礫石充填金屬網篩管沖蝕模擬試驗研究*

周 歡 龐明越

(中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部)

0 引 言

隨著渤海油田開發(fā)進入中后期，注水成為提高油田產量的重要手段。水源井的生產層位多為疏松砂巖地層，完井方式多采用優(yōu)質篩管進行簡易防砂，或采用優(yōu)質篩管及礫石充填方法以增強防砂效果[1-4]。水源井排量大，日產水從幾百立方米到幾千立方米不等，在大排量生產條件下，井下流體對篩管的直接沖蝕破壞非常嚴重，若水中含砂則沖蝕破壞會加劇，因此需要對篩管的沖蝕效果進行試驗分析[5-6]。

雖然劉新鋒、胡成和陳彬等[7-11]對篩管的沖蝕磨損因素及熱采篩管的沖蝕進行了研究，但均是針對無礫石充填條件下的篩管。水源井生產制度的變化會影響防砂效果，為滿足油田生產需要，水源井會經常關啟、換泵和調節(jié)水嘴等，這樣會造成井下壓力激蕩，破壞砂橋，影響防砂效果[12]。為此，筆者研制了礫石充填金屬網篩管沖蝕模擬試驗裝置，并采用該裝置進行了礫石充填加砂試驗和沖蝕試驗，以期為現場作業(yè)提供技術支持。

1 試驗原理

1.1 后混式磨料射流裝置混合方式和原理

后混式磨料射流裝置工作原理圖如圖1所示。水介質通過水噴嘴形成高速水射流，磨料箱與混合腔之間存在一定的壓力差，磨料在重力和壓力差的作用下進入混合腔，并與高速水射流發(fā)生劇烈紊動擴散與摻混，再通過磨料噴嘴形成磨料射流。

1—高壓水管；2—磨料箱；3—磨料噴嘴；4—混合腔；5—水噴嘴。

1.2 磨料射流對金屬等材料的沖蝕機理

在水源井工作條件下，金屬網布篩管有受產出攜砂液破壞的可能性，其破壞機理是剪切作用引起的簡單碎片形成過程。因此，利用磨料射流對篩管的沖蝕破壞試驗來研究攜砂液對篩管的破壞現象。根據試驗結果來評價不同質量分數砂粒對無礫石充填篩管及不同噴嘴對礫石充填篩管的沖蝕影響，得出沖蝕影響規(guī)律，以期為篩管的結構改進與技術措施的制訂提供依據。

2 試驗設備及試驗步驟

2.1 試驗設備

2.1.1 設備

試驗使用的高壓水射流驅動設備為1～4臺電機驅動高壓泵，其工作壓力為50 MPa，排量為63～400 L/min，可對普通流體加壓。輔助儀器包括壓力表、調壓閥、計時器、測量卡尺和電子計量器。為防止初次循環(huán)試驗停泵泄壓時產生回流，添加了單向球閥，用以阻止回流造成陶粒堵塞管口。

2.1.2 試驗裝置

(1)試驗裝置及單元試件。為了完成不同質量分數砂粒對金屬網篩管的沖蝕試驗，后混式磨料射流沖蝕裝置用于模擬高、中速射流沖蝕，該裝置主要包括磨料噴頭、穩(wěn)流筒、調砂器、試件安裝調節(jié)裝置、收集箱、試驗架、噴嘴及試件等。按要求加工好同型號金屬網篩管2根(編號為M1和M2)，試驗試件如圖2所示。

圖2 試驗試件Fig.2 Test specimen

(2)模擬礫石充填防砂篩管沖蝕試驗裝置。該裝置主要包括高壓罐、高壓加砂裝置、調砂器、礫石層厚度調節(jié)筒、收集箱、試驗架、壓力測試采集系統(tǒng)、噴嘴及試件等，如圖3所示。

2.2 試驗裝置安裝

礫石充填試驗裝置及傳感器安裝如圖3所示。高壓泵輸出的高壓水經調壓閥門后，一部分流到水池，一部分流經高壓加砂裝置；在驅動壓力作用下，水介質通過噴嘴形成高速水射流，并在混合腔內產生一定的真空度，將磨料吸入喉管和擴散管，從而形成含有磨料的高壓流體；流體通過分流頭、高壓管線、調節(jié)噴嘴均勻地噴向篩管。噴射速度由流量和噴嘴直徑決定。流體經篩管過濾后，流經彎頭和回水管線等進入收集箱。

