新型陶瓷篩管介紹及其國(guó)內(nèi)應(yīng)用前景分析

曹 暢，楊乾隆，蔣貝貝，馮 濤，張國(guó)強(qiáng)

1中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院2中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠3西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

油氣井生產(chǎn)過(guò)程中，儲(chǔ)層出砂會(huì)帶來(lái)極大危害，例如產(chǎn)量降低、井筒砂堵、管線及地面設(shè)備沖蝕損壞甚至停井停產(chǎn)等，企業(yè)每年需耗費(fèi)大量的費(fèi)用去處理出砂問(wèn)題，極大降低了開(kāi)采效益。目前油氣井最常用的防砂技術(shù)是基于金屬機(jī)械篩管或礫石充填+金屬篩管的獨(dú)立篩管防砂完井和礫石充填防砂完井［1］。然而，由于材質(zhì)問(wèn)題，金屬篩管防砂時(shí)篩管沖蝕及腐蝕問(wèn)題十分突出，特別對(duì)于高溫高壓且含酸性氣體的（地層溫度高于150℃、地層壓力大于70 MPa、高含CO2或H2S）出砂井，金屬篩管常常會(huì)受到嚴(yán)重的腐蝕和沖蝕損壞，防砂完井有效性得不到保障，極大降低了油氣藏的開(kāi)發(fā)效益。此外，礫石充填完井表皮系數(shù)大，特別是在高粉砂含量出砂氣井中，產(chǎn)量損失可達(dá)50%。如果能有一種新型材料制成的篩管，既可抗高沖蝕又耐強(qiáng)腐蝕取代傳統(tǒng)金屬篩管，這將極大增加高沖蝕和腐蝕油氣井的防砂有效性，保證油氣井長(zhǎng)期高效生產(chǎn)并節(jié)省高昂修井成本。3M公司研發(fā)的新型陶瓷篩管很好地解決了上述問(wèn)題，新型陶瓷篩管整體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承受機(jī)械載荷大、低完井表皮、耐高溫和強(qiáng)抗沖蝕腐蝕性能，還能夠適應(yīng)多種井型（新井、老井、裸眼井和射孔井）等諸多優(yōu)勢(shì)，可彌補(bǔ)目前金屬防砂篩管的不足，保障油氣井高效安全生產(chǎn)［2-5］。

1 陶瓷篩管簡(jiǎn)介

陶瓷篩管的研制和開(kāi)發(fā)最早從丹麥Maersk公司開(kāi)始，目的是解決該公司油氣主產(chǎn)區(qū)Denmark油田Valdemar區(qū)塊致密層水平井壓后井下設(shè)備出砂沖蝕損壞問(wèn)題，保障后續(xù)分段封隔和分段開(kāi)采的順利實(shí)施，因此，丹麥Maersk油氣公司與德國(guó)的ESK Ceramics公司（即現(xiàn)在的3M公司）重新啟用了上世紀(jì)80年代曾被用作防砂完井的陶瓷材料，并開(kāi)發(fā)出新型陶瓷篩管［2］。

新型陶瓷防砂篩管主要有以下幾部分組成：陶瓷環(huán)疊片（長(zhǎng)度可調(diào)），導(dǎo)管（固定陶瓷環(huán)），金屬保護(hù)罩（起下入保護(hù)作用），兩個(gè)端蓋（保護(hù)篩管兩端）和一個(gè)基管（打孔油管或者割縫襯管），見(jiàn)圖1。陶瓷環(huán)疊片通過(guò)導(dǎo)管卡在基管上，并被安置在左右兩個(gè)端蓋之間，兩端端蓋緊緊夾持住陶瓷環(huán)疊片限制其移動(dòng)，但兩端的彈簧組件又能實(shí)現(xiàn)陶瓷環(huán)疊片受力均衡，這也使得陶瓷篩管在受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、震動(dòng)等多種載荷作用下能有效分散載荷而避免應(yīng)力損傷［6-8］。此外，陶瓷環(huán)疊片結(jié)構(gòu)又保證了高滲流通道，降低了完井表皮，利于產(chǎn)能釋放，見(jiàn)圖2。

