形狀記憶篩管膨脹性能測試

段友智， 劉歡樂， 艾 爽， 秦 星， 岳 慧， 劉伯昂

（1. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2. 中國石油長慶油田分公司第七采油廠，甘肅慶陽 745708）

目前，在眾多的防砂完井技術(shù)中，礫石充填完井技術(shù)被認為是非常高效的技術(shù)[1]。就該技術(shù)而言，在完井過程中，需要下入獨立篩管，再下入充填管柱，然后泵入攜砂液，實現(xiàn)對井眼環(huán)空的充填[2–8]。該完井方式具有防坍塌、耐沖蝕和有效期長等優(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，在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用[9–13]。目前，石油科技人員正在研究水平井環(huán)空自充填防砂完井技術(shù)，只需下入一趟防砂完井管柱，利用井底溫度使形狀記憶篩管膨脹充填環(huán)空，篩管完全貼合不規(guī)則井眼，且充填長度不受限制，能夠以獨立篩管完井的簡單工藝實現(xiàn)礫石充填的完井效果，適用范圍更廣[14–18]。該技術(shù)的核心是，形狀記憶篩管中處于壓縮態(tài)的形狀記憶聚合物層僅依靠井底溫度就能完全膨脹而充填井眼環(huán)空[19–20]。膨脹性能是形狀記憶篩管的一個重要性能[21]。國外主要是利用30 mm×30 mm×30 mm的標準試件測試其膨脹性能，但該測試方法不能完全模擬形狀記憶篩管在井下的膨脹過程[22–23]。為此，筆者自主設(shè)計了能模擬井下環(huán)境的形狀記憶篩管膨脹性能測試系統(tǒng)，進行了形狀記憶篩管樣機膨脹性能的測試，分析了影響其膨脹性能的主要因素，以期為形狀記憶篩管的設(shè)計和現(xiàn)場應(yīng)用提供依據(jù)。

1 形狀記憶篩管膨脹原理

形狀記憶篩管中有一層處于壓縮狀態(tài)的形狀記憶聚合物層，它由形狀記憶聚合物（shape memory polymer，SMP）壓縮而成?？砂慈缦虏襟E分析形狀記憶過程：將SMP制成一個固定的原始形狀，將溫度升至玻璃化溫度以上并加載定形；完成定形之后，將溫度降至玻璃化溫度以下進行形狀固定；固定形狀后，再次將溫度升至玻璃化溫度以上，SMP將逐漸恢復(fù)至原始形狀[22]。該形狀記憶過程可用日本學(xué)者山口章三郎提出的高分子黏彈力學(xué)模型進行解釋[19]。SMP在外力作用下會發(fā)生一定的形變，可以表示為：

式中：ε為總形變；ε1為瞬間形變；ε2為松弛形變；ε3為蠕變形變；σ為外力，Pa；E1為瞬間彈性模量，Pa；E2為松弛彈性模量，Pa；t為外力作用時間，s；λ為松弛時間，s；b為蠕變常數(shù)。

當外力解除后，已經(jīng)定形的變形態(tài)SMP首先產(chǎn)生松弛形變恢復(fù)，但由于松弛形變恢復(fù)為塑性形變，形變恢復(fù)率很小。當環(huán)境溫度達到響應(yīng)溫度后，SMP會產(chǎn)生瞬間形變恢復(fù)和蠕變形變恢復(fù)，所以，在宏觀上將表現(xiàn)為恢復(fù)至原來的形狀。

制作形狀記憶篩管時，先將SMP材料加工成一定長度的空心圓柱，其初始外徑大于井筒直徑；然后對SMP空心圓柱加熱，使其溫度高于玻璃化溫度；最后利用壓縮模具將其壓縮成外徑小于井筒直徑的空心圓柱，并將其裝在基管上，形成形狀記憶篩管。當利用鉆桿或油管將該篩管下至井底預(yù)定位置后，不需要任何操作，該篩管中處于壓縮態(tài)的形狀記憶聚合物層一旦感應(yīng)到井底溫度達到響應(yīng)溫度時，就會膨脹直至完全充填整個井眼環(huán)空。

