新型陶瓷筛管介绍及其国内应用前景分析

曹 畅，杨乾隆，蒋贝贝，冯 涛，张国强

1中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院2中国石油长庆油田分公司第十采油厂3西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室

0 引言

油气井生产过程中，储层出砂会带来极大危害，例如产量降低、井筒砂堵、管线及地面设备冲蚀损坏甚至停井停产等，企业每年需耗费大量的费用去处理出砂问题，极大降低了开采效益。目前油气井最常用的防砂技术是基于金属机械筛管或砾石充填+金属筛管的独立筛管防砂完井和砾石充填防砂完井［1］。然而，由于材质问题，金属筛管防砂时筛管冲蚀及腐蚀问题十分突出，特别对于高温高压且含酸性气体的（地层温度高于150℃、地层压力大于70 MPa、高含CO2或H2S）出砂井，金属筛管常常会受到严重的腐蚀和冲蚀损坏，防砂完井有效性得不到保障，极大降低了油气藏的开发效益。此外，砾石充填完井表皮系数大，特别是在高粉砂含量出砂气井中，产量损失可达50%。如果能有一种新型材料制成的筛管，既可抗高冲蚀又耐强腐蚀取代传统金属筛管，这将极大增加高冲蚀和腐蚀油气井的防砂有效性，保证油气井长期高效生产并节省高昂修井成本。3M公司研发的新型陶瓷筛管很好地解决了上述问题，新型陶瓷筛管整体具有结构简单、承受机械载荷大、低完井表皮、耐高温和强抗冲蚀腐蚀性能，还能够适应多种井型（新井、老井、裸眼井和射孔井）等诸多优势，可弥补目前金属防砂筛管的不足，保障油气井高效安全生产［2-5］。

1 陶瓷筛管简介

陶瓷筛管的研制和开发最早从丹麦Maersk公司开始，目的是解决该公司油气主产区Denmark油田Valdemar区块致密层水平井压后井下设备出砂冲蚀损坏问题，保障后续分段封隔和分段开采的顺利实施，因此，丹麦Maersk油气公司与德国的ESK Ceramics公司（即现在的3M公司）重新启用了上世纪80年代曾被用作防砂完井的陶瓷材料，并开发出新型陶瓷筛管［2］。

新型陶瓷防砂筛管主要有以下几部分组成：陶瓷环叠片（长度可调），导管（固定陶瓷环），金属保护罩（起下入保护作用），两个端盖（保护筛管两端）和一个基管（打孔油管或者割缝衬管），见图1。陶瓷环叠片通过导管卡在基管上，并被安置在左右两个端盖之间，两端端盖紧紧夹持住陶瓷环叠片限制其移动，但两端的弹簧组件又能实现陶瓷环叠片受力均衡，这也使得陶瓷筛管在受到弯曲、扭转、震动等多种载荷作用下能有效分散载荷而避免应力损伤［6-8］。此外，陶瓷环叠片结构又保证了高渗流通道，降低了完井表皮，利于产能释放，见图2。

图1 陶瓷筛管总成

图2 陶瓷环结构示意图

陶瓷环上面有三个呈120°角均衡分布的球形碟片凸起（见图2），可保证陶瓷环堆叠时处于点状接触；一方面，点状接触的碟片凸起尺寸可任意调节，进而改变陶瓷环叠片间隙，满足多种挡砂精度需求（即间隙宽度可量身定做）；另一方面，点状接触的陶瓷环堆叠结构、带有多个弹簧的端盖设计结构，又能很大程度上保证陶瓷筛管在下入过程中轻松应对扭转和挠曲应力损害，是新型陶瓷筛管结构设计创新点。

2 烧结陶瓷材料

新型陶瓷筛管所用的烧结陶瓷材料，目前主要采用无压烧结工艺获得，即以高纯、超细碳化硅粉为原料，通过加入少量烧结助剂（如碳、硼等），在大气压惰性气体或真空环境中，辅以1 950～2 100℃高温下烧结得到。该烧制环境中原子扩散加剧，孔隙缩小，颗粒间由点接触转变为面接触，孔隙缩小，连通孔隙变得封闭，并孤立分布；小颗粒间率先出现晶界，晶界移动，晶粒长大；随着晶界上的物质不断扩散到孔隙处，使孔隙逐渐消除，最终得到具有优良力学性能的致密碳化硅陶瓷材料。

