多孔泡沫金屬在防砂篩管應用中結構參數試驗優化

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(海洋石油高效開發國家重點實驗室；中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

疏松砂巖油氣藏在我國有著廣泛的分布[1-2]，此類儲層巖石膠結強度低，受原油黏度高及儲層含水率上升等因素影響，極易容易出砂，嚴重時可導致油井躺井停產。油田常用的防砂方式主要包括獨立篩管防砂和礫石充填防砂[3]。獨立篩管防砂因其施工工藝簡單、成本低而得到廣泛應用。獨立篩管(機械防砂篩管)主要有繞絲篩管、割縫襯管、金屬網布篩管和金屬氈(棉)篩管等[4]。獨立篩管防砂雖然應用廣泛，但在原油黏度高、高泥質含量及地層砂分布不均勻的儲層中非常容易被堵塞，而產生沖蝕刺漏破壞，因此防砂有效期不長。國內學者針對常規防砂篩管的堵塞試驗研究也較多，如董長銀等[5]研究了生產時間、出砂速度、原油黏度等因素對篩管堵塞程度的影響，揭示了堵塞過程的機理。礫石充填防砂有效期雖長，但施工周期長，風險高，綜合費用高等因素限制了它的大規模應用。隨著油氣田大規模開發與降本增效要求，對特種防砂篩管的應用需求日益迫切。

多孔泡沫金屬具有突出的高通透性，立體多層三維結構，具有可調孔徑、耐磨、耐腐蝕等性能，是理想的過濾材料[6-7]。該材料體內包含著大小不一的氣孔，兩者混合存在，孔隙率可以達到80%以上；孔徑在0.05～10 mm可調；孔徑的均勻度比較高。已經在各領域得到廣泛應用，發展十分迅速[8]。針對泡沫金屬的結構特點，用其作為擋砂介質，設計了一種特種泡沫金屬篩管。目前，業內對泡沫金屬篩管防砂技術的介紹和研究較少，高斌等[9]研究了泡沫金屬篩管常規的擋砂性能及抗沖蝕性能等；孫金等[10]研究了不同泥質含量、篩管精度對泡沫金屬篩管堵塞性能的影響。但還沒有看到關于泡沫金屬篩管擋砂介質的結構排布、厚度比等參數影響篩管擋砂性能的研究報道。

1 泡沫金屬篩管

1.1 泡沫金屬

泡沫金屬篩管是利用多孔泡沫金屬作為擋砂介質開發而成的一種完井防砂篩管。泡沫金屬材料采用泡沫鎳制備。泡沫金屬主要的制備工藝有鑄造法、粉末冶金法、金屬沉積法、燒結法等[11]。制備工藝不同，產生的泡沫金屬內部結構也不同，其材料的物性性能參數也不相同。本文應用的泡沫金屬是采用金屬沉積法制備而成，是以聚氨酯泡沫塑料為骨架，以純鎳為制備原料，先進行導電化預處理，再經化學鍍和電鍍制得多孔金屬材料，最后將多孔金屬材料進行高溫氧化，還原工序，去掉聚氨酯泡沫基體，獲得成品泡沫金屬[12]。如圖1所示。由金屬沉積法所獲得的多孔泡沫金屬的主要特點是孔連通率可達到98%，孔隙率高達80%以上，具有三維網絡結構，這類多孔金屬材料是一種性能優異的功能結構材料，非常適合作為防砂篩管的過濾材料。

圖1 泡沫金屬三維網絡結構示意

在完井防砂篩管擋砂結構設計中，為了提高篩管的過流抗堵性能，通常將過濾結構設計成“外密內疏”的漸開口結構，確保進入擋砂層的儲層固相顆粒能順利通過篩管，避免卡在擋砂層內部過早的產生堵塞。常用繞絲篩管結構示意如圖2所示。

圖2 繞絲篩管結構示意

將泡沫金屬設計成變孔徑抗堵結構，確保地層固相顆粒進入篩管后能順利排出，如圖3所示。

圖3 泡沫金屬變孔徑結構

1.2 防砂篩管結構

以變孔徑泡沫金屬作為擋砂層設計的篩管如圖4所示。

圖4 泡沫金屬篩管結構示意

防砂篩管的擋砂性能取決于擋砂層的結構形式及參數。本文主要對泡沫金屬開展擋砂效果試驗評價，優化確定其規格參數，最大程度滿足油氣田開發的需求。

2 泡沫金屬參數試驗優化

2.1 試驗目的

通過室內擋砂介質驅替模擬試驗，對比“外密內疏”變孔徑材料與均一孔徑材料的擋砂效果，試驗驗證結構設計的合理性及適用性；同時通過試驗過程中的壓力、流量及出砂量等參數探究擋砂介質(泡沫金屬)不同的孔徑厚度比的擋砂效果，優選出合適的擋砂介質厚度比，為優化防砂篩管擋砂層結構提供理論基礎和參考依據。

