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        基于納米流控系統(tǒng)的超彈套管保護(hù)套結(jié)構(gòu)原理與性能試驗(yàn)

        2018-12-25 01:33:52章婭菲祁珊珊竇益華
        石油鉆探技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:保護(hù)套沸石孔道

        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。

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