曹 暢，楊乾隆，蔣貝貝，馮 濤，張國強

1中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院2中國石油長慶油田分公司第十采油廠3西南石油大學“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室

0 引言

油氣井生產(chǎn)過程中，儲層出砂會帶來極大危害，例如產(chǎn)量降低、井筒砂堵、管線及地面設備沖蝕損壞甚至停井停產(chǎn)等，企業(yè)每年需耗費大量的費用去處理出砂問題，極大降低了開采效益。目前油氣井最常用的防砂技術是基于金屬機械篩管或礫石充填+金屬篩管的獨立篩管防砂完井和礫石充填防砂完井［1］。然而，由于材質(zhì)問題，金屬篩管防砂時篩管沖蝕及腐蝕問題十分突出，特別對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，金屬篩管常常會受到嚴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題，新型陶瓷篩管整體具有結構簡單、承受機械載荷大、低完井表皮、耐高溫和強抗沖蝕腐蝕性能，還能夠適應多種井型（新井、老井、裸眼井和射孔井）等諸多優(yōu)勢，可彌補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 陶瓷篩管簡介

陶瓷篩管的研制和開發(fā)最早從丹麥Maersk公司開始，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備出砂沖蝕損壞問題，保障后續(xù)分段封隔和分段開采的順利實施，因此，丹麥Maersk油氣公司與德國的ESK Ceramics公司（即現(xiàn)在的3M公司）重新啟用了上世紀80年代曾被用作防砂完井的陶瓷材料，并開發(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（長度可調(diào)），導管（固定陶瓷環(huán)），金屬保護罩（起下入保護作用），兩個端蓋（保護篩管兩端）和一個基管（打孔油管或者割縫襯管），見圖1。陶瓷環(huán)疊片通過導管卡在基管上，并被安置在左右兩個端蓋之間，兩端端蓋緊緊夾持住陶瓷環(huán)疊片限制其移動，但兩端的彈簧組件又能實現(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、震動等多種載荷作用下能有效分散載荷而避免應力損傷［6-8］。此外，陶瓷環(huán)疊片結構又保證了高滲流通道，降低了完井表皮，利于產(chǎn)能釋放，見圖2。

圖1 陶瓷篩管總成

圖2 陶瓷環(huán)結構示意圖

陶瓷環(huán)上面有三個呈120°角均衡分布的球形碟片凸起（見圖2），可保證陶瓷環(huán)堆疊時處于點狀接觸；一方面，點狀接觸的碟片凸起尺寸可任意調(diào)節(jié)，進而改變陶瓷環(huán)疊片間隙，滿足多種擋砂精度需求（即間隙寬度可量身定做）；另一方面，點狀接觸的陶瓷環(huán)堆疊結構、帶有多個彈簧的端蓋設計結構，又能很大程度上保證陶瓷篩管在下入過程中輕松應對扭轉和撓曲應力損害，是新型陶瓷篩管結構設計創(chuàng)新點。

2 燒結陶瓷材料

新型陶瓷篩管所用的燒結陶瓷材料，目前主要采用無壓燒結工藝獲得，即以高純、超細碳化硅粉為原料，通過加入少量燒結助劑（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℃高溫下燒結得到。該燒制環(huán)境中原子擴散加劇，孔隙縮小，顆粒間由點接觸轉變?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，晶粒長大；隨著晶界上的物質(zhì)不斷擴散到孔隙處，使孔隙逐漸消除，最終得到具有優(yōu)良力學性能的致密碳化硅陶瓷材料。

2.1 抗高沖蝕性能

對比新型陶瓷篩管和金屬繞絲篩管試樣沖蝕實驗（測試數(shù)據(jù)見表1）［6-7］，結果表明，陶瓷篩管具有極強耐沖蝕性；金屬繞絲篩管在較短測試時間內(nèi)就發(fā)生了沖蝕破壞，而陶瓷篩管即使在長達72 h的CO2腐蝕環(huán)境中高強度沖蝕也未有任何肉眼可見的破損和材質(zhì)流失，見圖3。

表1 陶瓷篩管試樣沖蝕測試參數(shù)

圖3 陶瓷篩管（左）和金屬繞絲篩管（右）沖蝕實驗對比圖

2.2 抗腐蝕性能

2.2.1 抗酸蝕性能

3M公司通過測試96%濃硫酸在不同溫度（130℃、160℃、190℃、220℃）水熱環(huán)境中腐蝕燒結碳化硅（SiC）實驗，結果表明燒結碳化硅（SiC）材料均無任何明顯腐蝕跡象；同時進行的王水腐蝕對比測試（將316L金屬篩管與燒結陶瓷環(huán)分別置于60℃王水浸泡30 min），結果顯示316L金屬篩管幾乎腐蝕殆盡，而陶瓷環(huán)無明顯腐蝕痕跡［8］，見圖4。

圖4 316L金屬篩管與陶瓷環(huán)王水腐蝕測試

2.2.2 抗堿蝕性能

對燒結陶瓷材料在100℃下的KOH和NaOH強堿溶液中進行抗堿蝕性能測試［9］，如表2所示。

表2 抗堿性能測試

抗腐蝕質(zhì)量減少值評價：＞1 000 mg/cm2·a，迅速損壞；100～990 mg/cm2·a，使用期小于一個月；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，可長期使用；小于0.2 mg/cm2·a，長期使用，無明顯腐蝕。實驗結果表明：燒結陶瓷材料在兩種強堿溶液下其腐蝕質(zhì)量減少值均小于0.2 mg/cm2·a，說明該材料具有極強的耐酸堿腐蝕性。

