章婭菲，祁珊珊，竇益華

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西西安 710065)

套管在服役過(guò)程中承受復(fù)雜的載荷和溫度變化[1]，由于套管、水泥環(huán)和儲(chǔ)層巖石的力學(xué)性能、體積收縮率存在差異，會(huì)使三者之間出現(xiàn)間隙，導(dǎo)致發(fā)生氣竄。一旦發(fā)生氣竄，即使花費(fèi)大量的人力和物力，也很難修復(fù)到原有的層間封固狀態(tài)。目前控制氣竄的基本方法可歸納為增加孔隙壓力、增加孔隙阻力和縮短過(guò)渡時(shí)間等3種[2]。防止環(huán)空氣竄的主要措施是采用防氣竄水泥漿和采取防氣竄技術(shù)措施。目前應(yīng)用較多的防氣竄水泥漿體系有觸變水泥[3]、泡沫水泥[4]、延緩膠凝水泥漿[5]和非滲透水泥漿體系[6]等，這些防氣竄水泥漿體系雖然都具備一定的防氣竄功能，也有一定的應(yīng)用效果，但存在高溫、高密度下性能不穩(wěn)定的問(wèn)題[7]。環(huán)空加壓、管外封隔器和振動(dòng)注水泥是常用的防止環(huán)空氣竄的技術(shù)措施。環(huán)空加壓是應(yīng)用最早、最為廣泛且最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的防氣竄技術(shù)措施，但當(dāng)井下存在易漏層或上層套管下深比較淺時(shí)，所加壓力有限，多作為防氣竄的輔助手段[8]。在相鄰地層之間加套管外封隔器將各層強(qiáng)制分隔開，可有效避免水泥漿凝固后的竄流問(wèn)題，但該技術(shù)措施實(shí)施起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，且只適用于層數(shù)較少的油氣井[9-10]。振動(dòng)注水泥是目前比較先進(jìn)的防氣竄技術(shù)[5，11]，蘇聯(lián)和美國(guó)已成功應(yīng)用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)防氣竄，國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究還處于起步階段。

為了更好地解決氣竄問(wèn)題，筆者提出在套管外包覆基于納米流控系統(tǒng)的超彈套管保護(hù)套，利用該保護(hù)套的形變性能密封由于溫度或載荷變化引起的環(huán)空間隙。理論分析及試驗(yàn)研究表明，超彈套管保護(hù)套具有強(qiáng)度可靠、韌性較高及耐溫變、抗壓變的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，可解決復(fù)雜工況下套管外的氣竄問(wèn)題。

1 納米流控系統(tǒng)的工作原理

納米流控系統(tǒng)由憎水性納米多孔介質(zhì)與功能流體混合后封裝組成。由于界面張力的作用，當(dāng)憎水性孔道的直徑為納米級(jí)時(shí)，需要施加上百兆帕的外部壓力才能使非浸潤(rùn)性液體流入到孔道中。當(dāng)外部壓力高于臨界滲透壓后，液相的表面張力被突破，液體開始流入到納米孔道中。在液體流入納米孔道直至孔道被填滿的過(guò)程中，液體分子不斷進(jìn)入孔道平衡外界壓力變化，因而在此過(guò)程中納米流控系統(tǒng)的形變量很大，但壓力變化卻很小，僅為液體在進(jìn)入孔道過(guò)程中與孔壁的摩擦耗散損失[12]。如果組成該系統(tǒng)的液體和固體多孔材料相互不潤(rùn)濕，那么外部壓力降低后，被壓入孔道內(nèi)的液體會(huì)部分或全部流出多孔材料的孔道[13]?；跓崦?xì)對(duì)流效應(yīng)，熱量梯度可以促使液體進(jìn)入或流出多孔固體。因此溫度的變化也將觸發(fā)液體進(jìn)出多孔材料，導(dǎo)致系統(tǒng)體積發(fā)生變化[14]。

筆者采用MFI型沸石與水組成的納米流控系統(tǒng)作為填充套管保護(hù)套的材料，該納米流控系統(tǒng)在承受壓力、溫度變化后可智能調(diào)節(jié)自身體積,保護(hù)套管，封堵環(huán)空間隙。下面以MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)為例，進(jìn)一步說(shuō)明納米流控系統(tǒng)的工作原理。

