高壓釜式篩管沖蝕磨損方法研究與試驗(yàn)裝置構(gòu)建

王統(tǒng)帥, 沈雪峰, 鄧自強(qiáng), 鄧福成, 楊永剛, 胡 成

(1長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2中國石油技術(shù)開發(fā)公司 3十堰高級職業(yè)學(xué)校 4長慶油田分公司第三采油廠)

采油防砂是油田開采面臨的主要問題之一，油井出砂會加劇磨損井下篩管等設(shè)備，嚴(yán)重時發(fā)生油井堵塞，使得油井停產(chǎn)報廢。目前全世界約有80%的油井采用機(jī)械防砂篩管作為油井防砂方法[1-3]，而開采過程中，含砂原油對篩管的沖蝕磨損是導(dǎo)致篩管失效的重要原因，因此需要對防砂篩管的沖蝕問題進(jìn)行研究。

國內(nèi)外目前主要通過沖蝕試驗(yàn)與預(yù)測模型相結(jié)合對防砂篩管沖蝕問題進(jìn)行研究，沖蝕磨損試驗(yàn)裝置按其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，主要有三種：管流式、噴嘴式、旋轉(zhuǎn)式[4-8]。國內(nèi)外一般采用沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對篩管試件進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，通過測量其質(zhì)量損失量來評價篩管的沖蝕率，并通過顯微鏡觀察沖蝕磨損后篩管表面。Gilledpie G等采用管流式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置對幾種不同篩管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)[9]，劉永紅等用自制的噴嘴式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置對割縫篩管進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)[10]，劉宗恩等針對生產(chǎn)現(xiàn)場篩管破壞原理，設(shè)計噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置[11]。

目前國內(nèi)一般利用噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置對篩管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)研究，在噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置中對防砂篩管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)時，只有較少的含砂原油能夠通過防砂篩管篩縫，大部分含砂原油是對篩管試件表面進(jìn)行沖蝕，而實(shí)際篩管沖蝕失效是由于含砂原油的沖蝕導(dǎo)致篩縫變大，不能滿足既定防砂精度，因此噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置無法準(zhǔn)確表現(xiàn)出防砂篩管的實(shí)際沖蝕磨損情況。此外,噴嘴式結(jié)構(gòu)本身的鋪展效應(yīng)會導(dǎo)致實(shí)際沖角誤差較大[12]。因此，針對上述噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置存在的問題，設(shè)計并構(gòu)建了一種高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置[13]，能夠更為準(zhǔn)確地表現(xiàn)出在作業(yè)時含砂原油對防砂篩管的沖蝕磨損情況。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置

國內(nèi)開展防砂篩管沖蝕試驗(yàn)研究所用的噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置主要包括噴嘴和試件裝夾臺等，如圖1。

利用原油和石英砂模擬含砂原油，混合液在混合攪拌箱中混合后被水泵泵出，混合液經(jīng)過管道和噴嘴后被噴射到篩管的試件上，通過旋轉(zhuǎn)試件裝夾臺調(diào)節(jié)混合液的沖蝕角度。由流量控制閥控制流體的流量和流速，流量計測量混合液流量，每次試驗(yàn)的試件都要經(jīng)過嚴(yán)格的清洗、烘干后在電子天平上進(jìn)行測量稱重。

圖1 噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置原理圖

1.2 高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置

高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置原理圖如圖2所示。

圖2 高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置原理圖和高壓釜結(jié)構(gòu)圖

高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置由五部分組成：①供液循環(huán)裝置:用于輸送油液；②高壓釜體:用于放置整個沖蝕裝置；③防砂單元件試驗(yàn)架:用于放置防砂管過濾介質(zhì)單元；④沖砂噴頭:在高壓釜內(nèi)形成混砂液；⑤清洗噴嘴:用于清洗篩管片，防止堵塞。

其中，高壓釜體是整個裝置的核心部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3。

2 試驗(yàn)方法研究

2.1 試驗(yàn)流程

首先宏觀觀察沖蝕試樣，確認(rèn)試樣在沖蝕實(shí)驗(yàn)前未有外力損傷；丙酮、清水沖洗試樣，除去表面污漬，保證孔網(wǎng)通暢，烘干試樣并稱重，要求電子稱精度達(dá)到0.000 1 g；拍攝試樣微距照片，要求試樣上有方向標(biāo)記，保證實(shí)驗(yàn)前后拍攝的照片方向一致，便于后續(xù)分析；將試樣緊固安裝在基管上，置入高壓釜中，并在環(huán)空充填適量砂樣；確認(rèn)高壓釜流體入口和出口管線工作正常；蓋上高壓釜蓋，緊固密封；準(zhǔn)備干凈盛液桶6～7個，用于測試沖蝕過程中的液體流量、含砂量以及砂粒的粒度分布；打開控制電腦檢測各測壓點(diǎn)數(shù)據(jù)，確保控制系統(tǒng)運(yùn)行正常；開啟液體循環(huán)伺服隔膜泵，將壓力逐漸升至實(shí)驗(yàn)壓力，開始實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)后試件清洗烘干，用電子天平稱重計算試件質(zhì)量減少量，并用顯微鏡觀察表面沖蝕情況。

圖3 高壓釜內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖和試件圖

高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置在進(jìn)行篩管沖蝕試驗(yàn)研究時，通過穩(wěn)壓供油裝置可以控制入油口壓力，壓力檢測裝置則監(jiān)控環(huán)空內(nèi)外的壓力并計算環(huán)空壓降，以此來測量和調(diào)整試驗(yàn)過程中的壓差。