圖1 陶瓷篩管總成

圖2 陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

陶瓷環(huán)上面有三個(gè)呈120°角均衡分布的球形碟片凸起（見(jiàn)圖2），可保證陶瓷環(huán)堆疊時(shí)處于點(diǎn)狀接觸；一方面，點(diǎn)狀接觸的碟片凸起尺寸可任意調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變陶瓷環(huán)疊片間隙，滿(mǎn)足多種擋砂精度需求（即間隙寬度可量身定做）；另一方面，點(diǎn)狀接觸的陶瓷環(huán)堆疊結(jié)構(gòu)、帶有多個(gè)彈簧的端蓋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，又能很大程度上保證陶瓷篩管在下入過(guò)程中輕松應(yīng)對(duì)扭轉(zhuǎn)和撓曲應(yīng)力損害，是新型陶瓷篩管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)。

2 燒結(jié)陶瓷材料

新型陶瓷篩管所用的燒結(jié)陶瓷材料，目前主要采用無(wú)壓燒結(jié)工藝獲得，即以高純、超細(xì)碳化硅粉為原料，通過(guò)加入少量燒結(jié)助劑（如碳、硼等），在大氣壓惰性氣體或真空環(huán)境中，輔以1 950～2 100℃高溫下燒結(jié)得到。該燒制環(huán)境中原子擴(kuò)散加劇，孔隙縮小，顆粒間由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，孔隙縮小，連通孔隙變得封閉，并孤立分布；小顆粒間率先出現(xiàn)晶界，晶界移動(dòng)，晶粒長(zhǎng)大；隨著晶界上的物質(zhì)不斷擴(kuò)散到孔隙處，使孔隙逐漸消除，最終得到具有優(yōu)良力學(xué)性能的致密碳化硅陶瓷材料。

2.1 抗高沖蝕性能

對(duì)比新型陶瓷篩管和金屬繞絲篩管試樣沖蝕實(shí)驗(yàn)（測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1）［6-7］，結(jié)果表明，陶瓷篩管具有極強(qiáng)耐沖蝕性；金屬繞絲篩管在較短測(cè)試時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了沖蝕破壞，而陶瓷篩管即使在長(zhǎng)達(dá)72 h的CO2腐蝕環(huán)境中高強(qiáng)度沖蝕也未有任何肉眼可見(jiàn)的破損和材質(zhì)流失，見(jiàn)圖3。

表1 陶瓷篩管試樣沖蝕測(cè)試參數(shù)

圖3 陶瓷篩管（左）和金屬繞絲篩管（右）沖蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

2.2 抗腐蝕性能

2.2.1 抗酸蝕性能

3M公司通過(guò)測(cè)試96%濃硫酸在不同溫度（130℃、160℃、190℃、220℃）水熱環(huán)境中腐蝕燒結(jié)碳化硅（SiC）實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明燒結(jié)碳化硅（SiC）材料均無(wú)任何明顯腐蝕跡象；同時(shí)進(jìn)行的王水腐蝕對(duì)比測(cè)試（將316L金屬篩管與燒結(jié)陶瓷環(huán)分別置于60℃王水浸泡30 min），結(jié)果顯示316L金屬篩管幾乎腐蝕殆盡，而陶瓷環(huán)無(wú)明顯腐蝕痕跡［8］，見(jiàn)圖4。

圖4 316L金屬篩管與陶瓷環(huán)王水腐蝕測(cè)試

2.2.2 抗堿蝕性能

對(duì)燒結(jié)陶瓷材料在100℃下的KOH和NaOH強(qiáng)堿溶液中進(jìn)行抗堿蝕性能測(cè)試［9］，如表2所示。

表2 抗堿性能測(cè)試

抗腐蝕質(zhì)量減少值評(píng)價(jià)：＞1 000 mg/cm2·a，迅速損壞；100～990 mg/cm2·a，使用期小于一個(gè)月；50～100 mg/cm2·a，使用期小于一年；10～49 mg/cm2·a，注意使用；0.3～9.9 mg/cm2·a，可長(zhǎng)期使用；小于0.2 mg/cm2·a，長(zhǎng)期使用，無(wú)明顯腐蝕。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：燒結(jié)陶瓷材料在兩種強(qiáng)堿溶液下其腐蝕質(zhì)量減少值均小于0.2 mg/cm2·a，說(shuō)明該材料具有極強(qiáng)的耐酸堿腐蝕性。