在一個(gè)完整的壓力升高然后降低的循環(huán)周期內(nèi)，MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)的壓力-體積特性曲線如圖1所示(加載速率0.01 mm/s，溫度30 ℃)。在加壓初期，壓力較低，由于液固兩相間界面張力的作用，水分子無(wú)法進(jìn)入到沸石的孔道內(nèi)部，此時(shí)該系統(tǒng)的壓力-體積特性基本呈線性，如OA段所示，為MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)彈性形變的總和。當(dāng)所施加的壓力達(dá)到該系統(tǒng)的臨界滲透壓(A點(diǎn))時(shí)，水分子將突破沸石納米孔道口界面張力的作用，進(jìn)入到孔道內(nèi)部，壓力-體積特性曲線呈現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，稱之為進(jìn)孔平臺(tái)，即圖1中的AB段。在該平臺(tái)期內(nèi)，隨著壓力持續(xù)升高，水會(huì)源源不斷地流入到多孔材料的孔道中，而壓力變化相比同等情況下純水的壓力變化平緩得多，該平臺(tái)即為超彈套管保護(hù)套的理想工作區(qū)間。對(duì)于圖1的MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)，其在進(jìn)孔平臺(tái)期(AB段間)的體積變化量可達(dá)65.03 mm3/g，而壓力變化為10.68 MPa。

圖1 MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)壓力-體積特性曲線Fig.1 Pressure-volume characteristic curve of MFI zeolite-water system

若外界壓力降低，由于MFI型沸石的表面進(jìn)行了憎水性處理，水分子會(huì)在液固相斥力的推動(dòng)下流出多孔介質(zhì)孔道，此時(shí)納米流控系統(tǒng)的壓力-體積特性如圖1中DE段所示。

2 超彈套管保護(hù)套的工作原理

圖2所示為超彈套管保護(hù)套的結(jié)構(gòu)。由于納米流控系統(tǒng)是以混合液的形態(tài)呈現(xiàn)，需采用骨架結(jié)構(gòu)將其封裝，以保證所需的形態(tài)及使用強(qiáng)度。支撐骨架為類似蜂窩狀的空心骨架(見(jiàn)圖2)。封裝了液體以后的骨架結(jié)構(gòu)其力學(xué)性能優(yōu)于同等排布方式下未填充液體的空心骨架結(jié)構(gòu)[15-16]。支撐骨架中的每個(gè)小單元之內(nèi)的包覆空間相互獨(dú)立，服役過(guò)程中，一個(gè)小單元破裂失效并不影響其他小單元的功能。由支撐骨架封裝納米流控系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)稱為超彈結(jié)構(gòu)層。為提高套管保護(hù)套在上提、下放過(guò)程中的安全系數(shù)，在超彈結(jié)構(gòu)層外包覆一層耐磨層。耐磨層采用耐磨耐高溫材料(如丁腈橡膠)制作而成，對(duì)超彈結(jié)構(gòu)層起初級(jí)保護(hù)作用。

圖2 超彈套管保護(hù)套結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the structure of super elastic casing protective jacket

固井施工時(shí)，首先將該保護(hù)套包覆在套管上，接著將套管下到井眼中，然后注水泥固井。注水泥結(jié)束后，由于水泥的自重堆積擠壓作用，保護(hù)套與套管壁面及水泥環(huán)之間將緊密貼合。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適的納米流控系統(tǒng)，使套管保護(hù)套所受壓力處于圖1中OA段接近A點(diǎn)臨界滲透壓的某處。當(dāng)外層水泥環(huán)產(chǎn)生形變擠壓套管保護(hù)套時(shí)，套管保護(hù)套受壓，當(dāng)壓力大于其臨界滲透壓時(shí)，超彈結(jié)構(gòu)層所包覆的功能流體流到納米多孔介質(zhì)孔道中，其所受壓力在圖1中的AB段間變化，套管保護(hù)套通過(guò)改變自身形狀平衡外界壓力的變化。

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，不同材料熱脹冷縮程度不同將會(huì)引發(fā)水泥環(huán)與套管間的壓力發(fā)生變化，有時(shí)會(huì)形成微間隙。納米流控系統(tǒng)可對(duì)溫度與壓力的波動(dòng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使套管保護(hù)套對(duì)外壓力穩(wěn)定在一較小范圍內(nèi)。若溫度導(dǎo)致外部壓力升高，功能流體流到多孔材料孔道中，通過(guò)體積變化平衡外部壓力變化，阻止套管所受外部壓力進(jìn)一步升高。若溫度導(dǎo)致外部壓力降低，功能流體流出多孔材料孔道，套管保護(hù)套體積增大，保證套管與水泥環(huán)間的密封性，防止發(fā)生氣竄。