2 模擬測試系統(tǒng)及測試內(nèi)容

2.1 模擬測試系統(tǒng)組成

為了定量測試形狀記憶篩管的膨脹性能，自主研發(fā)了形狀記憶篩管膨脹性能模擬測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)由模擬井筒、計量部分、循環(huán)部分和加熱部分組成，如圖1所示。形狀記憶篩管樣機由試驗基管、側(cè)流保護套和形狀記憶聚合物層等組成，通過端環(huán)將側(cè)流保護套和形狀記憶聚合物層固定在基管上，與真實的形狀記憶篩管相比只是長度上有所區(qū)別，所以能夠較準確地反映形狀記憶篩管的性能。計量部分包括膨脹力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器和流量傳感器，利用計算機中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。循環(huán)部分包括進液槽、循環(huán)泵和出液槽，保證流體在整個測試系統(tǒng)中循環(huán)使用。加熱部分包括2臺高壓泵和預(yù)熱器，保證模擬井筒中溫度達到試驗所需要的溫度。

2.2 測試方法及參數(shù)

將形狀記憶篩管樣機放在形狀記憶篩管膨脹性能模擬測試系統(tǒng)的模擬井筒中，在測試系統(tǒng)進液槽中加入足量流體，通過高壓泵使之進入預(yù)熱器，隨后通過模擬井筒最終流進出液槽。出液槽中的流體能夠通過循環(huán)泵再次進入進液槽中，從而實現(xiàn)流體的循環(huán)利用。測試過程中，利用加熱部分加熱循環(huán)流體并控制其溫度，利用計量部分記錄測試數(shù)據(jù)。利用該測試系統(tǒng)測試形狀記憶篩管的膨脹性能時，可以采集到以下參數(shù)：

1）響應(yīng)溫度。當模擬井筒中的溫度低于形狀記憶篩管的起脹溫度時，隨著測試時間增長，通過位移傳感器采集到的位移不變；當模擬井筒中的溫度升至一定溫度時，隨著測試時間增長，通過位移傳感器采集到的位移不斷增大，此溫度即形狀記憶篩管的臨界起脹溫度，即為響應(yīng)溫度。

2）形狀記憶篩管外徑。當形狀記憶篩管受熱膨脹時，通過位移傳感器采集到的位移變化值即為膨脹位移。不同時刻形狀記憶篩管的外徑為壓縮態(tài)形狀記憶聚合物層外徑與膨脹位移之和。

3）膨脹力。當形狀記憶篩管充滿整個模擬井筒后，隨著測試時間增長，形狀記憶篩管將膨脹變形轉(zhuǎn)化為膨脹力。通過膨脹力傳感器即可采集到膨脹力測試結(jié)果。

4）循環(huán)流體排量。流量計能夠?qū)崟r監(jiān)測循環(huán)流體的排量，該排量可以類比出砂井井底的實際產(chǎn)量。

該系統(tǒng)能夠測試按不同配方制作的形狀記憶篩管的膨脹性能。對于某一配方，如果測試后發(fā)現(xiàn)其膨脹性能達不到入井要求，可以調(diào)整配方后重新測試其膨脹性能，直至滿足入井要求。本文以中國石化某區(qū)塊的油藏地質(zhì)及井眼軌跡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，制作了形狀記憶篩管樣機。

圖 1 形狀記憶篩管膨脹性能模擬測試系統(tǒng)Fig.1 The simulation test system for expansion performance of shape memory screen

3 試驗結(jié)果分析

3.1 響應(yīng)溫度

圖2所示為循環(huán)流體排量0.1 L/min下，形狀記憶篩管樣機在不同溫度下的外徑。從圖2可以看出，當溫度低于52 ℃時，形狀記憶篩管的外徑?jīng)]有變化；當溫度達到52 ℃時，其外徑開始增大，說明該篩管的響應(yīng)溫度為52 ℃。如用該篩管入井防砂，井底溫度必須高于該溫度，否則，該篩管不能自動膨脹，失去自充填環(huán)空的作用。

圖 2 不同溫度下形狀記憶篩管樣機的外徑Fig.2 The outside diameter of shape memory screen at different temperatures

