表1(Table 1)
2. 中海油研究总院
2. CNOOC Research Institute
0 引言
疏松砂岩油藏在我国分布广泛[1-3]，如东部渤海湾盆地的孤岛油田、秦皇岛油田、辽河油田、克拉玛依油田和曹妃甸油田等。该类型油藏储层的岩石胶结强度低、地层疏松以及油稠等因素极易导致开发过程中的严重出砂。油井出砂可导致油套管损坏、砂埋油层甚至停产等[4-7]。目前，机械式筛管防砂是油气井防砂过程中应用最为广泛的一种防砂方式。常用的防砂筛管主要包括绕丝筛管、割缝衬管、金属棉(毡)筛管及金属网布筛管等[8-10]。但机械筛管在应用中也存在局限性，受原油黏度高、泥质含量高以及储层孔渗差异大等因素影响，容易产生筛管堵塞和冲蚀刺漏破坏，防砂有效期不长。目前业内学者对常规防砂筛管的堵塞也有深入研究，如董长银等[11]研究了生产时间、出砂速度、原油黏度等因素对筛管堵塞程度的影响，揭示了堵塞过程的机理。砾石充填防砂工艺防砂有效期长，但其作业成本高，现场施工风险大，单井投产返排时间长，工艺综合费用居高不下，这也限制了该工艺的规模应用。随着高黏度、高泥质和高含水率“三高”油田的加速开发，对特殊防砂筛管的需求也日益迫切。为此，中海油能源发展股份有限公司结合泡沫金属自身结构特性，用其作为挡砂介质，成功研制出了一种区别于常用筛管挡砂结构的泡沫金属防砂筛管。目前国内对泡沫金属筛管防砂技术介绍和研究的较少，孙金等[12]仅研究了不同泥质含量与不同挡砂精度下泡沫筛管的堵塞机理。高斌等[13]只研究了泡沫金属筛管常规的挡砂性能和抗冲蚀性能。目前还缺乏对泡沫金属挡砂机理的深入认识和对筛管性能(包括挡砂精度、过流抗堵塞能力、抗冲蚀能力和抗内外压强度)的全面试验评价，国外更无相关研究报道。
1 泡沫金属筛管 1.1 结构泡沫金属筛管由打孔中心管、肩端环、固紧加强结构、导流结构、泡沫金属层以及外护套等组成，结构如图 1所示。
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| 1—接箍；2—打孔中心管；3—肩端环；4—固紧层；5—导流层；6—泡沫金属层；7—外护套。 图 1 泡沫金属筛管结构图 Fig.1 Structural schematic of foam metal screen |
以∅139.7 mm(
筛管的防砂效果取决于挡砂介质的结构形式。目前海上常用筛管挡砂层结构形式主要有绕丝结构、割缝结构、金属网布结构与金属棉(毡)结构等。多孔泡沫金属内部结构与上述挡砂层结构皆不相同，属于一种新型结构形式，各种类型结构如图 2所示。
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| 图 2 常用筛管挡砂介质与泡沫金属结构 Fig.2 Traditional sand blocking medium for screen and foam metal structure |
泡沫金属材料具有三维立体连通结构，其通透性好，孔隙率高达到80%以上，耐磨、耐腐蚀，因此成为理想过滤材料[14]。对泡沫金属材料进行专业微观观测[15]，其内部孔隙呈多面体“笼式”结构，该结构利于对油田储层固相颗粒进行过滤截留，因此具备了挡砂过滤的前提条件，具体结构如图 3所示。
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| 图 3 泡沫金属内部结构观测图 Fig.3 Observation of the internal structure of foam metal |
泡沫金属单孔结构模型是由12个正五边形面围成的一个正十二面体结构，每一个正五边形所围成的中间部分为小孔，直径大于该值的颗粒无法通过。过滤时最大孔可容纳较大直径的颗粒，但储层固相颗粒小于小孔的则无法进入泡沫镍内部，如图 4所示。
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| 图 4 泡沫金属单孔结构示意图 Fig.4 Schematic diagram of single hole structure of foam metal |
过滤是分离液体和固体或液体和气体的一种工艺，其主要原理就是在驱替压力作用下将含有一定固体颗粒的液体穿透过滤介质，其中固相颗粒被过滤介质阻挡下来，从而实现液固分离[16]，其机理主要包括深层过滤和表层过滤机理。通过显微镜观测滤砂后的泡沫金属材料形貌表明其挡砂机理遵循“表层+深层”的过滤方式。挡砂机理如图 5所示。实际挡砂情况如图 6所示。
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| 图 5 泡沫金属三维立体孔隙模型控砂机理图 Fig.5 Sand control mechanism of three-dimensional pore of foam metal |
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| 图 6 泡沫金属挡砂实物观测图 Fig.6 Observation of the sand blocking of foam metal |
从图 5和图 6可以看出，该新型材料因其内部特殊的多面体孔隙结构具备挡砂的能力，满足新型防砂筛管研制的物质基础。