獨(dú)立分裝骨架結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了該套管保護(hù)套的使用壽命。當(dāng)某一獨(dú)立小單元破損或失效后，智能彈性層的其余部位會(huì)迅速做出反應(yīng)，各個(gè)封裝小單元內(nèi)的功能流體感應(yīng)到壓力發(fā)生變化，自發(fā)流入或流出多孔材料孔道，智能彈性層形狀自適應(yīng)調(diào)節(jié)，壓力均勻分散至各個(gè)部位，消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，延長(zhǎng)套管在高溫高壓環(huán)境下的使用壽命。

套管保護(hù)套可根據(jù)具體工作環(huán)境分別選取組成納米流控系統(tǒng)的納米多孔介質(zhì)與功能流體，進(jìn)行個(gè)性設(shè)計(jì)：納米多孔介質(zhì)既可以為孔徑相同的同種材料，也可以為孔徑不同的多種材料；既可將不同孔徑的納米多孔介質(zhì)與功能流體的混合液封裝于不同單元體中，也可將不同孔徑的納米多孔介質(zhì)與功能流體混合后封裝于同一單元體內(nèi)，獲得2個(gè)或多個(gè)不同壓力下的工作區(qū)間，用以平衡同一位置出現(xiàn)的不同等級(jí)的壓力。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置及方法

采用納米流控系統(tǒng)壓力-體積特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行納米流控系統(tǒng)的壓力-體積特性試驗(yàn)。納米流控系統(tǒng)壓力-體積特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)由壓力腔體、不銹鋼桿活塞、壓力傳感器、位移傳感器和溫度傳感器等組成(見(jiàn)圖3)。壓力腔體是一個(gè)方形密閉容器，采用1Cr13不銹鋼制成。壓力腔體上方裝有不銹鋼桿活塞，活塞與腔體間使用O形密封圈密封，其左右兩側(cè)分別裝有壓力傳感器與溫度傳感器，不銹鋼桿活塞上方裝有位移傳感器。壓力腔體外圍設(shè)有恒溫水浴鍋。

圖3 納米流控系統(tǒng)壓力-體積特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)示意Fig.3 Structure diagram of nanofluidic system pressure-volume characteristics test bench

試驗(yàn)前對(duì)沸石母樣在600 ℃溫度下進(jìn)行6 h預(yù)處理，以去除多余雜質(zhì)、提高材料穩(wěn)定性。將預(yù)處理后的MFI型沸石與水以1∶10的質(zhì)量比混合，再放置于真空環(huán)境中，進(jìn)行12 h的脫氣處理。處理后的混合液填充到壓力腔體中，密封后將壓力腔體整體浸泡在恒溫水浴鍋內(nèi)，待腔體內(nèi)溫度達(dá)到試驗(yàn)所需溫度后，采用伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿推動(dòng)不銹鋼桿活塞對(duì)壓力腔體進(jìn)行加壓/卸壓，最大加載壓力50 MPa。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔體內(nèi)的壓力、溫度和活塞桿位移，使用IMP數(shù)據(jù)采集板采集數(shù)據(jù)并記錄。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)恒溫水浴鍋調(diào)控壓力腔體環(huán)境溫度，獲得30～75 ℃溫度下MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)的壓力-體積變化特性，為評(píng)價(jià)該系統(tǒng)在循環(huán)載荷作用下的穩(wěn)定性，循環(huán)加載/卸載10次。圖4所示為30 ℃環(huán)境溫度下，MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)10次加載/卸載循環(huán)下的壓力-體積特性曲線(加載速率0.01 mm/s)。由圖4可知，前兩次加載/卸載循環(huán)結(jié)束后，卸載線并不能完全回到加載線的起始點(diǎn)。這是由于在初始兩次加載循環(huán)中，沸石孔道結(jié)構(gòu)存在缺陷，部分結(jié)構(gòu)會(huì)在高壓下坍塌；另外也會(huì)發(fā)生液體分子滯留在缺陷孔道中的情況，這2個(gè)因素導(dǎo)致了流控系統(tǒng)有效孔隙容積減小。從第3次加載開始，加載/卸載循環(huán)的壓力-體積特性曲線完全重合，說(shuō)明流控系統(tǒng)在第3次循環(huán)后達(dá)到了完全的吞吐平衡，可重復(fù)使用。由于該流控系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中要處于穩(wěn)定工作區(qū)間，因此筆者只取各次試驗(yàn)中流控系統(tǒng)達(dá)到吞吐平衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4 MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)加卸載壓力-體積特性曲線Fig.4 Pressure-volume characteristic curves of MFI zeolite-water system under loadings