2.3 屈曲性能測(cè)試

為了測(cè)試燒結(jié)碳化硅（SiC）陶瓷材料的抗屈曲性能，將該材料放置在不同地層溫度下高濃度熱鹽溶液環(huán)境中浸泡28 d后，測(cè)試抗彎曲強(qiáng)度性能［10］，見(jiàn)圖5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：燒結(jié)碳化硅（SiC）在20～130℃的高濃度水熱鹽溶液環(huán)境下，其抗彎曲強(qiáng)度值隨著溫度升高略有下降；溫度在130～190℃范圍內(nèi)，燒結(jié)碳化硅（SiC）抗彎曲強(qiáng)度值總體呈上升趨勢(shì)；當(dāng)溫度超過(guò)190℃后，燒結(jié)碳化硅（SiC）抗彎曲強(qiáng)度值略有下降。總體看來(lái)，高溫環(huán)境對(duì)燒結(jié)碳化硅（SiC）抗彎曲強(qiáng)度值起積極作用，隨著溫度的增加，其抗彎曲強(qiáng)度總體上升。

圖5 燒結(jié)碳化硅陶瓷篩管抗屈曲性能測(cè)試結(jié)果

3 陶瓷篩管性能

3.1 機(jī)械強(qiáng)度

篩管在井下作業(yè)時(shí)需要有良好的抗擠壓性和抗內(nèi)壓性能，以保護(hù)篩管內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，保證防砂有效性。3M公司對(duì)新型防砂篩管（外徑139.7 mm）進(jìn)行擠壓測(cè)試［11］。測(cè)試結(jié)果表明：新型陶瓷篩管最大抗外壓為51.3 MPa，最大抗內(nèi)壓為18.3 MPa，在篩管不完全堵死的極端條件下，整體強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足絕大多數(shù)井況需求。

3.2 抗曲性能

在新型陶瓷篩管的屈曲測(cè)試中，當(dāng)狗腿度增加到24.8°/30 m時(shí)，篩縫寬改變量為23μm（合格標(biāo)準(zhǔn)：陶瓷環(huán)縫寬變化不能超過(guò)50μm）；當(dāng)狗腿度增加到88.6°/30 m時(shí)，陶瓷環(huán)沒(méi)有任何損壞；當(dāng)載荷卸載后，篩縫寬度幾乎沒(méi)有變化，與設(shè)計(jì)規(guī)格參數(shù)一致。由此可見(jiàn)，陶瓷篩管的這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有很好地屈曲性能［3-4］。

3.3 流體流入性能測(cè)試

通過(guò)將20/40目的砂子和100目的砂子（模擬地層破碎巖石）對(duì)半混合進(jìn)行過(guò)流壓差測(cè)試，測(cè)試結(jié)果雖如預(yù)期有所增加，但總體壓降值仍然停留在可以接受的很小范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果表明，即使在非常不利的條件下（實(shí)際生產(chǎn)中，破碎巖石所占比例過(guò)半的情況非常少），壓降值都沒(méi)有超過(guò)0.5 MPa，陶瓷篩管也沒(méi)有發(fā)生堵塞，陶瓷篩管表現(xiàn)出極低的過(guò)流壓差幾乎不會(huì)造成措施井的產(chǎn)能限制［5］。

4 篩管關(guān)鍵參數(shù)

陶瓷篩管的參數(shù)選擇應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而確定，3M陶瓷篩管常規(guī)尺寸參數(shù)如表3所示（如現(xiàn)場(chǎng)遇特殊情況，可根據(jù)尺寸和參數(shù)的要求進(jìn)行訂制）。

表3 篩管尺寸參數(shù)

5 應(yīng)用案例分析

奧地利Zistersdorf（齊斯特斯多夫）油田有兩個(gè)主力產(chǎn)油層，其中埋藏較淺的主力儲(chǔ)層巖石膠結(jié)差，儲(chǔ)層出砂嚴(yán)重，油田新鉆油井均需要實(shí)施防砂完井。同時(shí)，由于出砂嚴(yán)重的層位產(chǎn)出砂分選性差，油井出砂控制難度很大，油田投產(chǎn)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，曾有幾十種防砂完井方法被應(yīng)用到出砂井中，最終證明金屬繞絲篩管+礫石充填防砂完井適應(yīng)性最強(qiáng)；但由于細(xì)砂出砂量較大，出于保護(hù)井下工具和采油泵，擋砂精度要求極高，這就造成了部分防砂井因過(guò)大壓損而造成產(chǎn)油量降低50%，極大限制了油井產(chǎn)能。此外，金屬繞絲篩管在酸化增產(chǎn)作業(yè)和沖蝕作用下存在損壞，部分井甚至防砂失敗。因此，陶瓷防砂篩管完井這種既耐腐蝕、耐沖蝕且有極低過(guò)流壓差的新型防砂完井技術(shù)被提上了日程［5］。

