新型陶瓷篩管在克深氣藏出砂氣井中的適用性分析

蔣貝貝 卓亦然 劉洪濤 張偉 羅冰 羅軍

1.西南石油大學·油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室；2.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院；3.深圳格瑞鼎新能源科技發展有限公司

塔里木克深區塊主要目的層為白堊系巴什基奇克組，目的層埋深6 500～8 000 m、溫度159.1～169.58 ℃、地層壓力90～136 MPa、地應力梯度2.15～2.67 MPa/100 m，屬于典型的“三超”氣田?？松顓^塊普遍為超深、超高溫、超高壓氣藏，甲烷含量很高，均為優質天然氣。盡管克深氣藏儲層低孔、低滲且異常致密(基質孔隙度2%～8%，平均孔隙度4.1%，基質滲透率 (0.001～0.1)×10-3μm2，平均滲透率 0.05×10-3μm2)，但由于儲層構造裂縫發育，壓裂改造后氣藏平均單井無阻流量仍可達273×104m3/d，平均單井日產量也可達64×104m3/d。克深氣田不僅是塔里木油田的重要天然氣產區之一，更是西氣東輸保供調峰的主力氣源區之一［1-3］。然而，該氣田部分氣井目前正面臨著嚴重的出砂問題，并且面臨高CO2氣體腐蝕和出砂高沖蝕兩大防砂難題。

克深2區塊天然氣組成分析CO2含量為0.80%～1.11%，CO2分壓 0.97～1.34 MPa。根據含 CO2氣田腐蝕分類標準［4］可知克深2區塊所有氣井管柱都會受到CO2嚴重腐蝕，井下工作液和后期酸化在高溫環境下也會對生產管柱進行腐蝕。另外，由于克深氣藏單井產量高，高速攜砂氣體對篩管產生了嚴重的沖蝕損壞；同時，沖蝕會使部分金屬表面致密的腐蝕產物膜(可以防止進一步腐蝕)破損，加速篩管失效。

目前克深氣田的出砂井數量逐年增加，對該區塊的正常生產造成了極大危害，主要表現在以下幾個方面：(1)克深區塊出砂導致產量下降甚至井筒積液、積砂關井的數量占總井數的39.8%，并且累計出砂井數量逐年增加?？松顨獠仄骄鶈尉ň杀炯s3億，出砂導致的修井費用約3 000～4 000萬，減產甚至關井導致經濟損失非常大；(2)克深區塊地層壓力高，氣井井內產生的高速攜砂氣體在短時間內就能對地面管匯的閥瓣、閥座、油嘴產生沖蝕損壞，并且導致設備不密封，以致發生生產安全事故；(3)儲層出砂過度，導致地層巖石骨架空穴，可能會發生突發性地層失穩坍塌導致關井［5］。

由于克深區塊的氣井屬于超深氣井，化學防砂和復合防砂方法在較長井段會發生化學劑擠注不均的情況，容易造成作業失?。?］，并且后期進行酸化等措施要求完井方式對儲層性質影響小，所以調研對象主要是國內外高溫高壓井防砂案例中先進的獨立防砂篩管完井。例如，具有多個獨立防砂腔室的MazeFlo防砂篩管［7］；能夠支撐井壁、提高濾砂面積的膨脹篩管［8］；濾砂件結構獨特，防砂范圍廣且精度高的STARSE3D［9］；高強度的黏合鋼珠模塊防砂篩管，其將黏合鋼珠模塊安置在管狀支撐體中，作為外層濾砂件，可根據防砂環境需要更換不同材質的鋼珠模塊［10］；由具有耐高溫、高壓、腐蝕、高硬度性能的新型SiC材料制成的陶瓷防砂篩管，該篩管具有結構巧妙、防砂精度高、下入適應性強等優勢。

結合克深氣田儲層超深、高溫、高腐蝕、高沖蝕的嚴苛環境對調研篩管進行優選，MazeFlo防砂篩管和膨脹防砂篩管均會因高溫、CO2腐蝕和高速攜砂氣體沖蝕而失效；STARSE3D星孔篩管需將材料換成防CO2腐蝕的超級Cr13，篩網易堵塞，流入壓降大；高強度黏合鋼珠模塊篩管對完井表皮因數的影響有待進一步考察；而新型陶瓷篩管在超深井、高沖蝕和高溫CO2腐蝕環境下卻有非常明顯的優勢，能夠保證防砂持久性。因此下文結合克深區塊儲層特征，開展了陶瓷篩管在克深氣藏出砂井中的防砂適用性分析。