2.2 試驗條件

按照設計要求，將泡沫金屬切割成?38 mm的試體樣件。試驗在室溫20 ℃下進行；驅替液體采用2% KCL鹽水(KCl對粘土水化的抑制作用較強，是水敏性地層最為理想的無固相清潔鹽水)；驅替排量為10、 50 、100 、170 mL/min；試驗用砂采用人工混配的模擬地層砂。經調研，常用防砂篩管的濾砂件擋砂層厚度平均為5 mm，本次對新開發的泡沫金屬擋砂層的總厚度也按照5 mm進行設計試驗。樣件清單如表1。

表1 泡沫金屬樣件清單

表1(續)

注：衡量多孔泡沫金屬材料的疏密程度主要以PPI值確定， PPI值是指泡沫塑料或泡沫金屬在任意方向每英寸長度上包含的孔數。PPI值越大，包含孔數越多，對應孔徑就越小，反之就越大。

2.3 試驗裝置及流程

室內擋砂介質擋砂效果驅替模擬試驗裝置包括恒流驅替泵、中間容器、填砂管、壓力計、流量計等。如圖5所示。

1—恒流驅替泵； 2—中間容器； 3—閥門；4—壓力表；5—填砂管； 6—壓力傳感器； 7—調壓閥； 8—計量管。

試驗時向填砂管中加入模擬地層砂，KCl鹽水驅替液經恒流驅替泵，通過中間容器，以設定的排量進入填砂管，形成均勻的軸向流，填砂管內一部分固相顆粒被驅替液通過擋砂介質攜帶出來，在計量管通過固液分離可得到出砂量，絕大部分地層砂仍堆積在填砂管內，在擋砂介質的表面形成固相帶，進一

步堵塞防砂介質。

試驗流程如下：

1) 將備好的泡沫金屬樣件裝入填砂管內，均勻孔徑材料無方向要求，變孔徑材料的小孔徑面與模擬砂接觸朝進液端放置，大孔徑的朝出液端方向放置。

2) 將配置好的模擬地層砂裝進內徑38 .0 mm(1.5英寸)的填砂管內，對樣品進行飽和60 min。

3) 連接流程，試驗流量按照設計的泵速(10、 50 、100、170 mL/min)進行均勻驅替。試驗過程中觀察儀表及試驗動態，記錄試驗過程中的壓力、流量；收集驅替出的液體，直至驅出液體無雜質且驅替壓力穩定后停止試驗。

4) 將試驗過程中驅替出的液體依次收集起來，進行固液分離、烘干稱重。

5) 依次按照以上試驗步驟完成其他類型不同厚度比樣件的試驗。

6) 試驗結束后，按照安全環保要求將模擬液、模擬砂分別收集到指定的容器內，進行回收處理。試驗過程中部分圖片如6所示。

圖6 試驗過程中部分圖片

3 試驗結果分析

3.1 變孔徑/均勻孔徑試驗

采用編號為PMJS-1、PMJS-2、PMJS-3、PMJS-4的泡沫金屬樣件，進行排量分別為10、 50、100 mL/min的擋砂介質擋砂試驗，其排量與驅替壓差關系曲線如圖7所示。

