形状记忆筛管膨胀性能测试

段友智， 刘欢乐， 艾 爽， 秦 星， 岳 慧， 刘伯昂

（1. 中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2. 中国石油长庆油田分公司第七采油厂，甘肃庆阳 745708）

目前，在众多的防砂完井技术中，砾石充填完井技术被认为是非常高效的技术[1]。就该技术而言，在完井过程中，需要下入独立筛管，再下入充填管柱，然后泵入携砂液，实现对井眼环空的充填[2–8]。该完井方式具有防坍塌、耐冲蚀和有效期长等优势，但存在施工工艺复杂、易砂堵和充填长度受限等不足，在一定程度上限制了其推广应用[9–13]。目前，石油科技人员正在研究水平井环空自充填防砂完井技术，只需下入一趟防砂完井管柱，利用井底温度使形状记忆筛管膨胀充填环空，筛管完全贴合不规则井眼，且充填长度不受限制，能够以独立筛管完井的简单工艺实现砾石充填的完井效果，适用范围更广[14–18]。该技术的核心是，形状记忆筛管中处于压缩态的形状记忆聚合物层仅依靠井底温度就能完全膨胀而充填井眼环空[19–20]。膨胀性能是形状记忆筛管的一个重要性能[21]。国外主要是利用30 mm×30 mm×30 mm的标准试件测试其膨胀性能，但该测试方法不能完全模拟形状记忆筛管在井下的膨胀过程[22–23]。为此，笔者自主设计了能模拟井下环境的形状记忆筛管膨胀性能测试系统，进行了形状记忆筛管样机膨胀性能的测试，分析了影响其膨胀性能的主要因素，以期为形状记忆筛管的设计和现场应用提供依据。

1 形状记忆筛管膨胀原理

形状记忆筛管中有一层处于压缩状态的形状记忆聚合物层，它由形状记忆聚合物（shape memory polymer，SMP）压缩而成。可按如下步骤分析形状记忆过程：将SMP制成一个固定的原始形状，将温度升至玻璃化温度以上并加载定形；完成定形之后，将温度降至玻璃化温度以下进行形状固定；固定形状后，再次将温度升至玻璃化温度以上，SMP将逐渐恢复至原始形状[22]。该形状记忆过程可用日本学者山口章三郎提出的高分子黏弹力学模型进行解释[19]。SMP在外力作用下会发生一定的形变，可以表示为：

式中：ε为总形变；ε1为瞬间形变；ε2为松弛形变；ε3为蠕变形变；σ为外力，Pa；E1为瞬间弹性模量，Pa；E2为松弛弹性模量，Pa；t为外力作用时间，s；λ为松弛时间，s；b为蠕变常数。

当外力解除后，已经定形的变形态SMP首先产生松弛形变恢复，但由于松弛形变恢复为塑性形变，形变恢复率很小。当环境温度达到响应温度后，SMP会产生瞬间形变恢复和蠕变形变恢复，所以，在宏观上将表现为恢复至原来的形状。

制作形状记忆筛管时，先将SMP材料加工成一定长度的空心圆柱，其初始外径大于井筒直径；然后对SMP空心圆柱加热，使其温度高于玻璃化温度；最后利用压缩模具将其压缩成外径小于井筒直径的空心圆柱，并将其装在基管上，形成形状记忆筛管。当利用钻杆或油管将该筛管下至井底预定位置后，不需要任何操作，该筛管中处于压缩态的形状记忆聚合物层一旦感应到井底温度达到响应温度时，就会膨胀直至完全充填整个井眼环空。

2 模拟测试系统及测试内容

2.1 模拟测试系统组成

为了定量测试形状记忆筛管的膨胀性能，自主研发了形状记忆筛管膨胀性能模拟测试系统。该测试系统由模拟井筒、计量部分、循环部分和加热部分组成，如图1所示。形状记忆筛管样机由试验基管、侧流保护套和形状记忆聚合物层等组成，通过端环将侧流保护套和形状记忆聚合物层固定在基管上，与真实的形状记忆筛管相比只是长度上有所区别，所以能够较准确地反映形状记忆筛管的性能。计量部分包括膨胀力传感器、位移传感器、温度传感器和流量传感器，利用计算机中的数据采集系统进行数据采集。循环部分包括进液槽、循环泵和出液槽，保证流体在整个测试系统中循环使用。加热部分包括2台高压泵和预热器，保证模拟井筒中温度达到试验所需要的温度。

2.2 测试方法及参数

将形状记忆筛管样机放在形状记忆筛管膨胀性能模拟测试系统的模拟井筒中，在测试系统进液槽中加入足量流体，通过高压泵使之进入预热器，随后通过模拟井筒最终流进出液槽。出液槽中的流体能够通过循环泵再次进入进液槽中，从而实现流体的循环利用。测试过程中，利用加热部分加热循环流体并控制其温度，利用计量部分记录测试数据。利用该测试系统测试形状记忆筛管的膨胀性能时，可以采集到以下参数：