1 新型陶瓷防砂篩管的結構和工作原理

陶瓷防砂篩管結構簡單，易于組裝和下入，見圖1。陶瓷環疊片通過導管輔助固定在基管外，疊片外安裝防護罩，兩端有端蓋固定陶瓷疊片并保持整體結構緊湊和穩定。這種結構總成使得陶瓷篩管在受到彎曲、扭轉、震動以及金屬與陶瓷間因熱失配而引起的熱應力等多種載荷作用下，能將載荷有效分散而不造成應力損傷。此外，該設計能夠使地層砂在陶瓷篩管周圍自然堆積，從而降低產能損失的風險［11-12］。

圖1 陶瓷篩管及篩縫結構Fig.1 Structure of ceramic screen and its slot

陶瓷篩管適用于各種直井、水平井，下入產層后完井表皮因數小，材料耐腐蝕且強度大，有利于酸化等儲層改造措施(但不適用于大排量壓裂)。

陶瓷篩管防砂縫口呈倒V字型結構(圖2)，而陶瓷環橫切面則被設計為梯形狀，外環梯形底邊長大于內環梯形底邊長，這種結構設計有如下優點：(1)外窄內寬的倒V字型縫隙能使砂粒不在篩縫處堆積；(2)在滿足防砂精度前提下，倒V字型縫隙非常有利于高速氣流以層狀流態通過篩管，進而減少過流阻力，最大程度釋放氣井產能；(3)點狀接觸的疊片凸起尺寸可任意調節，通過調節凸起尺寸改變陶瓷環疊片間隙，進而滿足任何擋砂精度的防砂需求。

圖2 陶瓷防砂篩管篩縫結構[12]Fig.2 Structure of slot of ceramic sand control screen

2 陶瓷防砂篩管性能分析

2.1 陶瓷防砂篩管環境適應性分析

2.1.1 抗CO2腐蝕性

克深2區塊溫度159.1～169.58 ℃，CO2最大分壓1.2 MPa，該環境中金屬材料極易被腐蝕，普通金屬篩管難以保證防砂有效性。研究表明，CO2的腐蝕機理是CO2溶于水形成碳酸，進而對金屬材料產生電化學腐蝕［13］。陶瓷篩管的篩片材料為非金屬材料SiC，在井下不具備與CO2發生電化學腐蝕的條件，所以有極強的抗CO2腐蝕性能。

新型陶瓷篩管的金屬基管及配套金屬部件選擇超級13Cr不銹鋼，該材料具有良好的抗CO2腐蝕性能。實驗表明，150 ℃時HP13Cr(超級13Cr)的平均腐蝕速率最大為0.024 7 mm/a，仍屬于輕度腐蝕［14］。在克深區塊平均溫度165 ℃的條件下，超級13Cr雖然會有腐蝕，但腐蝕程度極小，能夠保證防砂有效性。

若要使篩管的防腐措施更完善，在目前含CO2氣藏的開發過程中，可通過加注CT2-1、CT2-15等CT胺類緩蝕劑(在氣相中的緩蝕率大于95%)，使生產管柱腐蝕得到很好的控制。

2.1.2 抗沖蝕性

國外對新型陶瓷篩管進行抗沖蝕實驗，實驗參數：流體流量0.2 L/h，氣量0.25 m3/h，沖擊速度60 m/s，CO2分壓 1.5 MPa，測試時間 72 h，砂量 10 g/L，砂粒徑小于 150 μm，沖擊角 90°。

3）操作嚴格，人員素質要求高。為保證儀器設備達到理想的性能和精度水平，必須嚴格規范操作流程。因此，操作這些儀器設備的人員必須要求專業素質高，不僅要懂操作，還需懂得技術，有理論基礎。任何不按操作流程操作、超負載、超速設置等的違規行為輕則造成設備損壞，重則影響生命財產安全。

陶瓷篩管在72 h的高強度沖蝕下，最大沖蝕深度為3～4 μm，在SEM掃描電鏡下也看不見明顯的沖蝕痕跡，表現了良好的抗沖蝕性能［12］。

克深出砂氣井產能普遍較高，生產壓差達20 MPa以上，克深區塊出砂較為嚴重的克深2-2-8井預測的出砂流量為0.076 kg/h，該區塊CO2最大分壓為1.34 MPa，燒結碳化硅材料作為陶瓷篩管受到含砂氣體沖蝕最嚴重部分，在高溫高壓下耐攜砂氣體沖蝕方面的優異性能能夠滿足克深區塊的要求。