圖7 變孔徑/均勻孔徑不同排量與驅替壓差關系曲線

由圖7可知，驅替試驗開始時驅替壓差較小，說明此時擋砂介質未發生堵塞；隨著驅替時間和排量的增加，驅替壓差均呈現上升態勢，說明模擬砂中的固相顆粒在驅替液的攜帶下逐漸堵塞了擋砂介質。壓力升高的過程反映了樣件堵塞的過程。在設計的驅替排量下，PMJS-2樣件的驅替壓差均小于PMJS-1，說明變孔徑結構設計樣件的過流抗堵塞能力要優于均勻孔徑的結構，驗證了變孔徑結構設計的合理性和優越性，且隨著排量的增大驅替壓差差值也變大，其結構優勢越明顯。同理分析，PMJS-4樣件在不同排量下的驅替壓差均小于PMJS-3，近一步驗證了變孔徑結構具備更好的抗堵優越性。從圖7也可看出，PMJS-1、PMJS-2的驅替曲線均位于PMJS-3、PMJS-4的下方，對照樣件參數表得出，同樣驅替條件下擋砂介質內部孔徑的大小是決定篩管過流能力的主要因素，大孔徑樣件流通能力要優于小孔徑樣件，抗堵塞效果就更好。因此，在滿足防砂效果的前提下，應優先選擇大孔徑的擋砂材料，這樣可進一步釋放油井產能。

3.2 不同孔徑厚度比

目前常用類型防砂篩管過濾層厚度為5 mm左右。為此，在5 mm材料厚度基礎上，設計了2.5︰2.5、2︰3、1.5︰3.5三種厚度比進行驅替試驗，進一步探究不同厚度比與擋砂能力之間的關系，并綜合驅替壓差、排量與出砂量等參數，確定泡沫金屬最優厚度比。

采用編號為PMJS-5～PMJS-10不同型號樣件分別進行了170 mL/min大排量下的驅替擋砂試驗，并對出砂量進行分離烘干稱重。試驗過程中驅替排量、出砂量統計如表2。不同厚度比下樣件排量與驅替壓差對比如圖8所示。不同厚度比下樣件排量穩定后出砂量對比如圖9所示。

表2 不同厚度比泡沫金屬樣件驅替穩定后壓差和出砂量統計

圖8 兩種型號不同厚度比泡沫金屬樣件驅替穩定后壓差對比

圖9 兩種型號不同厚度比泡沫金屬樣件驅替穩定后出砂量對比

由圖8可看出，試驗穩定后厚度比增加對應的驅替壓差也變大，說明了樣件中小孔徑材料厚度比增大阻礙了擋砂介質的過流能力，固相顆粒在小孔徑內卡滯的可能性增大，介質發生堵塞的可能性增大。由PMJS-5、PMJS-6、PMJS-7試驗壓差均低于PMJS-8、PMJS-9、PMJS-10的驅替壓差得出，介質孔徑大小是決定篩管過流能力的首要因素，孔徑越大，過流能力越強，但通過介質的出砂量也有增多的風險；反之發生堵塞的可能性就越大。

由圖9可看出，樣件厚度比為1.5︰3.5的兩組數據出砂量約是其他厚度比樣件出砂量的2.5～2.8倍，另兩種厚度比出砂量相差則不明顯，其原因是小孔徑泡沫層厚度較薄，形不成有效的擋砂層內部阻攔結構，不具備砂粒架橋的物質條件，試驗砂體內部固相顆粒在驅替液的攜帶下容易通過擋砂介質排出來，過流效果明顯，這也解釋了小厚度比擋砂介質驅替壓差較低的原因。對于2︰3、2.5︰2.5兩種厚度比，樣件其出砂量相差較小，但驅替壓差相差0.2～0.3 MPa，說明增加小孔徑金屬的厚度比完善了泡沫材料內部的三維結構網，可以顯著提高介質的控砂效果。綜合考慮驅替壓差、出砂量及排量等因素，優選厚度比為2︰3的變孔徑設計最適合油氣田開發要求。

4 結論

1) 擋砂介質(即泡沫金屬)孔徑排布形式對擋砂性能有直接影響。同等驅替試驗條件下“外密內疏”的變孔徑結構樣件，驅替壓差要小于均勻孔徑的結構樣件；且隨著驅替排量增大，這種優勢體現更加明顯。表明變孔徑結構的過流能力要優于均勻孔徑結構，更有利于儲層中細微固相顆粒的排出，發生篩管堵塞的可能性就大大降低，直接表現在現場生產過程中的油井生產壓差變小，可進一步釋放油井產能，降低油井開發成本。

2) 基于變孔徑設計結構的優勢，綜合考慮驅替排量、驅替壓差與出砂量等因素，厚度比為2︰3的變孔徑設計結構更適合油氣田的開發要求。大孔徑的樣件材料的過流抗堵能力要好，尤其在稠油、超稠油開采中，在滿足油田控砂前提下，盡量放大擋砂介質的孔徑參數，達到穩油上產的目的。