形状记忆聚合物在防砂中的应用

2022-02-17孔德涛宋吉明阎兴涛

石油化工应用 2022年11期

孔德涛，宋吉明，阎兴涛，陈旭

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，广东深圳 518054）

世界范围内，超过70%的油气藏会受到出砂的影响[1-3]，油井出砂会磨损井下工具，堵塞井筒，降低产能，甚至使油井报废[4-7]。通常，对于易出砂的油井需要进行防砂作业，延长油井寿命，而如何进行有效的防砂也成为业界的一大挑战。

防砂完井工艺，基本可分为两种，（1）下入不同类型的筛管进行独立防砂[8]，（2）下入筛管后进行砾石充填，而砾石充填是目前公认的进行油井防砂的一种最为有效的完井方式[9-11]，并已经在世界范围内广泛应用，但砾石充填发展至今仍然有许多无法解决的缺陷，包括工艺复杂，作业难度大，耗费时间长，作业中易产生充填缺陷而导致作业失败等，虽然优化设计、合理施工能够一定程度降低砾石充填失败的概率，但其固有的缺陷已无法再通过工艺的改进进行解决。

20世纪80年代热致型形状记忆聚合物被发现[12-13]，并逐渐被应用于石油工程领域[14-16]，用形状记忆聚合物制作成的筛管可以实现与独立筛管防砂一致的作业方式，并达到砾石充填作业的效果，这是一种颠覆性的技术进步，彻底改变了防砂领域的规则，随着技术的成熟与完善，成本的不断降低，形状记忆聚合物筛管有望最终完全取代砾石充填完井工艺。

1 形状记忆材料在石油工程中的应用现状

材料在受到外界某种刺激后，可发生形状的改变并经过定型处理后撤去外界刺激，当再次受到外界的刺激后可恢复到初始的形态，这种现象就是形状记忆效应，而可产生形状记忆效应的材料就是形状记忆材料[17-22]。形状记忆材料一般可分为三种类型，形状记忆金属、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。在石油工程领域，形状记忆金属通常可用来制作封隔器、各类管接头等金属部件，前人对形状记忆合金在石油工程中的应用现状进行过详细归纳总结[23]，并提出了一些亟待解决的问题，为形状记忆金属在石油工程领域内的持续发展指出了方向；形状记忆陶瓷的形变量较小且材料易碎，这些都限制了其在石油工程领域的应用，但其具有耐高温的特性，可用于高温形状记忆装置的制作[17]，可利用这一特性加强其在石油工程领域的应用拓展；形状记忆聚合物具有密度小、质量轻、形变量大、易成型、耐腐蚀等特点，在石油工程领域具有极大的应用潜力，可用于堵漏剂、膨胀水泥、压裂支撑剂以及压裂转向剂等，而将形状记忆聚合物进行发泡处理制作而成的多孔型或泡沫型形状记忆聚合物[24-26]，由于其多孔隙性、较高的渗透性、较强的机械性能[27-32]，是理想的制作筛管的材料，可在其压缩状态下将其下入井内，在井内膨胀后恢复其原始特性并提供稳定的井壁支撑，从而替代了砾石充填材料。

贝克休斯的专利防砂系统将形状记忆聚合物工业化应用于防砂领域[33-36]，其各项性能居于世界先进水平。国内相关产品和技术的研究与应用都鲜见报道，有人曾试制了形状记忆筛管简易试件，并通过自制的评价装置对其各项性能进行了测试，包括膨胀性能、渗透率、挡砂精度等[37-38]，但其制备的试样仅仅能够进行实验室内的模拟测试，现场试验也仅仅是简易井况下的膨胀试验，远未达到现场应用水平。因此，相关技术的引进、吸收与消化并加速自主研发迫在眉睫。

2 形状记忆聚合物筛管原理

形状记忆筛管在生产时，首先选择外径略大于裸眼直径的形状记忆聚合物材料，将材料加热至玻璃化转变温度以上并压缩至一个较小的外径后冷却定型为筛管模块，入井前将定型后的模块组装到基管上，下入到位后，将活化液泵入井内，活化液可暂时性的将形状记忆聚合物材料的玻璃化转变温度降低至井底温度以下，从而使其膨胀恢复至与裸眼贴合状态，之后将活化液排替出井，聚合物的玻璃化转变温度高于井底温度后筛管定型，由于原始状态的筛管直径大于裸眼直径，所以井底定型后的筛管可完全贴合裸眼并可提供一定大小的径向支撑力，从而保证了井壁的稳定，整个过程见图1。