2.1.3 耐井下流體及酸液腐蝕性

在120、220 ℃條件下進行的耐酸液測試結果表明，該材料除了在高濃度氫氟酸中表現較弱外，在硫酸、硝酸、磷酸等強酸中均有較強的耐腐蝕性［12］。

克深地區地層溫度在130～180 ℃之間，地層流體成分以CaCl2為主，射孔液主要成分為滑溜水和防膨劑，不會對篩管造成腐蝕傷害。用于基質酸化的鹽酸或土酸(常規配方15%HCl+0.5%～3%HF+緩蝕劑)，現場質量濃度遠低于測試質量濃度且配方中添加有緩蝕劑，可以保證其具有良好的耐腐蝕性能。但對于新型陶瓷篩管的金屬基管及配套金屬部件材料超級13Cr不銹鋼，酸化作業會導致3方面的腐蝕：新酸腐蝕、返排殘酸腐蝕、NH4Cl腐蝕。對氣井進行作業及增產措施時，需在腐蝕介質中加入緩蝕劑來保護篩管。

2.2 下入可行性分析

2.2.1 陶瓷篩管整體強度可行性論證

篩管在井下作業時需要有良好的抗擠壓性和抗內壓性能來應對出砂堆積帶來的擠壓和酸化時的內壓，以保護篩管內部結構完好，保證防砂有效性。3M公司對?139 mm防砂篩管進行擠壓測試，結果采用電子系統記錄，新型陶瓷篩管最大抗擠強度達到了51.3 MPa，抗內壓強度最大18.3 MPa［12］。在不出現完全堵死的極端條件下，現有陶瓷篩管抗擠和抗內壓強度完全可以滿足克深區塊的防砂完井需求。

2.2.2 抗屈曲分析

篩管的抗曲程度決定了其能否適應井筒中不規則的環境以保證防砂的可靠性?？松顓^塊氣井井型幾乎為直井，即使是鉆井井斜難以控制的克深202井，其最大井斜角僅為7.3(°)/6 930 m。在3M公司的屈曲測試中，屈曲測試角度是逐漸增加的。當狗腿度增至25.2(°)/30 m時，篩縫寬改變量為23 μm(合格標準：陶瓷環縫寬變化不能超過50 μm)；當狗腿度增至90(°)/30 m時，陶瓷環沒有任何損壞；當卸載后，篩縫寬度幾乎沒有變化，與設計規格參數一致［15］。由此可見，陶瓷篩管的這種設計結構具有很好的屈曲性能，不僅能夠滿足克深氣藏所有氣井(克深目前無水平井)的下入可行性要求，對于不超過測試狗腿度條件的水平井亦可滿足。

2.3 防砂精度分析

根據克深地區的粒度分析計算出合適的擋砂精度，驗證陶瓷防砂篩管篩縫尺寸是否能達到防砂精度要求。通常粒徑質量累計百分數曲線上10%的點d10對應的砂粒尺寸可形成砂拱，實現有效防砂。不均勻系數UC取粒徑質量累計百分數曲線上40%和90%對應的砂粒尺寸之比(描述樣品砂粒尺寸的均勻程度，即UC=d40/d90)。參考Wilson和Gill提出設計準則：當UC＞5，縫寬(即防砂精度)W≤2d10；當3＜UC＜5，W=d10～d15；當UC＜3，W=d10［16］。

根據克深134井和克深242井多井段(碎屑巖粒度分析鑒定報告)層位地層砂粒度分析(表1、表2)，可以看出2口氣井粒度分析得到兩口井不均勻系數平均值均大于5，陶瓷篩管縫寬W≤2d10min，即小于等于648 μm即可滿足這2口井的擋砂需求，而現有陶瓷篩管縫寬有 150、200、250、300、350 μm可選，推薦采用350 μm以滿足這2口井的擋砂需求。

表1 克深134井砂粒分析數據Table 1 Analysis data of sand grains in Well Keshen 134

表2 克深242井砂粒分析數據Table 2 Analysis data of sand grains in Well Keshen 242

3 現場應用

3.1 適用范圍

新型陶瓷篩管由于陶瓷環尺寸(內徑、外徑)、球形碟片凸起尺寸均可任意調整，所以陶瓷篩管長度和陶瓷環間隙(擋砂精度)具有非常大的變化范圍，這就使得陶瓷篩管能夠適應多種尺寸井身結構和任意防砂需求的井，并且具有極強的下入適應性能，可適應直井、水平井、大斜度井等各種井型。另外，陶瓷篩管具有良好的機械強度和抗腐蝕性能，可直接下入到需要酸化的儲層；但對于需要壓裂的低滲儲層，不推薦帶陶瓷篩管一起進行大規模壓裂。

適用于克深氣藏陶瓷篩管完井的井型推薦為：目的層鉆井有多點漏失、測井解釋裂縫發育的未開發地層和壓裂改造后已經投產但需要防砂的老井。

3.2 管柱設計

設計管柱既要適應井下高溫、高壓、含腐蝕性流體的儲層，還要滿足防砂、酸化解堵、支撐井壁的要求。關鍵環節是將篩管與油管柱連接下入裸眼段，將永久式封隔器坐封在?201.70 mm套管上。