GA-016井是Zistersdorf油田因出砂嚴(yán)重而被迫關(guān)停井，采用新型陶瓷篩管完井后，油井產(chǎn)量從停產(chǎn)前的60 m3/d逐漸恢復(fù)到了90 m3/d并持續(xù)生產(chǎn)了一個(gè)星期；為了進(jìn)一步驗(yàn)證井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，暫關(guān)井2 d重新開(kāi)井后，油井產(chǎn)量立刻恢復(fù)到90 m3/d，并可穩(wěn)產(chǎn)多日。新型陶瓷篩管在GA-016井中實(shí)現(xiàn)了成功防砂完井。此外，新型陶瓷篩管從2010年起，其已開(kāi)始陸續(xù)在北海、歐洲、亞洲、南美洲的海上或陸地油氣井中應(yīng)用，解決了嚴(yán)苛環(huán)境中出砂沖蝕、支撐劑回流沖蝕、井下酸性氣體腐蝕等防砂完井難題，油氣井新安裝陶瓷篩管或替換原有防砂工藝（礫石充填、傳統(tǒng)金屬篩管）均取得了很好的防砂效果［3-5］。

6 陶瓷篩管應(yīng)用前景分析

塔里木的KS氣藏是罕見(jiàn)的致密砂巖嚴(yán)重出砂氣藏，儲(chǔ)層壓力115.3～116.5 MPa，地層溫度159.1～169.6℃，CO2分壓0.97～1.344 MPa，在這種超深高溫高壓條件下防砂難度極大，該區(qū)塊部分氣井采用了割縫篩管進(jìn)行防砂，但由于金屬篩管抗沖蝕能力有限并且CO2對(duì)篩管及管柱腐蝕嚴(yán)重，該防砂工藝很快失效［12］。截止2021年1月，KS氣藏出砂井及疑似出砂井占總井?dāng)?shù)（72口）的45.3%，單井修井成本高達(dá)3 000萬(wàn)，極大影響了該氣藏的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)效益，根據(jù)前面新型陶瓷篩管性能評(píng)價(jià)，其在KS氣藏防砂井中應(yīng)用前景廣闊。

除此之外，對(duì)渤海灣、準(zhǔn)噶爾、四川盆地中含CO2、H2S酸性腐蝕氣體較高、出砂嚴(yán)重的油氣藏，如何有效持久的保證防砂有效性，恢復(fù)安全高效的生產(chǎn)仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。因此，陶瓷篩管出色的抗高沖蝕和耐腐蝕性能將有廣泛的應(yīng)用前景。

同時(shí)，鑒于新型陶瓷篩管陶瓷環(huán)及其上球形碟片凸起尺寸（內(nèi)徑、外徑、凸起高度）的靈活調(diào)整性，陶瓷篩管長(zhǎng)度和陶瓷環(huán)間隙（擋砂精度）具有非常大的可調(diào)范圍，這就使得陶瓷篩管能夠適應(yīng)多種尺寸井身結(jié)構(gòu)和任意擋砂精度的防砂需求井，輔助其極強(qiáng)的下入適應(yīng)性能夠適合直井、水平井、大斜度井等各種主流井型（過(guò)油管陶瓷防砂篩管、獨(dú)立陶瓷防砂篩管），無(wú)論是新井還是老井均可實(shí)現(xiàn)防砂完井。最后，陶瓷篩管良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性能，還能滿(mǎn)足防砂和酸化的儲(chǔ)層井。

7 總結(jié)與認(rèn)識(shí)

（1）新型燒結(jié)陶瓷材料比傳統(tǒng)金屬材料具有更高的抗沖蝕性能和耐酸腐蝕性能，由該材料制成的防砂篩管能夠很好地解決防砂完井過(guò)程中的篩管沖蝕、腐蝕損壞問(wèn)題。

（2）陶瓷篩管具有防砂精度高、擋砂精度靈活可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、機(jī)械強(qiáng)度高、完井表皮小、下入適應(yīng)性強(qiáng)、利于防砂井產(chǎn)能發(fā)揮等諸多優(yōu)勢(shì)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)獨(dú)立篩管防砂工藝的諸多不足，能夠長(zhǎng)期有效地減少出砂對(duì)管柱及地面設(shè)備的沖蝕損害，降低HSE和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高油氣田投資回報(bào)。

（3）面對(duì)我國(guó)含酸性腐蝕氣體H2S和CO2較高并且出砂沖蝕嚴(yán)重的氣藏出砂井，例如塔里木KS氣藏出砂井，氣井防砂難度大、修井成本高，新型陶瓷篩管在此類(lèi)氣藏則中表現(xiàn)出很好的防砂適應(yīng)性，具有廣闊的應(yīng)用前景。