泡沫金属防砂筛管研制及性能测试

2020-07-14邢洪宪张晓诚孟召兰张纪双张春升

海洋石油 2020年2期

邢洪宪，张晓诚，王尧，孟召兰，张纪双，张春升

（1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中海石油天津分公司，天津 300452）

油气井出砂会造成磨蚀井下、地面设备和工具，堵塞井眼，降低油气井产量或迫使油气井停产[1]。我国海上发现的疏松或较疏松砂岩油气田较多，这些油气田在开采初期就需要采取防砂措施。

海上油气田的开发要求高速、强采，防砂层易被冲蚀破坏，要求防砂层强度高、耐冲蚀；同时，海上油气田开发主要为定向井和水平井，作业风险大，防砂方式的选择需考虑降低作业风险；另外，海上修井作业费用高，这就要求防砂有效期要长，尽可能降低修井频率。针对这些对海上油气田防砂的要求，目前海上常用的防砂方式主要采用独立筛管防砂和砾石充填防砂。独立筛管防砂的作业周期短，作业风险小，作业费用低，对储层伤害小，但筛管易被堵塞[2]和冲蚀破坏，防砂有效期较短，主要用于泥质含量低、地层砂粒度分选好的物性较好的储层；砾石充填防砂效果好，有效期长，生产稳定，但作业周期长，作业风险大，作业费用高，对储层伤害大，主要用于泥质含量高、地层砂粒度分选差、物性较差的储层[3-6]。

对于物性不算太好也不算太差的储层，采用现有的独立筛管防砂方式失效的风险较大，而采用砾石充填的防砂方式又有些浪费，能否研究出一种新型防砂方式，更好地满足该类储层的防砂需求，弥补现有两种防砂方式的不足，就是本文的探讨方向。

砾石充填防砂之所以效果好，得益于地层和筛管之间的砾石充填层的三维立体结构。本文通过对同样具有三维立体结构的泡沫金属材料挡砂机理的研究，研制出了一种泡沫金属防砂筛管。通过室内的性能测试和井下现场试用，证明泡沫金属筛管的挡砂性能、过流能力、耐堵塞能力和耐冲蚀性能均较好，为海上油气田的防砂提供了一种新的选择。

1 泡沫金属及挡砂机理

1.1 泡沫金属材料简介

泡沫金属（图1）是一种金属基体中含有一定数量、一定尺寸孔径、一定孔隙率的金属材料[7]。作为一种功能材料，泡沫金属在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业，甚至在航空航天技术中都有着广泛的用途[8]。由于泡沫金属材料的内部存在许多孔洞，孔洞的大小、多少、均匀性、连通及封闭都会影响它的性能。

泡沫金属材料的制备工艺目前常用的有发泡法、电沉积法、粉末冶金法、渗流法[9]，泡沫金属的制备工艺不同，所得到的泡沫金属的产品质量和成本也有差别。常用材料铝、镍、铁、铜都可制备成泡沫金属，目前不锈钢泡沫金属还处于试验阶段，没有达到工业化应用的水平。

图1 泡沫金属材料实物图

泡沫金属材料因具有突出的高通透性，孔径可调，耐磨蚀，成为理想的过滤材料。泡沫金属过滤材料比多孔陶瓷过滤材料具有更高的机械强度和韧性，比多孔高分子过滤材料具有更好的环境适应性。

1.2 泡沫金属挡砂机理

泡沫金属材料具有三维立体结构，此结构与砾石充填层的三维结构相类似，因此其挡砂机理同砾石充填层的挡砂机理相似，都遵循表层过滤、深层过滤、砂拱架桥规律。但二者的内部孔隙结构表现形式又存在不同，决定了其挡砂机理又存在一定差异。砾石充填层以颗粒为主，孔隙率较低，一般为30% ~ 35%；泡沫金属材料的内部孔隙形貌呈现多面体“笼式”结构（图2），以孔隙为主，孔隙率可高达80%以上。砾石充填层的砾石起挡砂功能，砾石与砾石之间的喉道是渗流通道（图3）；泡沫金属材料的连结筋条起挡砂功能，筋条之间结成的三维网状笼式结构则为渗流通道（图4）。所以砾石充填层过滤容易造成喉道堵塞、过流能力下降，而泡沫金属材料在过滤过程中孔隙不易堵塞，过流能力更好。

图2 泡沫金属材料内部结构图

图3 砾石充填层挡砂机理示意图

图4 泡沫金属材料挡砂机理示意图

2 泡沫金属筛管研制

2.1 泡沫金属材料优选

由于井下环境非常复杂，用作过滤介质的泡沫金属材料除了需要具备良好的过滤性能外，还要具备较好的耐腐蚀性能和较高的强度。在现有常用的泡沫金属材料当中，泡沫铁的耐腐蚀性能较差，难以使用；泡沫铜和泡沫铝的强度较差，耐腐蚀性能也不太好；泡沫铁镍大批量生产时很难形成有效合金结构，通常铁和镍都以单质形式存在，极易腐蚀且强度较弱；泡沫不锈钢具有较高的强度，良好的耐腐蚀性能，但目前的制备工艺尚无法批量生产；泡沫镍成本虽较高，但是具备一定的结构强度和优良的耐高温腐蚀性能，尤其适合于海上稠油热采井况，具备良好的应用前景，所以选用泡沫镍金属材料作为筛管的挡砂介质。