建議管柱設計采用的組合為：油管掛+油管+安全閥+油管+永久式封隔器(液壓驅動坐封，雙卡瓦結構，氣密封絲扣，適應?201.7 mm套管內徑)+油管(?88.9 mm可取式)+球座+油管+轉換短節(?88.9 mm×?139.7 mm)+篩管+沖管，見圖3。

圖3 陶瓷篩管防砂管柱結構Fig.3 Structure of sand control string of ceramic screen

防砂管柱主要添加了篩管用來減少出砂帶來的危害，另外加入了沖管用來進行井底鉆井液循環并清除篩管外的積砂，有利于氣體流動通道暢通。封隔器可提供有效的套管內環空永久密封。具體管柱尺寸可根據實際井身結構需要進行選擇。該方案總體上能夠解決氣井防砂難題，保證氣井安全高效生產。

3.3 應用實例

Shearwater氣田屬于高溫高壓氣田。該氣田位于水深90 m的北海大陸架中部地塹的22/30B區塊。氣藏位于海床下4 572 m，氣藏硫化物含量30 mg/L，CO2含量3%，地層水礦化度較高。該氣藏屬于高溫高壓氣藏，主力產層壓力106 MPa、溫度182 ℃。該氣藏屬破碎砂巖地層，孔隙度22%～34%，滲透率(2～148)×10-3μm2，開發井為叢式井，幾乎垂直鉆進氣藏。該氣田大部分氣井采用套管射孔的方式打開儲層。投產后由于地層壓力降幅較大(41.38～70 MPa)，地層壓力衰竭誘發地層出砂。氣井投產很長一段時間內，曾采用數種防砂完井方法，但最終證明金屬繞絲篩管+礫石充填完井方式防砂是效果最好的防砂完井方式。但由于細砂出砂量較大，出于保護井下工具的原因，防砂完井的擋砂精度要求很高，篩隙尺寸必須要控制在很小的范圍內，這也導致了高擋砂精度下防砂完井表皮因數急劇增加，有些防砂井的產量損失甚至高達50%，極大地限制了氣井的產能。此外，金屬繞絲篩管在CO2、SO2腐蝕和沖蝕作用下存在損壞，部分井甚至防砂失敗。

因此，為了尋找既能滿足高精度擋砂要求又能保證不過度限制生產井產能的方法，Shearwater氣田采用陶瓷防砂篩管完井并取得了較好效果［17］，對克深氣田有很好的借鑒意義，克深氣田也正積極推進陶瓷篩管的現場試驗應用，后續工作作者將會進一步跟蹤及分析。但從陶瓷篩管2010年后在北海、歐洲、亞洲、南美洲等海域或陸地油氣井中應用效果看，陶瓷篩管不僅成功解決了嚴苛環境中出砂沖蝕、支撐劑回流沖蝕、井下酸性氣體腐蝕等防砂難題，其在新井或防砂老井(替換原有礫石充填、傳統金屬篩管)中均取得了很好的防砂效果，相信新型陶瓷篩管在克深氣藏出砂氣井中的防砂前景是值得期待的。

4 結論與認識

(1)在廣泛調研國內外多種機械獨立篩管(MazeFlo防砂篩管、膨脹防砂篩管、高強度黏合鋼珠模塊防砂篩管、STARSE3D星孔篩管和新型陶瓷篩管等)防砂完井技術基礎上，對比分析得出新型陶瓷防砂篩管在耐高溫、抗沖蝕、耐腐蝕方面性能優異，在解決克深氣藏有效防砂難題中優勢突出。

(2)通過克深氣藏井深、溫度、流體性質、出砂程度等資料，結合陶瓷篩管沖蝕、腐蝕、抗曲性能實驗數據，認為新型陶瓷篩管能夠解決克深氣田高溫、CO2腐蝕、高沖蝕、酸液腐蝕、超深出砂氣井的防砂難題；同時，根據克深134井和242井的粒度分析，計算出了該區塊陶瓷篩管的防砂精度。

(3)結合克深氣田現場作業需求，給出新型陶瓷篩管下入管柱結構設計方案為：油管+安全閥+油管+永久式封隔器+油管+球座+油管+轉換短節+篩管，該方案可滿足克深氣井對防砂性能、支撐井壁、酸化解堵和防止管外砂粒堆積的要求。

(4)研究認為，新型陶瓷篩管不僅在克深氣藏出砂氣井中具有良好的適應性，其在國內外高溫、高壓、高沖蝕和腐蝕等惡劣環境的油氣井中均有良好的應用前景。