图1 形状记忆聚合物筛管原理

3 贝克休斯形状记忆聚合物筛管模块结构

贝克休斯形状记忆聚合物筛管模块的结构见图2，包括内护套、编织层、外护套以及形状记忆聚合物层，内外护套为筛管提供了抗内压和抗外挤强度，编织层相当于增加了一层防砂层，可以看到，除去外部的形状记忆聚合物防砂层后，内部相当于一套简易筛管结构，这样的结构进一步提高了挡砂精度，并为形状记忆聚合物层提供了支撑。

图2 形状记忆聚合物筛管模块结构图

4 形状记忆聚合物筛管孔隙结构

传统砾石充填所用材料的尺寸通常依赖于地层粒径分布曲线进行选择[39]，所形成的充填层为均匀颗粒组成的实心层，颗粒间的喉道为填充层提供了渗透性，不同于传统砾石充填，形状记忆聚合物膨胀后的结构为空心单元网状结构并具有大小不一的多重流道（图3），其渗透率超过30 D，这种结构仅允许小于44 μm 的地层砂通过从而有效避免了砂堵，并且与石油钻完井、修井中的几乎所有工作液相匹配。形状记忆聚合物的结构特性使其完全不用考虑地层砂粒径的大小，做到了一种产品能适用于所有地层，从而简化了防砂前期的准备工作。

图3 形状记忆聚合物筛管孔隙结构与砾石充填对比

贝克休斯形状记忆聚合物筛管技术参数见表1。

表1 贝克休斯形状记忆聚合物筛管技术参数表

5 作业中不同液体对形状记忆聚合物的影响

筛管膨胀的速率受到井底温度、完井液类型和活化液浓度等多种因素的影响，所用活化液需要根据油藏物性以及所需的膨胀时间进行定制化设计，一般情况下，活化液通常由基液和活化剂构成，基液可由盐水、钻开液或破胶剂等工作液构成。对于井底温度高于38 ℃的情况，活化剂通常使用乙酰丙酮；对于井底温度低于21 ℃的情况，活化剂通常使用DE 醋酸酯。当使用乙酰丙酮作为活化剂时，至少应浸泡12～24 h，对于DE 醋酸酯，浸泡时间应至少在24～36 h。

大部分常见的油田化学品和流体已经经过测试并确认了与形状记忆聚合物的配伍性，然而，一些芳烃和两性溶剂可能会暂时性改变形状记忆聚合物的特性，因此应审查完工后的化学处理程序以确保配伍性。

在修井的情况下，应避免形状记忆聚合物长时间暴露在高浓度溶剂中，因为这可能会导致不可逆转的影响。常见的溶剂可以包括醇类、酮类、乙二醇醚类和酯类等。

6 与砾石充填作业的对比

常规砾石充填作业，根据作业难度的不同，通常需要5 至10 人共同完成，而下入形状记忆聚合物筛管仅需要2 到3 人即可完成作业。在作业天数上，常规砾石充填在10 至30 天完成，形状记忆聚合物筛管仅5 天左右即可完成。

形状记忆聚合物筛管可下入超长大位移、多分支、上翘型、正弦型井内，而通常这些井型都是砾石充填所难以完成的。

此外，形状记忆聚合物筛管还可以和裸眼封隔器、ICD 控水筛管以及各类型滑套配合使用，大大增强了灵活性，为实现油井产量和寿命的最大化提供了条件。

7 应用案例

日本分别在2013年和2017年进行了两次天然气水合物试采[40-41]，2013年的第一次试采中尽管使用了较为成熟的砾石充填完井工艺，但仍然在试采的第6 天由于出砂严重导致试采中断，2017年的第二次试采中采用了形状记忆聚合物防砂系统，第二口试采井采用井下膨胀的方式，解决了出砂问题并将试采时间提高至了24 天，此次试采中，对比砾石充填，形状记忆聚合物筛管展示出了在防砂方面的明显优势。

2020年俄罗斯萨哈林近海地区，形状记忆聚合物筛管被成功下入到一口超长大位移分支井中，由于油藏属于超细粉砂岩且破裂压力梯度较低，加之位于边远区域，现场资源和平台空间都非常有限，进行砾石充填几乎是不可能的，而此层位又被认为必须要进行砾石充填，最终采用形状记忆聚合物筛管使其防砂作业成为可能并节约了成本。

2020年在印度尼西亚的一口深水井作业中，形状记忆聚合物筛管配合裸眼封隔器，并通过上部的智能完井，实现了对具有不同厚度多层位的分层开采，不仅替代了多层砾石充填作业，还实现了分层控水生产。

截至2020年底，贝克休斯的形状记忆聚合物专利防砂系统已在多国部署，下入量逐年上升，其替代砾石充填的趋势也渐渐凸显。目前，限制其大规模应用的仍然是成本因素，现阶段只有当采用此系统节约的成本远优于砾石充填的情况下，油田公司才会考虑方案的替换，但随着下入量的不断增长，产品的普及，将不断降低成本，有望最终优于砾石充填而将其取代。