為了驗證循環(huán)流體排量是否會影響形狀記憶篩管的響應(yīng)溫度，測試了不同循環(huán)流體排量下，形狀記憶篩管在不同溫度下的外徑，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，隨著循環(huán)流體排量增大，形狀記憶篩管樣機的外徑在達到響應(yīng)溫度之前會表現(xiàn)為一定程度的縮小。其原因是：循環(huán)流體排量增大時，會在樣機內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生較大的壓差，該壓差會使形狀記憶篩管收縮變形；只有當樣機因溫度升高產(chǎn)生的膨脹位移超過其收縮變形時，在宏觀上才能表現(xiàn)為膨脹。因此，在其他條件一定時，排量越高其響應(yīng)溫度越高。

圖 3 不同排量下形狀記憶篩管外徑隨溫度的變化Fig.3 Change of outside diameter of shape memory screen with temperature at different flowrates

對于某一具體的出砂井，在設(shè)計形狀記憶篩管之前，必須掌握其生產(chǎn)段長度（或水平段長度）、井底溫度、原油黏度和油井產(chǎn)量等井身結(jié)構(gòu)和油藏參數(shù)。如果以模擬地層原油為循環(huán)流體測試形狀記憶篩管的膨脹性能，則循環(huán)流體排量的計算公

式為：式中：Q為循環(huán)流體排量，L/min；Qo為油井產(chǎn)量，m3/d；L為水平段長度，m；l為形狀記憶篩管長度，m。

如果以水為循環(huán)流體，則循環(huán)流體排量的計算公式為：

式中：μw為循環(huán)水黏度，mPa·s；μo為原油黏度，mPa·s。

因此，在設(shè)計具體出砂井的形狀記憶篩管時，循環(huán)流體的排量必須能夠代表其真實產(chǎn)量，這時得到的響應(yīng)溫度才是井底真實的響應(yīng)溫度。

3.2 膨脹過程中的外徑變化

循環(huán)流體溫度保持52 ℃不變，以0.1 L/min排量循環(huán)，測量不同時間下形狀記憶篩管樣機的外徑，結(jié)果如圖4所示。

圖 4 不同時間下形狀記憶篩管樣機的外徑Fig.4 Outside diameter of shape memory screen prototype at different time

從圖4可以看出，隨著測試時間增長，形狀記憶篩管的外徑增大，并且其外徑約48 h增大至模擬井筒內(nèi)徑。從形狀記憶篩管外徑的增大幅度看，剛開始增幅較大，越接近模擬井管井壁增幅越小。這主要是因為，處于壓縮狀態(tài)的形狀記憶聚合物層在開始膨脹時預(yù)應(yīng)力的釋放速度快，隨著預(yù)應(yīng)力不斷釋放，其釋放速度也在不斷減小。

保持循環(huán)流體排量為0.1 L/min不變，將循環(huán)流體的溫度分別提高至57和62 ℃，測量形狀記憶篩管樣機在不同時間下的外徑，結(jié)果如圖5所示。

圖 5 不同溫度下形狀記憶篩管樣機的外徑Fig. 5 Outside diameter of shape memory screen prototype at different temperature

由圖5可知，循環(huán)流體溫度越高，形狀記憶篩管樣機外徑增大越快，循環(huán)流體溫度由52 ℃升至57和62 ℃，使其外徑增大至模擬井筒內(nèi)徑的時間由48 h縮短至44 和41 h。其原因是，循環(huán)流體溫度升高，加快了SMP自身預(yù)應(yīng)力的釋放速度，從而縮短了形狀記憶篩管樣機外徑增至模擬井筒內(nèi)徑的時間。

保持循環(huán)流體的溫度為 52 ℃ 不變，測試不同循環(huán)流體排量條件下形狀記憶篩管樣機在不同膨脹時間下的外徑，結(jié)果如圖6所示。

圖 6 不同排量下形狀記憶篩管樣機的外徑Fig.6 Outside diameter of shape memory screen prototype at different flowrates

從圖6可以看出：循環(huán)流體排量越大，形狀記憶篩管樣機外徑增大的幅度越小，循環(huán)流體排量由0.1 L/min增大至0.2和0.3 L/min時，其外徑增大至模擬井筒內(nèi)徑的時間由48 h延長至60和71 h。其原因是隨著排量增大，形狀記憶篩管樣機兩側(cè)的壓差增大，阻止其發(fā)生膨脹。循環(huán)流體排量越大，形成的壓差越大，阻力越大，故外徑增大至模擬井筒內(nèi)徑的時間越長。

