形状记忆筛管自充填防砂完井技术

2019-10-30段友智刘欢乐

石油钻探技术 2019年5期

段友智，艾爽，刘欢乐，岳慧

（1. 中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100101）

目前，独立筛管防砂完井技术和砾石充填防砂完井技术的应用比较广泛[1-4]。筛管完井具有不用射孔、试油工艺简单的优点，但修井作业难度大、易污染油层。砾石充填完井是先下入独立筛管，随后下入充填管柱，通过地面泵送携砂液实现井眼环空的充填，具有防坍塌、耐冲蚀和防砂有效期长等优势，但存在施工工艺复杂、易砂堵和充填长度受限等不足。因此，提出了形状记忆筛管防砂完井技术，只需下入一趟管柱将处于压缩状态的形状记忆筛管送入井底，利用地层温度激发筛管膨胀，实现充填环空、支撑井壁和过流挡砂的功能。形状记忆筛管防砂完井的充填长度不受限制[5-6]，能够以独立筛管的完井工艺达到砾石充填的完井效果[7-8]，大幅缩短施工周期和减少地面配套装置，可用于长水平段水平井、复杂结构井及海上平台等井场条件受到限制油气井的防砂完井，应用前景广泛[9-10]。为此，笔者设计了形状记忆筛管的机械结构，研制了国内首支形状记忆筛管样机，利用室内性能评价装置优化了筛管材料体系，配套了形状记忆筛管防砂完井工艺，并进行了现场试验，验证了形状记忆筛管自充填防砂完井技术的可行性和适用性。

1 形状记忆筛管结构设计及加工

形状记忆筛管防砂完井技术的核心是温敏性形状记忆筛管，其结构包括打孔基管、侧流保护套、形状记忆材料及可溶保护涂层（见图1）。其中，最内层是φ88.9 mm 打孔基管，圆孔在管体上呈螺旋式分布，孔径、孔密可调；第二层侧流保护套是由不锈钢材料316L 和镍合金编织的桥式金属滤网，可提高过流面积、降低筛管堵塞概率；第三层是压缩态温敏性形状记忆材料，在特定温度下激发可以发生膨胀，紧贴套管内壁或者裸眼井壁；最外层是可溶保护材料，可防止入井过程中筛管提前膨胀，降低下入风险。设计基于φ88.9 mm 基管的形状记忆筛管，长度9.80 m，膨胀前最大外径133.0 mm，膨胀后外径190.0 mm，适用于φ152.4 mm 裸眼井防砂完井。

图 1 形状记忆筛管的基本结构Fig.1 Structure of shape memory screen

形状记忆筛管的核心部件是形状记忆材料。对不同形状记忆材料的记忆温度、变形能力、恢复力、耐水解、耐酸碱和成本等方面进行比较，优选了综合性能优异的形状记忆聚氨酯作为形状记忆材料的原料[11-17]。通过优化单体配比，制得了形变温度60～91 ℃的形状记忆聚氨酯，可满足不同深度储层完井的需求。

将研制的形状记忆聚氨酯及其他成分组成的混合物料按照一定的充填系数注入发泡装置，使材料在密闭的模具内发泡，当其膨胀到充满模腔时，由于模腔的束缚，模具内压力提高，材料逐渐固化，得到规定尺寸和结构的原始态形状记忆材料。对成型工艺进行优化，使成型后的原始态形状记忆材料均质性好，机械强度高，无需进行后固化。

设计加工了浇注成型后的原始态形状记忆材料心轴脱除装备，在内孔结构保持完整的状态下，可快速脱除原始态形状记忆材料浇注成型时形成中心孔的心轴。研制了原始态形状记忆材料夹具及内孔处理工装，可实现长度2.00 m 的圆筒形原始态形状记忆材料内孔的去皮及尺寸修正，修正后的尺寸规则、利于压缩。

原始态形状记忆材料受热刺激软化后，在恒定应力下变形，其形状随着温度降低而固定，称为变形态[18]。为适用φ152.4 mm 井眼的完井要求，将外径190.0 mm、内径90.0 mm 的原始态形状记忆材料压缩为外径133.0 mm、内径88.0 mm 的变形态形状记忆材料，以便研制筛管。其技术难点为：为了确保完井管柱安全下入及完井后对环空的密实充填，原始态形状记忆材料必须在体积被压缩为原始体积的1/4 后仍然为规则的圆形，且可在充填环空后恢复为原始态。为此，研发了18 瓣式形状记忆材料压缩定型装备。该装备的曲柄滑块机构及四连杆机构连接的18 瓣压条呈周向分布，液压工作站驱动9 个液缸对18 瓣压条进行径向压缩。原始态（压缩前）和变形态（压缩后）形状记忆材料试样如图2 所示。

图 2 不同状态的形状记忆材料试样Fig. 2 Prototypes of shape memory materials in different states

最后，将变形态形状记忆材料套在装有侧流保护套的打孔基管上，形状记忆材料之间通过连接环连接，端部用端环固定，形成形状记忆筛管。

2 形状记忆筛管性能评价

为了评价形状记忆筛管性能，研发了全尺寸形状记忆防砂筛管性能评价试验装置，可实时、定量监测形状记忆筛管试样在膨胀过程和膨胀后的试验参数，评价不同体系形状记忆筛管的膨胀性能、渗流性能和挡砂性能，据此对形状记忆材料配方和筛管结构进行优化。其中，模拟井筒的内径为152.4 mm，形状记忆筛管的外径为133.0 mm。