2 筛管试验评价目前业内对防砂筛管的试验评价主要包括挡砂性能评价和力学强度性能评价。其中，挡砂性能评价主要有挡砂精度试验、过流抗堵塞性能试验和抗冲蚀性能试验；力学强度评价主要有筛管抗胀裂(内压)强度试验和抗挤毁(外压)强度试验。笔者针对以上试验内容一一展开研究，以期为泡沫筛管的现场应用奠定试验基础。
2.1 挡砂精度测试筛管的挡砂精度是其重要参数，挡砂精度不同，筛管与储层的适应性存在很大差别，这关乎防砂的成功与否。根据国际及国内通行做法[17]，将已知准确粒径分布的玻璃微珠或石英砂(陶粒)按一定顺序随油(水)流通过未知精度的筛管，收集产出砂的样品并进行筛析，累计质量分数10%所对应的粒径值被认为是该筛管的挡砂精度。本试验利用大型水平井完井防砂模拟试验装置[18]开展试验，试验流程见图 7。
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| 1—丝堵；2—模拟井筒；3—扶正器；4—地层箱(模拟炮眼)；5—泡沫金属筛管；6—变扣；7—油管短节；8—试验井口。 图 7 水平井完井防砂模拟试验装置挡砂精度试验流程图 Fig.7 Flow chart of sand blocking precision test of horizontal well sand control completion simulation test device |
试验选取了四种不同型号的泡沫金属筛管进行试验，通过对筛管中心管出口收集的砂样进行烘干和粒度筛分，其中PM1、PM2、PM3和PM4型泡沫金属筛管的挡砂精度分别为200、175、150和130 μm。
由试验结果可知，参与试验的泡沫金属筛管的挡砂精度范围在130~200 mm之间，可满足海上油田主力储层(明化镇组和馆陶组)的挡砂要求。后期可通过调整泡沫金属孔径制备工艺参数，可建立起筛管与不同储层的挡砂适应关系，以动态满足油田防砂要求。
2.2 过流抗堵塞能力评价过流抗堵塞能力是衡量筛管性能的一项重要指标[19]，体现了防砂筛管的使用寿命和防砂有效期。筛管堵塞的过程即储层中细粉砂和泥质等固相颗粒逐步阻塞挡砂介质的过程，因此可用渗透率变化值和比采油指数进行表征[20]。目前海上最常用的筛管类型有金属网布型筛管和金属棉(毡)型筛管。利用自行研制的实尺寸防砂筛管防砂效果检测系统开展泡沫金属筛管的抗堵塞评价，同时与其他类型筛管进行评价对比。试验流程图如图 8所示。试验结果如图 9和图 10所示。由图 9和图 10可知，试验初期各筛管暂未被堵塞，渗透率处于高位。随着驱替时间延长，筛管渗透率和比采油指数都呈下降趋势，后期则趋于稳定。分析原因是挡砂层逐渐被试验流体中的固相颗粒堵塞，影响了筛管的过流性能，后期随着颗粒架桥稳固形成，筛管过流表现逐步稳定。通过各曲线对比可知，泡沫金属筛管过流抗堵塞能力要优于金属网布型筛管和金属棉(毡)型筛管，约是后两者筛管的2~3倍，因此对高泥质含量和稠油储层适应性较好。
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| 图 8 实尺寸防砂筛管防砂效果检测系统筛管检测流程图 Fig.8 Flow chart of the sand control screen inspection for the sand control performance inspection system of the actual size sand control screen |
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| 图 9 各种试验筛管渗透率-时间变化曲线 Fig.9 Comparison of permeability-time curves of various sand control screens |
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| 图 10 各筛管比采油指数-时间变化曲线 Fig.10 Comparison of specific oil production index-time curves of various sand control screens |
2.3 抗冲蚀能力评价
储层含砂流体对筛管的冲蚀破坏是筛管防砂失效的一个重要原因。筛管冲蚀受储层流体流速、出砂量多少、粒径大小及油液渗流方向等因素影响[21]。为探寻现有生产、增产过程中筛管冲蚀破坏导致筛管防砂失效的问题，笔者对泡沫金属筛管、金属网布型筛管(A型)、金属棉(毡)型筛管(B型)、绕丝筛管(C型)和复合网布筛管(D型)进行了抗冲蚀性能评价试验，以对比获得筛管抗冲蚀能力的强弱。
结合现场生产，确定试验参数：泵速50~60 L/min，砂比9%，泵压3.5 MPa，石英砂粒径40~60目，高压喷枪内径4.7 mm，冲蚀角度90°，冲蚀距离30 mm。冲蚀后筛管样件见图 11。五种类型筛管冲蚀时长：A型筛管354 s，B型筛管363 s，C型筛管259 s，D型筛管413 s，泡沫金属筛管734 s。
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| 图 11 五种类型筛管冲蚀效果图 Fig.11 Erosion effect diagram of the five types of sand control screens |