2.1 抗高冲蚀性能

对比新型陶瓷筛管和金属绕丝筛管试样冲蚀实验（测试数据见表1）［6-7］，结果表明，陶瓷筛管具有极强耐冲蚀性；金属绕丝筛管在较短测试时间内就发生了冲蚀破坏，而陶瓷筛管即使在长达72 h的CO2腐蚀环境中高强度冲蚀也未有任何肉眼可见的破损和材质流失，见图3。

表1 陶瓷筛管试样冲蚀测试参数

图3 陶瓷筛管（左）和金属绕丝筛管（右）冲蚀实验对比图

2.2 抗腐蚀性能

2.2.1 抗酸蚀性能

3M公司通过测试96%浓硫酸在不同温度（130℃、160℃、190℃、220℃）水热环境中腐蚀烧结碳化硅（SiC）实验，结果表明烧结碳化硅（SiC）材料均无任何明显腐蚀迹象；同时进行的王水腐蚀对比测试（将316L金属筛管与烧结陶瓷环分别置于60℃王水浸泡30 min），结果显示316L金属筛管几乎腐蚀殆尽，而陶瓷环无明显腐蚀痕迹［8］，见图4。

图4 316L金属筛管与陶瓷环王水腐蚀测试

2.2.2 抗碱蚀性能

对烧结陶瓷材料在100℃下的KOH和NaOH强碱溶液中进行抗碱蚀性能测试［9］，如表2所示。

表2 抗碱性能测试

抗腐蚀质量减少值评价：＞1 000 mg/cm2·a，迅速损坏；100～990 mg/cm2·a，使用期小于一个月；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，可长期使用；小于0.2 mg/cm2·a，长期使用，无明显腐蚀。实验结果表明：烧结陶瓷材料在两种强碱溶液下其腐蚀质量减少值均小于0.2 mg/cm2·a，说明该材料具有极强的耐酸碱腐蚀性。

2.3 屈曲性能测试

为了测试烧结碳化硅（SiC）陶瓷材料的抗屈曲性能，将该材料放置在不同地层温度下高浓度热盐溶液环境中浸泡28 d后，测试抗弯曲强度性能［10］，见图5。实验结果表明：烧结碳化硅（SiC）在20～130℃的高浓度水热盐溶液环境下，其抗弯曲强度值随着温度升高略有下降；温度在130～190℃范围内，烧结碳化硅（SiC）抗弯曲强度值总体呈上升趋势；当温度超过190℃后，烧结碳化硅（SiC）抗弯曲强度值略有下降。总体看来，高温环境对烧结碳化硅（SiC）抗弯曲强度值起积极作用，随着温度的增加，其抗弯曲强度总体上升。

图5 烧结碳化硅陶瓷筛管抗屈曲性能测试结果

3 陶瓷筛管性能

3.1 机械强度

筛管在井下作业时需要有良好的抗挤压性和抗内压性能，以保护筛管内部结构完好，保证防砂有效性。3M公司对新型防砂筛管（外径139.7 mm）进行挤压测试［11］。测试结果表明：新型陶瓷筛管最大抗外压为51.3 MPa，最大抗内压为18.3 MPa，在筛管不完全堵死的极端条件下，整体强度能够满足绝大多数井况需求。

3.2 抗曲性能

在新型陶瓷筛管的屈曲测试中，当狗腿度增加到24.8°/30 m时，筛缝宽改变量为23μm（合格标准：陶瓷环缝宽变化不能超过50μm）；当狗腿度增加到88.6°/30 m时，陶瓷环没有任何损坏；当载荷卸载后，筛缝宽度几乎没有变化，与设计规格参数一致。由此可见，陶瓷筛管的这种设计结构具有很好地屈曲性能［3-4］。

3.3 流体流入性能测试

通过将20/40目的砂子和100目的砂子（模拟地层破碎岩石）对半混合进行过流压差测试，测试结果虽如预期有所增加，但总体压降值仍然停留在可以接受的很小范围内。测试结果表明，即使在非常不利的条件下（实际生产中，破碎岩石所占比例过半的情况非常少），压降值都没有超过0.5 MPa，陶瓷筛管也没有发生堵塞，陶瓷筛管表现出极低的过流压差几乎不会造成措施井的产能限制［5］。