試驗(yàn)中通過選取不同粒度砂樣模擬不同原油含砂粒度；通過原油中砂樣的含量來改變混合液砂粒濃度；通過改變原油黏度來調(diào)整混合液黏度。

2.2 試驗(yàn)對比分析

1)采用噴嘴式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置時，只有少量的含砂原油隨機(jī)通過篩管試件篩縫，大部分含砂原油在篩管試件表面進(jìn)行沖蝕，通過電子天平測量的篩管試件的質(zhì)量損失量，絕大部分是其表面質(zhì)量損失量，不能準(zhǔn)確體現(xiàn)篩管作業(yè)時的沖蝕磨損。

2)設(shè)計并構(gòu)建的高壓釜式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置，能夠使大部分的含砂原油在壓力作用下通過篩管試件篩縫，通過電子天平測量的篩管試件的質(zhì)量損失量，絕大部分是其篩縫處質(zhì)量損失量，說明高壓釜式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置更能體現(xiàn)實(shí)際篩管沖蝕磨損的情況。

3)實(shí)際采油過程中，防砂篩管內(nèi)外壓差驅(qū)動含砂原油通過篩縫流入管道內(nèi)部，高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置可調(diào)整的沖蝕試驗(yàn)參數(shù)主要為壓差，噴嘴式裝置可調(diào)整的沖蝕試驗(yàn)參數(shù)主要為液體流速和沖蝕角度，而液體流速大小由篩管內(nèi)外壓差決定，篩管沖蝕角度是隨機(jī)變化的，并且噴嘴式結(jié)構(gòu)本身的鋪展效應(yīng)會導(dǎo)致實(shí)際沖角誤差較大。

4)高壓釜式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置高壓釜中配有自動清洗噴頭，采用電腦采集數(shù)據(jù)，自動化程度高，采用沖砂噴嘴攪拌混合液，混合液更加均勻，通過控制生產(chǎn)壓力驅(qū)動含砂原油進(jìn)行沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)，與篩管實(shí)際受到的沖蝕磨損更相符。

高壓釜式和噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對比如表1所示。

表1 高壓釜式和噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對比

相較于噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置操作簡單，功能合理，數(shù)據(jù)收集方便，能更準(zhǔn)確地反映出防砂篩管的沖蝕磨損情況。

3 不同生產(chǎn)壓差下網(wǎng)布篩管沖蝕規(guī)律的試驗(yàn)

在井下篩管實(shí)際沖蝕磨損過程中，生產(chǎn)壓差、原油黏度、含砂濃度和砂粒粒度是影響篩管沖蝕壽命的主要因素。以單層網(wǎng)布篩管制作成試件，設(shè)定網(wǎng)布篩管精度為350 μm，地層砂粒粒度中值D50為35 μm，模擬油黏度為20 mPa·s，地層砂UC(不均勻系數(shù))為1～3。選取生產(chǎn)壓差分別為2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa，在高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置中進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)研究。所得單層網(wǎng)布篩管沖蝕磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同壓差條件下對應(yīng)的網(wǎng)布篩管沖蝕數(shù)據(jù)表

由表2分析得出，對單層網(wǎng)布篩管試件進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)時，增大生產(chǎn)壓差，沖蝕前流量增大，沖蝕失效時間變短，其質(zhì)量減少量變大，網(wǎng)布篩管沖蝕率增大，米采指數(shù)下降。生產(chǎn)壓差為2 MPa、3 MPa、4 MPa時，單層網(wǎng)布篩管試件的沖蝕減少質(zhì)量、沖蝕前流量、沖蝕率、米采指數(shù)的變化基本呈線性關(guān)系。

如圖4所示為篩縫沖蝕磨損情況，對比圖4(a)與圖4(b)，試驗(yàn)后篩管試件的質(zhì)量損失大部分分布在篩縫處，導(dǎo)致縫隙變大無法滿足防砂要求，圖4(c)為縫表面放大1 000倍后的沖蝕磨損形貌，表面具有明顯的犁溝現(xiàn)象，造成網(wǎng)布篩管材料表面沖蝕磨損損失的主要原因是砂粒對金屬絲表面的碾壓與切削，實(shí)驗(yàn)過程中高速流體夾帶著砂粒形成高速磨料流體，其形成的正向速度分量致使砂粒刺入金屬絲，同時由于切向速度的作用磨粒沿金屬絲表面做切向運(yùn)動， 從而剔除部分材料造成切削磨損。由于在沖蝕過程中的沖蝕角度各異。引起磨料流體的正向速度和切向速度方向各異，致使網(wǎng)布篩管片質(zhì)量損失的主要原因是砂粒壓入和擦劃金屬絲表面。

由上述說明可以得到，單層網(wǎng)布篩管試件的沖蝕磨損情況與實(shí)際作業(yè)情況符合一致，含砂原油在篩管縫隙處對篩管進(jìn)行沖蝕磨損。相較于噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置，該高壓釜式試驗(yàn)裝置能夠更為準(zhǔn)確的反映出防砂篩管的沖蝕磨損情況。

圖4 篩縫沖蝕磨損情況

4 結(jié)論

1)設(shè)計并構(gòu)建的高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，能更準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場生產(chǎn)過程中篩管的沖蝕磨損情況，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)采一體化的試驗(yàn)系統(tǒng)。

2)利用該裝置進(jìn)行了單層網(wǎng)布篩管沖蝕磨損試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)篩管的沖蝕率與現(xiàn)場的生產(chǎn)壓差的控制息息相關(guān)，壓差越大，篩管沖蝕率越大，抗沖蝕失效時間越短，試驗(yàn)后觀察并測量篩管試件的質(zhì)量損失量，發(fā)現(xiàn)大部分分布在篩管縫處，其試驗(yàn)結(jié)果合理，與實(shí)際情況相符。