近年來，石油行業(yè)出現(xiàn)了多項井下防砂技術(shù)。其中，獨立篩管防砂技術(shù)和礫石充填篩管防砂技術(shù)應(yīng)用為廣泛。然而不幸的是，上述技術(shù)都受到了篩管沖蝕以及腐蝕問題的嚴(yán)重影響。有害的流體環(huán)境條件，如pH和礦化度等，會降低防砂篩管的使用壽命。同時，一些堅硬的研磨性較大的地層砂礫還會造成防砂篩管的局部堵塞，進(jìn)而造成篩管的沖蝕以及篩縫或擋砂孔眼的增大。

上述問題會導(dǎo)致防砂篩管在生產(chǎn)過程中局部或者整體的失效，再加上高溫高壓地層條件（一般地層溫度高于150℃，地層壓力大于10,000 psi/bar）的影響，上述問題將更加突出。

陶瓷篩管的研發(fā)

目前，石油行業(yè)內(nèi)缺乏一套通用的防砂篩管測試評價標(biāo)準(zhǔn)，使得科研和技術(shù)部門很難制定一套全球認(rèn)可的測試協(xié)議條款來輔助推進(jìn)防砂篩管技術(shù)的研發(fā)。2008年丹麥的一家油氣公司與ESK Ceramics公司（現(xiàn)在為3M高端材料分公司）開展了一個合作項目，該項目使用3M現(xiàn)有的陶瓷技術(shù)，聯(lián)合研發(fā)出了新型的防砂篩管材料，該成果包括了3M公司三個部門的技術(shù)成果：

1.軍品部門—新型材料，硬度大于金屬和合金，但是密度更低；

2.采礦部門—新型陶瓷技術(shù)，具有高抗沖蝕特性，能夠降低NPT（非生產(chǎn)作業(yè)時間）；

3.油氣部門—應(yīng)用技術(shù)。

經(jīng)過兩年時間，該項目完成了測量參數(shù)的確定以及方案的測試，研發(fā)成功了世界上第一款使用碳化硅材料的陶瓷防砂篩管。截至目前為止，新型陶瓷防砂篩管已在世界范圍內(nèi)的30多口井進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用對象包括使用常規(guī)防砂篩管失效后的生產(chǎn)井、高產(chǎn)高沖蝕氣井（射孔孔眼流速大于100 ft/sec）以及由于高費用限制而無法采用礫石充填技術(shù)的生產(chǎn)井。

完井：新一代高溫高壓防砂篩管研發(fā)成功

圖1.10號縫寬的陶瓷篩管環(huán)

新型陶瓷篩管具有靈活布置的陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)層，如圖1所示，可根據(jù)用戶需求參考地層砂粒度分布情況制成V型篩縫結(jié)構(gòu)。陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)層外部覆蓋護(hù)罩，端部有端蓋連接，端蓋可對陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)層起到保護(hù)作用，同時還與基管緊密錨固。上述結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠使地層砂在陶瓷篩管周圍自然堆積，從而降低產(chǎn)能損失的風(fēng)險。

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圖2.a：外護(hù)罩保護(hù)陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)層； b：完整的帶端蓋和緊固錨的篩管總成

1. 評定標(biāo)準(zhǔn)方法

有效確定防砂篩管評定和檢驗標(biāo)準(zhǔn)的大挑戰(zhàn)是如何界定相關(guān)的里程碑節(jié)點。同時工程師還需要設(shè)計一個有效的辦法，能夠?qū)⑹覂?nèi)實驗室測試結(jié)果和地面技術(shù)評價結(jié)果可靠地轉(zhuǎn)換為井下高溫高壓生產(chǎn)條件下的結(jié)果。盡管評定標(biāo)準(zhǔn)里很多參考了ISO 17824（19s）的內(nèi)容，但是工程技術(shù)人員還是與作業(yè)公司一起建立了一套更為完整的方法。

各作業(yè)者選擇不同的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了測試和評價，形成了對現(xiàn)場條件下各參數(shù)的測試和評價方法。通過數(shù)據(jù)分析，確定了用來進(jìn)行篩管沖蝕、強(qiáng)度、腐蝕、鼓脹和屈曲特征評價的參數(shù)，從而保障了風(fēng)險控制措施的有效性和針對性。該評價方法的應(yīng)用需要作業(yè)者和篩管制造廠家統(tǒng)一認(rèn)識，對評價目標(biāo)、測試條款以及井下環(huán)境條件的認(rèn)識取得一致，并對產(chǎn)品形成統(tǒng)一的規(guī)格參數(shù)要求。

2. 沖蝕

對于防砂篩管來說，進(jìn)行高流速沖擊測試需要在典型條件下進(jìn)行攜砂液的射流沖擊試驗．項目組根據(jù)作業(yè)井眼條件要求，對各個參數(shù)進(jìn)行了定義，并明確了相互之間的關(guān)系。