4 筛管关键参数

陶瓷筛管的参数选择应根据现场实际情况而确定，3M陶瓷筛管常规尺寸参数如表3所示（如现场遇特殊情况，可根据尺寸和参数的要求进行订制）。

表3 筛管尺寸参数

5 应用案例分析

奥地利Zistersdorf（齐斯特斯多夫）油田有两个主力产油层，其中埋藏较浅的主力储层岩石胶结差，储层出砂严重，油田新钻油井均需要实施防砂完井。同时，由于出砂严重的层位产出砂分选性差，油井出砂控制难度很大，油田投产很长一段时间内，曾有几十种防砂完井方法被应用到出砂井中，最终证明金属绕丝筛管+砾石充填防砂完井适应性最强；但由于细砂出砂量较大，出于保护井下工具和采油泵，挡砂精度要求极高，这就造成了部分防砂井因过大压损而造成产油量降低50%，极大限制了油井产能。此外，金属绕丝筛管在酸化增产作业和冲蚀作用下存在损坏，部分井甚至防砂失败。因此，陶瓷防砂筛管完井这种既耐腐蚀、耐冲蚀且有极低过流压差的新型防砂完井技术被提上了日程［5］。

GA-016井是Zistersdorf油田因出砂严重而被迫关停井，采用新型陶瓷筛管完井后，油井产量从停产前的60 m3/d逐渐恢复到了90 m3/d并持续生产了一个星期；为了进一步验证井的生产动态，暂关井2 d重新开井后，油井产量立刻恢复到90 m3/d，并可稳产多日。新型陶瓷筛管在GA-016井中实现了成功防砂完井。此外，新型陶瓷筛管从2010年起，其已开始陆续在北海、欧洲、亚洲、南美洲的海上或陆地油气井中应用，解决了严苛环境中出砂冲蚀、支撑剂回流冲蚀、井下酸性气体腐蚀等防砂完井难题，油气井新安装陶瓷筛管或替换原有防砂工艺（砾石充填、传统金属筛管）均取得了很好的防砂效果［3-5］。

6 陶瓷筛管应用前景分析

塔里木的KS气藏是罕见的致密砂岩严重出砂气藏，储层压力115.3～116.5 MPa，地层温度159.1～169.6℃，CO2分压0.97～1.344 MPa，在这种超深高温高压条件下防砂难度极大，该区块部分气井采用了割缝筛管进行防砂，但由于金属筛管抗冲蚀能力有限并且CO2对筛管及管柱腐蚀严重，该防砂工艺很快失效［12］。截止2021年1月，KS气藏出砂井及疑似出砂井占总井数（72口）的45.3%，单井修井成本高达3 000万，极大影响了该气藏的经济开发效益，根据前面新型陶瓷筛管性能评价，其在KS气藏防砂井中应用前景广阔。

除此之外，对渤海湾、准噶尔、四川盆地中含CO2、H2S酸性腐蚀气体较高、出砂严重的油气藏，如何有效持久的保证防砂有效性，恢复安全高效的生产仍是一个亟待解决的问题。因此，陶瓷筛管出色的抗高冲蚀和耐腐蚀性能将有广泛的应用前景。

同时，鉴于新型陶瓷筛管陶瓷环及其上球形碟片凸起尺寸（内径、外径、凸起高度）的灵活调整性，陶瓷筛管长度和陶瓷环间隙（挡砂精度）具有非常大的可调范围，这就使得陶瓷筛管能够适应多种尺寸井身结构和任意挡砂精度的防砂需求井，辅助其极强的下入适应性能够适合直井、水平井、大斜度井等各种主流井型（过油管陶瓷防砂筛管、独立陶瓷防砂筛管），无论是新井还是老井均可实现防砂完井。最后，陶瓷筛管良好的机械强度和抗腐蚀性能，还能满足防砂和酸化的储层井。

7 总结与认识

（1）新型烧结陶瓷材料比传统金属材料具有更高的抗冲蚀性能和耐酸腐蚀性能，由该材料制成的防砂筛管能够很好地解决防砂完井过程中的筛管冲蚀、腐蚀损坏问题。

（2）陶瓷筛管具有防砂精度高、挡砂精度灵活可调、结构简单紧凑、机械强度高、完井表皮小、下入适应性强、利于防砂井产能发挥等诸多优势，有效弥补了传统独立筛管防砂工艺的诸多不足，能够长期有效地减少出砂对管柱及地面设备的冲蚀损害，降低HSE和作业风险，提高油气田投资回报。

（3）面对我国含酸性腐蚀气体H2S和CO2较高并且出砂冲蚀严重的气藏出砂井，例如塔里木KS气藏出砂井，气井防砂难度大、修井成本高，新型陶瓷筛管在此类气藏则中表现出很好的防砂适应性，具有广阔的应用前景。