當形狀記憶篩管樣機外徑增大至模擬井筒內(nèi)徑時，保持溫度為52 ℃不變，將循環(huán)流體排量提高至0.6 L/min，測量形狀記憶篩管樣機在不同時間下的外徑，結(jié)果如圖7所示。

圖 7 不同時間下形狀記憶篩管樣機的外徑（循環(huán)流體排量0.6 L/min）Fig.7 Outside diameter of shape memory screen prototype at different time (circulating fluid flowrate of 0.6 L/min)

從圖7可以看出，循環(huán)流體排量提高至0.6 L/min后，隨著循環(huán)時間增長，形狀記憶篩管的外徑逐漸減小。其原因是形狀記憶篩管兩側(cè)壓差引起的外徑縮小值大于由溫度引起的外徑增大值，故宏觀表現(xiàn)為其外徑逐漸減小。這一現(xiàn)象不利于形狀記憶篩管在預(yù)定時間內(nèi)膨脹到位。然而，在實際完井過程中，可以利用這一現(xiàn)象解決形狀記憶篩管提前膨脹的問題。如果形狀記憶篩管在下入過程中由于某種意外導(dǎo)致其提前膨脹，整個完井管柱很難下至目的層。此時，可以逐漸增大循環(huán)流體排量，使形狀記憶篩管外徑減小，從而保證將完井管柱順利下至目的層。

3.3 膨脹力

在循環(huán)流體排量為0.1 L/min、循環(huán)流體溫度為52 ℃的情況下，當形狀記憶篩管樣機外徑增大至模擬井筒內(nèi)徑后，測量不同時間下的膨脹力，結(jié)果如圖8所示。

圖 8 膨脹力隨時間的變化Fig.8 Change of expansion force with time

從圖8可以看出，剛開始膨脹力的增大幅度較大，隨著時間增長，膨脹力逐漸趨于穩(wěn)定，最終的膨脹力為0.57 MPa。其主要原因是形狀記憶篩管樣機的膨脹位移會轉(zhuǎn)化為膨脹力，然而，隨著時間增長，井壁產(chǎn)生的反作用力會抵消掉一部分膨脹力，所以在一段時間后膨脹力將會趨于平衡。

保持循環(huán)流體排量為0.1 L/min不變，考察不同循環(huán)流體溫度下膨脹力隨時間的變化情況，結(jié)果見圖9。

圖 9 不同溫度下膨脹力隨時間的變化Fig.9 Change of expansion force with time at different temperatures

從圖9可以看出，隨著循環(huán)流體溫度升高，相同時間下的膨脹力有所增大，但增大幅度比較小。這說明對膨脹力起主導(dǎo)作用的是材料本身的性質(zhì)，外界溫度對其影響較小。

保持循環(huán)流體溫度為52 ℃不變，將循環(huán)流體排量提高至0.2和0.3 L/min，測量形狀記憶篩管在不同時間下的膨脹力，結(jié)果如10所示。

圖 10 不同排量下膨脹力隨時間的變化Fig.10 Change of expansion force with time at different flowrates

從圖10可以看出，隨著循環(huán)流體排量增大，相同時間下的膨脹力有所降低，但降低幅度比較小。這說明對膨脹力起主導(dǎo)作用的是材料本身的性質(zhì)，循環(huán)流體的排量對其影響較小。

總之，膨脹力是形狀記憶篩管膨脹至井壁后所產(chǎn)生的一種殘余應(yīng)力。在實際的出砂井中，膨脹力會作用于裸眼井壁，能夠避免出現(xiàn)井壁坍塌、砂堵等井下故障，促進油氣井的安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論與建議

1）形狀記憶篩管膨脹性能模擬測試系統(tǒng)能夠模擬井下環(huán)境，測試形狀記憶篩管的膨脹性能。

2）隨著循環(huán)流體排量增大，形狀記憶篩管的響應(yīng)溫度升高；隨著循環(huán)流體溫度升高，形狀記憶篩管的膨脹速度加快；循環(huán)流體的排量和溫度對形狀記憶篩管的最終膨脹力的影響較小。

3）本文給出的是測試形狀記憶篩管膨脹性能的通用方法，為使形狀記憶篩管對出砂井具有很好的適應(yīng)性，后續(xù)在測試膨脹性能時，應(yīng)充分考慮出砂井的油藏地質(zhì)特征和井身結(jié)構(gòu)。