1）响应温度。当模拟井筒中的温度低于形状记忆筛管的起胀温度时，随着测试时间增长，通过位移传感器采集到的位移不变；当模拟井筒中的温度升至一定温度时，随着测试时间增长，通过位移传感器采集到的位移不断增大，此温度即形状记忆筛管的临界起胀温度，即为响应温度。

2）形状记忆筛管外径。当形状记忆筛管受热膨胀时，通过位移传感器采集到的位移变化值即为膨胀位移。不同时刻形状记忆筛管的外径为压缩态形状记忆聚合物层外径与膨胀位移之和。

3）膨胀力。当形状记忆筛管充满整个模拟井筒后，随着测试时间增长，形状记忆筛管将膨胀变形转化为膨胀力。通过膨胀力传感器即可采集到膨胀力测试结果。

4）循环流体排量。流量计能够实时监测循环流体的排量，该排量可以类比出砂井井底的实际产量。

该系统能够测试按不同配方制作的形状记忆筛管的膨胀性能。对于某一配方，如果测试后发现其膨胀性能达不到入井要求，可以调整配方后重新测试其膨胀性能，直至满足入井要求。本文以中国石化某区块的油藏地质及井眼轨迹数据为基础，制作了形状记忆筛管样机。

图 1 形状记忆筛管膨胀性能模拟测试系统Fig.1 The simulation test system for expansion performance of shape memory screen

3 试验结果分析

3.1 响应温度

图2所示为循环流体排量0.1 L/min下，形状记忆筛管样机在不同温度下的外径。从图2可以看出，当温度低于52 ℃时，形状记忆筛管的外径没有变化；当温度达到52 ℃时，其外径开始增大，说明该筛管的响应温度为52 ℃。如用该筛管入井防砂，井底温度必须高于该温度，否则，该筛管不能自动膨胀，失去自充填环空的作用。

图 2 不同温度下形状记忆筛管样机的外径Fig.2 The outside diameter of shape memory screen at different temperatures

为了验证循环流体排量是否会影响形状记忆筛管的响应温度，测试了不同循环流体排量下，形状记忆筛管在不同温度下的外径，结果见图3。从图3可以看出，随着循环流体排量增大，形状记忆筛管样机的外径在达到响应温度之前会表现为一定程度的缩小。其原因是：循环流体排量增大时，会在样机内外两侧产生较大的压差，该压差会使形状记忆筛管收缩变形；只有当样机因温度升高产生的膨胀位移超过其收缩变形时，在宏观上才能表现为膨胀。因此，在其他条件一定时，排量越高其响应温度越高。

图 3 不同排量下形状记忆筛管外径随温度的变化Fig.3 Change of outside diameter of shape memory screen with temperature at different flowrates

对于某一具体的出砂井，在设计形状记忆筛管之前，必须掌握其生产段长度（或水平段长度）、井底温度、原油黏度和油井产量等井身结构和油藏参数。如果以模拟地层原油为循环流体测试形状记忆筛管的膨胀性能，则循环流体排量的计算公

式为：式中：Q为循环流体排量，L/min；Qo为油井产量，m3/d；L为水平段长度，m；l为形状记忆筛管长度，m。

如果以水为循环流体，则循环流体排量的计算公式为：

式中：μw为循环水黏度，mPa·s；μo为原油黏度，mPa·s。

因此，在设计具体出砂井的形状记忆筛管时，循环流体的排量必须能够代表其真实产量，这时得到的响应温度才是井底真实的响应温度。

3.2 膨胀过程中的外径变化

循环流体温度保持52 ℃不变，以0.1 L/min排量循环，测量不同时间下形状记忆筛管样机的外径，结果如图4所示。

图 4 不同时间下形状记忆筛管样机的外径Fig.4 Outside diameter of shape memory screen prototype at different time

从图4可以看出，随着测试时间增长，形状记忆筛管的外径增大，并且其外径约48 h增大至模拟井筒内径。从形状记忆筛管外径的增大幅度看，刚开始增幅较大，越接近模拟井管井壁增幅越小。这主要是因为，处于压缩状态的形状记忆聚合物层在开始膨胀时预应力的释放速度快，随着预应力不断释放，其释放速度也在不断减小。

保持循环流体排量为0.1 L/min不变，将循环流体的温度分别提高至57和62 ℃，测量形状记忆筛管样机在不同时间下的外径，结果如图5所示。

图 5 不同温度下形状记忆筛管样机的外径Fig. 5 Outside diameter of shape memory screen prototype at different temperature