一组典型的形状记忆筛管试样的膨胀过程如图3 所示。从图3 可以看出，形状记忆筛管试样开始膨胀时的温度为42 ℃，膨胀到位的温度为62 ℃。从膨胀过程上看，膨胀速率小于1.6 mm/h，即便在62 ℃条件下，最后的3.0 mm 也需要12 h 才能膨胀到位，给形状记忆筛管入井提供了充足的施工时间。同时，由于原始态形状记忆材料的外径远大于井筒，形状记忆筛管在膨胀到位后仍具有继续膨胀能力，因此可以在裸眼井中进行应用。

图 3 形状记忆筛管的膨胀过程曲线Fig. 3 Expansion process curve of shape memory screen

制作了不同配方的形状记忆筛管试样38 套，进行了激发膨胀启动温度、不同温度梯度对膨胀速率的影响、环空充填率等功能性模拟试验及充填完成后的渗透率、挡砂精度和抗堵塞等48 组性能测试试验。结果表明，形状记忆筛管试样采用温度激发膨胀后的外径圆整度高，外形恢复率大于90%，可实现环空的密实充填。同时，形状记忆筛管试样具有非常好的渗流性能和挡砂性能，膨胀后的渗透率可高达10 D 级，挡砂精度达0.061 mm。

3 形状记忆筛管防砂完井工艺

与传统的泵送砂浆砾石充填完井相比，形状记忆筛管自充填防砂完井工艺简单，无需任何额外工序和工具。由于形状记忆筛管膨胀后可以完全充满环空，不会从环空出砂，因此可以用不带封隔功能的悬挂器悬挂，或者在井底支撑时采用丢手接头。以直井为例，只需一趟管柱将形状记忆筛管下入目的层，试提管柱，判断筛管在地层温度作用下膨胀到位后，将其悬挂或进行丢手作业，即可起出管柱，完成完井作业（见图4）。

图 4 形状记忆筛管直井防砂完井工艺Fig. 4 Sand control completion process with shape memory screen in vertical well

4 现场试验

为了进一步验证形状记忆筛管的性能，在中国海油JJSY-1 井进行了极限膨胀性能试验和环空自充填试验。

形状记忆筛管极限膨胀试验管柱包括油管短节+2 个温度计托筒+形状记忆筛管+扶正器+变扣接头+钻杆，如图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 处分别静止10 min，随后缓慢下入探底，静置8 h 后缓慢提出管柱。试验时的地表温度为10.9 ℃，地温梯度为3.11 ℃/100 m，为环空自充填试验提供了基础数据。起出的形状记忆筛管外形规则、无磨损，且已实现完全膨胀，与未入井的原始尺寸的形状记忆筛管相比，外径明显扩大，可达191.1 mm。极限膨胀性能试验结果表明，形状记忆筛管完成充填后仍有20%以上的膨胀余量，可实现不规则裸眼井环空的完全充填，并具有良好的井壁支撑性能。

图 5 形状记忆筛管自由膨胀试验管柱Fig. 5 Free expansion test string with shape memory screen

环空自充填试验时，首先下入组合套管，包括套管丝堵+φ177.8 mm 短套管+φ177.8 mm 打孔套管+φ244.5 mm 套管（见图6），然后下入试验管柱，包括油管短节+扶正器+形状记忆筛管+丢手短节+油管短节+变扣接头+钻杆，下入到位4 h 后，分别试提管柱，上提力由539.5 kN 增大到597.8 kN，初步判断筛管已经贴近套管内壁。静置6 h 后从井口关闭套管，清水以0.1～0.5 m3/min 排量进行反循环，压力表无明显读数，表明膨胀后的筛管径向渗透率高。继续静置40 h，投球加压至15.0 MPa，丢手后起出试验管柱和套管，测得筛管外径为158.1 mm，略大于套管内径，说明环空已完全充填；测得形状记忆筛管在射孔孔眼中的膨胀高度为5.9 mm，说明形状记忆筛管不仅能完全充填环空，还能进一步充填射孔孔眼，实现了从挡砂到防止出砂的跨越。环空自充填试验结果表明，自充填完井施工时间短，环空和射孔孔眼充填率均为100%，充填层渗透率高，满足现场生产要求。

图 6 形状记忆筛管环空自充填试验管柱Fig. 6 Annulus self-packing test string with shape memory screen

极限膨胀性能试验和环空自充填试验结果表明，自主研制的形状记忆筛管满足现场应用要求，具备现场推广条件。形状记忆筛管自充填防砂完井工艺与传统的泵送砂浆砾石充填工艺完全不同，可大幅度简化海上油气井充填完井、多层系分段砾石充填完井及长水平段水平井分段充填完井的施工工艺，并减少施工设备，缩短完井周期，降低综合生产成本，提高施工安全性及环保性。