由图 11看出，参与试验的各类型筛管表面均有明显的冲蚀孔洞。对D型筛管进行解剖发现，挡砂层完全冲蚀破坏，由此判定筛管防砂失效，如图 12所示。由试验结果可知，没有外护罩防护的C型绕丝筛管耐冲蚀时间最短，仅为泡沫金属筛管的35%，这表明筛管外护罩设计具有明显的抗冲蚀效果。试验中泡沫金属筛管抗冲蚀时间最长，耐冲蚀能力最强，冲蚀时长是其他三种筛管的2~3倍，分析原因除了具备高强度的外保护套设计外，最主要是挡砂介质内部三维立体孔隙结构对高速流体具有很好的分流分压作用，这大大减轻了筛管所受到的冲蚀破坏。
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| 图 12 试验后D型筛管挡砂层解剖图 Fig.12 An atomical chart of the sand blocking layer of the D-type screen after the test |
2.4 抗内外压强度测试
在油井完井和生产开发过程中筛管会受到内部载荷和外部载荷的作用[22]，一旦载荷超过筛管自身强度，这时常会出现筛管破损导致井眼报废的情况。为了探寻现有生产、增产过程中筛管强度不足导致破裂的问题，笔者对泡沫金属筛管开展了抗内、外压强度测试，并与海上常用金属网布型筛管进行试验对比，以获取此类筛管的强度指标，考察筛管强度能否满足中海油企业标准[23]。依据石油行业中关于筛管内胀强度破坏值的测定方法[24]，利用自行研制的全尺寸防砂筛管力学强度检测系统开展试验。试验流程见图 13。
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| 1—管柱连接总成；2—压力传感器；3—筛管；4—居中滚轮环；5—筛管堵头；6—外管压帽；7—回收罐；8—砂浆罐；9—高压钻井泵；10—控制阀；11—高压质量流量计。 图 13 筛管抗内压强度试验流程图 Fig.13 Flow chart of the burst strength test of the screens |
将测试筛管装进全尺寸防砂管抗内压强度检测高压腔内，为了屏蔽暂堵筛孔缝隙，建立内外压差，混合不同粒径石英砂、粘土及碳酸钙粉颗粒，根据图 13所示流程进行试验测试。将管线流程进行倒换可完成筛管的抗外压强度测试。一组试验完成后，更换不同类型筛管完成强度对比试验，期间记录试验泵压-时间曲线(p-T)、泵速-时间曲线(Q-T)。试验曲线如图 14~图 17所示。试验后样件如图 18所示。
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| 图 14 泡沫金属筛管抗内压强度p-Q-T曲线图 Fig.14 p-Q-T curve of burst strength of foam metal screen |
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| 图 15 泡沫金属筛管抗外压强度p-Q-T曲线图 Fig.15 p-Q-T curve of collapse strength of foam metal screen |
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| 图 16 金属网布型筛管抗内压强度p-Q-T曲线图 Fig.16 p-Q-T curve of burst strength of metal mesh screen |
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| 图 17 金属网布筛管抗外压强度p-Q-T曲线图 Fig.17 p-Q-T curve of collapse strength of metal mesh screen |
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| 图 18 强度测试试验后筛管取出样件 Fig.18 The sample taken from the screen tube after the strength test |
泡沫金属筛管与金属网布型筛管测试强度对比见表 1。
| 筛管类型 | 网布型筛管 | 泡沫金属筛管 | 备注 |
| 抗内压强度 | 8.5 | 11.5 | 胀裂破坏 |
| 抗外压强度 | 30.0 | 30.0 | 安全停泵 |
| 海油企标 | 27.5 | 6.5 | — |
由图 18和表 1可知，金属网布型筛管抗内压强度8.5 MPa，破坏形式是内部胀裂破坏，考虑到试验安全，抗外压强度设定最高跳泵安全压力30 MPa，因此该强度达到30 MPa；泡沫金属筛管抗内压强度11.5 MPa，也存在防砂层外胀情况，泡沫孔径有增大现象，抗外压强度也达到30 MPa。两种类型筛管均满足海油企标强度要求，但泡沫金属筛管抗内压强度要高于金属网布型筛管，前者是后者的1.35倍。
3 结束语基于对泡沫金属特殊的三维“笼式”内部结构及挡砂机理的认识，成功研制了泡沫金属防砂筛管。利用专业防砂试验平台具有的完井防砂评价装置对泡沫金属筛管开展了挡砂精度、过流抗堵塞、抗冲蚀能力试验和抗内外压强度测试。试验结果体现了泡沫金属筛管优秀的挡砂性能，完全满足油田开发完井防砂的特殊要求。与海上其他类型常用筛管的对比试验可知，泡沫金属筛管的过流能力、抗冲蚀能力是其他类型筛管的2~3倍，抗内外压强度指标超出海油应用标准，非常适合海上“三高”油田的开发需求，实现了新材料行业与油田开发防砂领域相结合的技术创新，市场推广前景良好。
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