2.2 泡沫金属挡砂层结构设计

海上常用防砂筛管的挡砂层厚度平均为5 mm，常用挡砂结构呈倒置的“V”字形状，因此，泡沫金属筛管挡砂层的总厚度也按照5 mm进行设计，采用外密内疏的变孔径结构形式。为了满足海上稠油热采高采液强度和抗冲蚀性能的特殊要求，增加了1 mm厚度，变为6 mm。

泡沫金属材料的强度与体密度呈正相关性，体密度越大，强度越高。但是孔隙率与体密度呈负相关性，体密度越大，孔隙率越低。考虑到泡沫金属筛管对强度的要求，设计泡沫金属挡砂层的体密度为2.5 g/cm3，该密度下的孔隙率为71.9%，约为普通砾石充填层孔隙率的两倍。

2.3 泡沫金属筛管结构设计

泡沫金属筛管的三维剖面结构如图5所示，由内到外依次为带孔基管、导流层、挡砂层、固紧层和外护罩，各部分的特点如下。

（1）带孔基管：采用螺旋布孔设计，孔眼密度高，过流能力强。

（2）导流层：引导储层流体沿轴向和径向方向流动，提高筛管过流能力。

（3）挡砂层：采用高孔隙率变孔径泡沫镍材料，具备良好的过流性能、耐堵塞性能和耐高温腐蚀性能。

（4）固紧层：能有效箍紧挡砂层，提高泡沫金属筛管的抗内压强度。

（5）外护罩：采用“桥式”冲缝设计，有效保护内部泡沫金属挡砂层，提高筛管的耐冲蚀性能。

图5 泡沫金属筛管结构示意图

3 泡沫金属筛管室内性能测试

3.1 挡砂精度测试

泡沫金属作为一种三维多孔材料，其孔径以ppi值表示，即泡沫金属在每英寸长度上包含的孔数。当泡沫金属材料用作过滤用途时，气泡法测量的结果可以较好地反映多孔体的实际过滤效果 [10]。

首先采用PBR气泡孔径测定仪对某种孔径的泡沫金属样件进行孔径测定，然后再通过防砂模拟试验装置对该种孔径的泡沫金属筛管进行挡砂精度试验测试，结果表明，通过试验仪器测得的泡沫金属材料的孔径与通过挡砂试验实测的挡砂精度数值基本吻合。

3.2 耐堵塞性能测试

针对南海西部海域的文昌13-1油田粉砂岩储层，通过驱替试验对泡沫金属筛管、金属网布筛管和精密筛管的耐堵塞性能进行了对比，结果表明，泡沫金属筛管的过流能力在初期约为金属网布筛管的4倍，约为精密筛管的10倍，生产稳定期后是金属网布筛管的5倍（图6）。

图6 不同类型筛管耐堵塞性能对比测试

针对渤海海域的绥中36-1油田细砂岩储层，通过驱替试验对泡沫金属筛管独立防砂和金属网布筛管砾石充填防砂的耐堵塞性能进行了对比，结果表明，泡沫金属筛管独立防砂的过流能力同金属网布筛管砾石充填防砂接近（图7）。

图7 不同防砂方式耐堵塞性能对比测试

3.3 强度性能测试

对所研制的泡沫金属筛管分别进行了抗外挤和抗内压强度测试，抗外挤强度超过35 MPa，抗内压强度为11.5 MPa，满足设计要求。

3.4 耐冲蚀性能测试

含砂流体对筛管的冲蚀破坏是导致筛管失效的一个重要因素，为了了解新研制的泡沫金属筛管的耐冲蚀性能，对泡沫金属筛管和海上油田常用的桥式复合筛管、星孔筛管和绕丝筛管进行了冲蚀破坏对比测试，测试参数和各种筛管的冲蚀破坏时间见表1，测试结果表明泡沫金属筛管具有较高的耐冲蚀性能。

表1 不同类型筛管耐冲蚀性能对比测试

3.5 耐高温性能测试

为了了解泡沫金属筛管在高温环境下的挡砂精度和强度变化情况，将40 ppi规格的泡沫金属筛管样品在350 ℃高温导热油中浸泡了22天，筛管高温试验前测定的挡砂精度为218.3 μm，高温油浸试验后为228.3 μm，挡砂精度增加了10 μm，此变化量在误差范围之内，不会影响筛管的挡砂效果。

3.6 耐腐蚀性能测试

蒸汽吞吐热采技术是超稠油油田开发的主要技术之一，为了了解泡沫金属筛管对热采环境的适应性，对作为挡砂介质的泡沫金属镍进行了室内高温腐蚀性能试验。试验采用海上某超稠油油田蒸汽吞吐热采时的流体组分和注入及采出工艺参数，分别模拟了注热7天、注热21天和采出阶段的三个过程，检测出了和三个过程相对应的泡沫金属镍的腐蚀速率。注热7天时的腐蚀速率为0.000 63 g/mm3·a；注热21天时的腐蚀速率为0.000 53 g/mm3·a；采出阶段的腐蚀速率为0.000 02 g/mm3·a。由此可见，泡沫金属镍具有良好的耐腐蚀性能[11]和对350 ℃高温蒸汽吞吐热采工艺的适应性。