由图5可知，循环流体温度越高，形状记忆筛管样机外径增大越快，循环流体温度由52 ℃升至57和62 ℃，使其外径增大至模拟井筒内径的时间由48 h缩短至44 和41 h。其原因是，循环流体温度升高，加快了SMP自身预应力的释放速度，从而缩短了形状记忆筛管样机外径增至模拟井筒内径的时间。

保持循环流体的温度为 52 ℃ 不变，测试不同循环流体排量条件下形状记忆筛管样机在不同膨胀时间下的外径，结果如图6所示。

图 6 不同排量下形状记忆筛管样机的外径Fig.6 Outside diameter of shape memory screen prototype at different flowrates

从图6可以看出：循环流体排量越大，形状记忆筛管样机外径增大的幅度越小，循环流体排量由0.1 L/min增大至0.2和0.3 L/min时，其外径增大至模拟井筒内径的时间由48 h延长至60和71 h。其原因是随着排量增大，形状记忆筛管样机两侧的压差增大，阻止其发生膨胀。循环流体排量越大，形成的压差越大，阻力越大，故外径增大至模拟井筒内径的时间越长。

当形状记忆筛管样机外径增大至模拟井筒内径时，保持温度为52 ℃不变，将循环流体排量提高至0.6 L/min，测量形状记忆筛管样机在不同时间下的外径，结果如图7所示。

图 7 不同时间下形状记忆筛管样机的外径（循环流体排量0.6 L/min）Fig.7 Outside diameter of shape memory screen prototype at different time (circulating fluid flowrate of 0.6 L/min)

从图7可以看出，循环流体排量提高至0.6 L/min后，随着循环时间增长，形状记忆筛管的外径逐渐减小。其原因是形状记忆筛管两侧压差引起的外径缩小值大于由温度引起的外径增大值，故宏观表现为其外径逐渐减小。这一现象不利于形状记忆筛管在预定时间内膨胀到位。然而，在实际完井过程中，可以利用这一现象解决形状记忆筛管提前膨胀的问题。如果形状记忆筛管在下入过程中由于某种意外导致其提前膨胀，整个完井管柱很难下至目的层。此时，可以逐渐增大循环流体排量，使形状记忆筛管外径减小，从而保证将完井管柱顺利下至目的层。

3.3 膨胀力

在循环流体排量为0.1 L/min、循环流体温度为52 ℃的情况下，当形状记忆筛管样机外径增大至模拟井筒内径后，测量不同时间下的膨胀力，结果如图8所示。

图 8 膨胀力随时间的变化Fig.8 Change of expansion force with time

从图8可以看出，刚开始膨胀力的增大幅度较大，随着时间增长，膨胀力逐渐趋于稳定，最终的膨胀力为0.57 MPa。其主要原因是形状记忆筛管样机的膨胀位移会转化为膨胀力，然而，随着时间增长，井壁产生的反作用力会抵消掉一部分膨胀力，所以在一段时间后膨胀力将会趋于平衡。

保持循环流体排量为0.1 L/min不变，考察不同循环流体温度下膨胀力随时间的变化情况，结果见图9。

图 9 不同温度下膨胀力随时间的变化Fig.9 Change of expansion force with time at different temperatures

从图9可以看出，随着循环流体温度升高，相同时间下的膨胀力有所增大，但增大幅度比较小。这说明对膨胀力起主导作用的是材料本身的性质，外界温度对其影响较小。

保持循环流体温度为52 ℃不变，将循环流体排量提高至0.2和0.3 L/min，测量形状记忆筛管在不同时间下的膨胀力，结果如10所示。

图 10 不同排量下膨胀力随时间的变化Fig.10 Change of expansion force with time at different flowrates

从图10可以看出，随着循环流体排量增大，相同时间下的膨胀力有所降低，但降低幅度比较小。这说明对膨胀力起主导作用的是材料本身的性质，循环流体的排量对其影响较小。

总之，膨胀力是形状记忆筛管膨胀至井壁后所产生的一种残余应力。在实际的出砂井中，膨胀力会作用于裸眼井壁，能够避免出现井壁坍塌、砂堵等井下故障，促进油气井的安全高效生产。

4 结论与建议

1）形状记忆筛管膨胀性能模拟测试系统能够模拟井下环境，测试形状记忆筛管的膨胀性能。

2）随着循环流体排量增大，形状记忆筛管的响应温度升高；随着循环流体温度升高，形状记忆筛管的膨胀速度加快；循环流体的排量和温度对形状记忆筛管的最终膨胀力的影响较小。

3）本文给出的是测试形状记忆筛管膨胀性能的通用方法，为使形状记忆筛管对出砂井具有很好的适应性，后续在测试膨胀性能时，应充分考虑出砂井的油藏地质特征和井身结构。