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3. 強(qiáng)度

由于高溫高壓井一般井深更大并且井身結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，可能采用平臺井口或者水下井口，因此該項目針對上述情況進(jìn)行了專門的影響測試，以確保篩管在正常的安裝條件下具備可靠的完整性和功能性。完整的高溫高壓防砂篩管總成要進(jìn)行嚴(yán)格的測試，直接打入堅硬地面，以模擬端情況下的篩管安裝環(huán)境，如圖4所示。在經(jīng)過了100次沖擊測試之后，試驗表明，篩管未發(fā)生臨界破壞。

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圖4.強(qiáng)度測試地面安裝

4. 腐蝕

高H?S和CO?濃度以及高礦化度地層條件在高溫高壓井中是普遍存在的情況。該項目將基礎(chǔ)的碳化硅材料放置在150℃到220℃之間的兩個溫度條件下，進(jìn)行了96% H2SO4溶液中的腐蝕試驗。試驗結(jié)果表明，上述試驗材料即使在更高溫度條件下，在觀測條件范圍內(nèi)也只觀察到了很少的腐蝕現(xiàn)象，腐蝕損失可以忽略不計，如表１所示。

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表1.碳化硅在濃硫酸鹽溶液中的腐蝕速率

5. 壓潰和鼓脹

根據(jù)ISO 17824（API 19s）中對防砂篩管壓潰和鼓脹性能測試的規(guī)定，項目組利用篩管制造廠家的測試設(shè)備和第三方的實驗室分別對陶瓷防砂篩管進(jìn)行了測試。篩管制造廠家根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范加工了一套堵塞工具，能夠承受1500psi的鼓脹壓力以及超過7500psi的壓差作用，達(dá)到了測試設(shè)備的限條件，如圖5所示。測試結(jié)果表明陶瓷篩管完全滿足高溫高壓井的所有已知條件要求。

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圖5.a：壓潰和鼓脹堵塞工具測試結(jié)果；b：陶瓷篩管壓潰測試果

6. 屈曲

通過屈曲試驗對陶瓷環(huán)的完整性和金屬部件的變形特性進(jìn)行了檢測。圖6顯示的是測試設(shè)備安裝過程。屈曲測試的目標(biāo)是測試撤銷屈曲壓力之后篩管在松弛過程中平均篩縫寬度的變化情況（一般小于2標(biāo)準(zhǔn)尺寸，50μm）。

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圖6.測試松弛階段峰寬變化情況的屈曲試驗

測試程序/結(jié)果

項目組建立了一整套被作業(yè)者和篩管制造廠家共同認(rèn)可的高溫高壓評價和驗證標(biāo)準(zhǔn)之后，按照以下程序進(jìn)行了測試檢驗。

1.將測試篩管和測量系統(tǒng)安裝在測試設(shè)備上；

2.測量測試設(shè)備內(nèi)支架之間的距離；

3.調(diào)節(jié)位移傳感器并與數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)進(jìn)行連接；

4.利用液壓千斤頂對篩管進(jìn)行加壓直到陶瓷環(huán)彎曲程度達(dá)到預(yù)定的狗腿度；

5.測量加壓前后篩管峰寬的尺寸。

采用4-1/2in基管陶瓷篩管總成的測試結(jié)果如下所示：

1.屈曲試驗中，篩管彎曲狗腿度為12.7°/100 ft時，篩縫寬度大變化值為10μm；

2.篩管彎曲狗腿度為25.2°/100 ft時，篩縫寬度大變化值為23μm；

3.卸載階段，篩縫寬度無變化，與設(shè)計規(guī)格參數(shù)一致；

4.針對相同尺寸篩管開展的有限元理論分析得到了與試驗相似的結(jié)論。

案例分析

某作業(yè)者需要控制上游工程投資，另外，由于目標(biāo)井產(chǎn)能較高（25~35 MMscfgd），因此需要在高流速生產(chǎn)條件下保障井下空間（篩管與套管環(huán)空以及地層裂縫內(nèi)部）充填足夠的支撐劑。其中，兩口井采用了陶瓷防砂篩管，篩管懸掛于封隔器下部，采用電纜下入，封隔器在射孔段上部坐封。兩口井于2014年底投產(chǎn)，一直生產(chǎn)至今，地面未發(fā)現(xiàn)出砂或者支撐劑返排問題。今后該項目的井都將采用相同的完井方法。

總結(jié)

高溫高壓井防砂篩管設(shè)計評價方法取得了成功應(yīng)用，每個階段定義的測試條件都會出現(xiàn)變動，并確保與常見高溫高壓環(huán)境條件保持一致。

由于具備了進(jìn)行攜砂射流沖擊測試的能力，并充分理解和遵守了ISO對與陶瓷篩管的規(guī)范要求，3M制定出了相關(guān)測試條款，能夠確保對高溫高壓防砂篩管進(jìn)行正確的評價檢測。得到的設(shè)計規(guī)格參數(shù)能夠滿足200℃作業(yè)溫度和20,000 psi井下靜態(tài)壓力下的篩管應(yīng)用要求。

該項新技術(shù)的取得，得益于整體項目管理以及與市場伙伴的密切協(xié)作，研究成果將有助于推動高溫高壓防砂技術(shù)的革新。

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