繪制30，45，60和75 ℃溫度下MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)穩(wěn)定后的加卸載曲線，結(jié)果見(jiàn)圖5(加載速率0.01 mm/s)。由圖5可知，隨著環(huán)境溫度升高，沸石-水納米流控系統(tǒng)的壓力閾值pin逐漸降低。這是因?yàn)殡S溫度升高，流控系統(tǒng)中液體分子的動(dòng)能增大，只需要較小的壓力就可以克服阻礙進(jìn)入到多孔材料孔道中的界面張力。由于絕大部分材料都存在熱脹冷縮的性質(zhì)，而MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)的壓力閾值隨著溫度升高反而降低。這意味著該材料在較高環(huán)境溫度下受到相對(duì)較低的壓力就可以開啟功能流體進(jìn)孔的“開關(guān)”，提前發(fā)生形變，更好地平衡溫度與壓力的變化。

圖5 MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)在不同溫度下的加卸載壓力-體積特性曲線Fig.5 Pressure-volume characteristic curves of MFI zeolite-water systems under different environmental temperatures

在壓力-體積特性曲線上，液體分子進(jìn)孔平臺(tái)的長(zhǎng)度反應(yīng)了該超彈保護(hù)套在所期望的工作壓力下的形變能力，即有效形變量。比較圖5中壓力平臺(tái)的長(zhǎng)度可知，壓力平臺(tái)的長(zhǎng)度隨著環(huán)境溫度升高而增長(zhǎng)，即超彈套管保護(hù)套的形變能力隨著環(huán)境溫度升高而增強(qiáng)。在應(yīng)用過(guò)程中，若環(huán)境溫度升高，則套管與水泥環(huán)材料都會(huì)膨脹，套管與水泥環(huán)間的間隙就會(huì)變小。MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)的形變能力隨溫度升高而增強(qiáng)的這一特性，可增加套管保護(hù)套有效工作區(qū)間的長(zhǎng)度，更好地密封套管與水泥環(huán)間的間隙。

4 結(jié)論與建議

1) 超彈套管保護(hù)套緊密貼合在套管外部，可起到保護(hù)套管、密封套管與水泥環(huán)間間隙的作用。當(dāng)套管出現(xiàn)鼓脹或者水泥環(huán)因地層壓力變大擠壓套管時(shí)，超彈套管保護(hù)套能夠起到減壓作用，延長(zhǎng)套管使用壽命；當(dāng)水泥環(huán)與套管間因溫度壓力變化出現(xiàn)間隙時(shí)，超彈套管保護(hù)套可以調(diào)節(jié)自身形狀來(lái)填補(bǔ)間隙，降低氣竄風(fēng)險(xiǎn)。

2) MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)在3次加載/卸載循環(huán)后便可達(dá)到吞吐平衡，具有良好的可重復(fù)使用性。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，以MFI型沸石-水納米流控系統(tǒng)為填充介質(zhì)套管保護(hù)套的壓力閾值降低，形變能力增大，可有效平衡套管及外圍水泥環(huán)由于熱脹冷縮效應(yīng)而引起的應(yīng)力及間隙變化。

3) 筆者僅初步論證了超彈套管保護(hù)套的可行性及其應(yīng)用前景，要將其應(yīng)用到石油工程中，需要進(jìn)一步研究支撐骨架的結(jié)構(gòu)，小單元的形狀、大小及排布方式對(duì)以納米流控系統(tǒng)為充填介質(zhì)套管保護(hù)套初期承壓及后期變形能力的影響。另外，納米流控系統(tǒng)的配方不同，其滲透壓與進(jìn)孔平臺(tái)期的體積變化量也相差較大。因此，需要擴(kuò)展研究納米流控系統(tǒng)的基礎(chǔ)性能。