2.3 屈曲性能測試

為了測試燒結碳化硅（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，測試抗彎曲強度性能［10］，見圖5。實驗結果表明：燒結碳化硅（SiC）在20～130℃的高濃度水熱鹽溶液環(huán)境下，其抗彎曲強度值隨著溫度升高略有下降；溫度在130～190℃范圍內(nèi)，燒結碳化硅（SiC）抗彎曲強度值總體呈上升趨勢；當溫度超過190℃后，燒結碳化硅（SiC）抗彎曲強度值略有下降?？傮w看來，高溫環(huán)境對燒結碳化硅（SiC）抗彎曲強度值起積極作用，隨著溫度的增加，其抗彎曲強度總體上升。

圖5 燒結碳化硅陶瓷篩管抗屈曲性能測試結果

3 陶瓷篩管性能

3.1 機械強度

篩管在井下作業(yè)時需要有良好的抗擠壓性和抗內(nèi)壓性能，以保護篩管內(nèi)部結構完好，保證防砂有效性。3M公司對新型防砂篩管（外徑139.7 mm）進行擠壓測試［11］。測試結果表明：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，整體強度能夠滿足絕大多數(shù)井況需求。

3.2 抗曲性能

在新型陶瓷篩管的屈曲測試中，當狗腿度增加到24.8°/30 m時，篩縫寬改變量為23μm（合格標準：陶瓷環(huán)縫寬變化不能超過50μm）；當狗腿度增加到88.6°/30 m時，陶瓷環(huán)沒有任何損壞；當載荷卸載后，篩縫寬度幾乎沒有變化，與設計規(guī)格參數(shù)一致。由此可見，陶瓷篩管的這種設計結構具有很好地屈曲性能［3-4］。

3.3 流體流入性能測試

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

4 篩管關鍵參數(shù)

陶瓷篩管的參數(shù)選擇應根據(jù)現(xiàn)場實際情況而確定，3M陶瓷篩管常規(guī)尺寸參數(shù)如表3所示（如現(xiàn)場遇特殊情況，可根據(jù)尺寸和參數(shù)的要求進行訂制）。

表3 篩管尺寸參數(shù)

5 應用案例分析

奧地利Zistersdorf（齊斯特斯多夫）油田有兩個主力產(chǎn)油層，其中埋藏較淺的主力儲層巖石膠結差，儲層出砂嚴重，油田新鉆油井均需要實施防砂完井。同時，由于出砂嚴重的層位產(chǎn)出砂分選性差，油井出砂控制難度很大，油田投產(chǎn)很長一段時間內(nèi)，曾有幾十種防砂完井方法被應用到出砂井中，最終證明金屬繞絲篩管+礫石充填防砂完井適應性最強；但由于細砂出砂量較大，出于保護井下工具和采油泵，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、耐沖蝕且有極低過流壓差的新型防砂完井技術被提上了日程［5］。

GA-016井是Zistersdorf油田因出砂嚴重而被迫關停井，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逐漸恢復到了90 m3/d并持續(xù)生產(chǎn)了一個星期；為了進一步驗證井的生產(chǎn)動態(tài)，暫關井2 d重新開井后，油井產(chǎn)量立刻恢復到90 m3/d，并可穩(wěn)產(chǎn)多日。新型陶瓷篩管在GA-016井中實現(xiàn)了成功防砂完井。此外，新型陶瓷篩管從2010年起，其已開始陸續(xù)在北海、歐洲、亞洲、南美洲的海上或陸地油氣井中應用，解決了嚴苛環(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 陶瓷篩管應用前景分析

塔里木的KS氣藏是罕見的致密砂巖嚴重出砂氣藏，儲層壓力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行防砂，但由于金屬篩管抗沖蝕能力有限并且CO2對篩管及管柱腐蝕嚴重，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數(shù)（72口）的45.3%，單井修井成本高達3 000萬，極大影響了該氣藏的經(jīng)濟開發(fā)效益，根據(jù)前面新型陶瓷篩管性能評價，其在KS氣藏防砂井中應用前景廣闊。

除此之外，對渤海灣、準噶爾、四川盆地中含CO2、H2S酸性腐蝕氣體較高、出砂嚴重的油氣藏，如何有效持久的保證防砂有效性，恢復安全高效的生產(chǎn)仍是一個亟待解決的問題。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用前景。

同時，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多種尺寸井身結構和任意擋砂精度的防砂需求井，輔助其極強的下入適應性能夠適合直井、水平井、大斜度井等各種主流井型（過油管陶瓷防砂篩管、獨立陶瓷防砂篩管），無論是新井還是老井均可實現(xiàn)防砂完井。最后，陶瓷篩管良好的機械強度和抗腐蝕性能，還能滿足防砂和酸化的儲層井。

7 總結與認識

（1）新型燒結陶瓷材料比傳統(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程中的篩管沖蝕、腐蝕損壞問題。

（2）陶瓷篩管具有防砂精度高、擋砂精度靈活可調(diào)、結構簡單緊湊、機械強度高、完井表皮小、下入適應性強、利于防砂井產(chǎn)能發(fā)揮等諸多優(yōu)勢，有效彌補了傳統(tǒng)獨立篩管防砂工藝的諸多不足，能夠長期有效地減少出砂對管柱及地面設備的沖蝕損害，降低HSE和作業(yè)風險，提高油氣田投資回報。

（3）面對我國含酸性腐蝕氣體H2S和CO2較高并且出砂沖蝕嚴重的氣藏出砂井，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氣藏則中表現(xiàn)出很好的防砂適應性，具有廣闊的應用前景。