篩管滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求，具備現(xiàn)場推廣條件。形狀記憶篩管自充填防砂完井工藝與傳統(tǒng)的泵送砂漿礫石充填工藝完全不同，可大幅度簡化海上油氣井充填完井、多層系分段礫石充填完井及長水平段水平井分段充填完井的施工工藝，并減少施工設(shè)備，縮短完井周期，降低綜合生產(chǎn)成本，提高施工安全性及環(huán)保性。

5 結(jié) 論

1）基于形狀記憶篩管的新型防砂完井技術(shù)利用井下熱力激發(fā)形狀記憶篩管發(fā)生膨脹，實現(xiàn)環(huán)空密實充填，可大幅簡化傳統(tǒng)礫石充填完井的施工工藝，減少施工裝備，降低施工風(fēng)險。

2）設(shè)計了形狀記憶篩管的結(jié)構(gòu)，自主研發(fā)了形狀記憶篩管生產(chǎn)線，加工了形狀記憶篩管，評價優(yōu)化了形狀記憶篩管性能，成型后的原始態(tài)篩管無拼接、易加工、均質(zhì)性好，壓縮后外形規(guī)則、無缺失，加熱膨脹后可密實充填環(huán)空，篩管滲透率及擋砂精度高。

3）配套形成了形狀記憶篩管自充填防砂完井工藝，現(xiàn)場試驗表明，形狀記憶篩管下入性好，膨脹性能優(yōu)越，井壁支撐能力強。