1 —1號傳感器；2—2號傳感器；3、17—高壓軟管；4—入口接頭與噴嘴密封件；5—3號傳感器；6—4號傳感器；7、9—回水管線；8—收集箱；10—篩管試件；11—筒體；12—篩管接頭；13—分流頭；14—加砂系統(tǒng)；15—壓力采集系統(tǒng)；16—高壓泵組。

2.3 試驗步驟

(1)安裝好篩管試件、調好礫石層厚度(噴距)并填充礫石，接好收集箱；連接高壓水管線、磨料管線(磨料注入器處)及壓力采集系統(tǒng)。

(2)標定磨料漏砂量，向磨料箱內加入磨料。

(3)啟動高壓水泵，調節(jié)壓力和排量。

(4)連接磨料箱處磨料管線，加砂計時開始，進行沖蝕試驗。

(5)最好一次性連續(xù)地完成一組試驗(由于磨料的進入，罐內的壓力會逐步升高，當篩管損壞后，壓力下降且回水管線大量出砂，此時可判定完成一組試驗)。

(6)斷開磨料箱處磨料管線，加砂計時結束，降壓停泵，中止沖蝕試驗。

(7)拆卸管線和試件，觀察并記錄沖蝕篩管損壞情況，結束一組試驗。

3 礫石充填加砂試驗

礫石充填加砂試驗使用M1號金屬網篩管及M2號金屬網篩管，對M1號金屬網篩管充填20/40目陶粒，對M2號金屬網篩管充填16/30目陶粒。

3.1 M1號金屬網篩管+20/40目陶粒

在罐內安裝M1號金屬網篩管試件，清水小排量入罐，循環(huán)5 min，情況正常。開啟加砂系統(tǒng)，采用4根進砂管同時在篩管試件與筒體之間的環(huán)空充入20/40目陶粒，充填過程中壓力傳感器采集數據，如圖4所示。從圖4可以看出：入口壓力穩(wěn)定在22 MPa左右，加砂約6 min后，分流頭壓力從0逐漸升至10 MPa左右，此時吸砂口返水，無法繼續(xù)加砂，停泵，共計加砂時間為14 min。為了驗證裝置能否繼續(xù)進砂，靜置6 min后，繼續(xù)開泵加砂，入口壓力保持在22 MPa左右，加砂僅1 min左右，分流頭壓力迅速上升至10 MPa，且吸砂口返水，停泵。再次開泵，入口壓力保持在22 MPa，加砂不到1 min，分流頭壓力再次迅速升至10 MPa，吸砂口返水，持續(xù)加入清水，觀察能否將礫石充填層內的堵塞解開。開始泵入清水后，分流頭處壓力先升至17 MPa，后逐漸降低，6 min后，分流頭處壓力再次升高，并穩(wěn)定在17 MPa左右。泵入清水30 min后，停泵。

圖4 M1號金屬網篩管試驗數據(4根進砂管)Fig.4 Test data of M1 metal mesh screen pipe (4 sand inlet tubes)

將進砂管數量增加至6根同時向罐內加砂，采集試驗數據如圖5所示。從圖5可以看出：當入口壓力穩(wěn)定20 MPa左右時，隨著加砂時間的延長，分流頭處壓力不斷升高，升至10 MPa左右時，吸砂口返水，無法繼續(xù)加砂，此時共計加砂時間30 min；停止加砂后，僅用泵泵入清水，入水口泵入壓力緩慢升至22 MPa；在此過程中，分流頭壓力降至6 MPa左右，后迅速升至13 MPa，繼續(xù)緩慢升至18 MPa，返出液中含少量細砂；泵入清水43 min后，停泵。在試驗過程中，罐內所測壓力一直接近，沒有發(fā)生明顯變化。M1號金屬網篩管試件總計加砂46 min，加砂質量約5.98 kg。將進砂管拆掉后，發(fā)現6個進砂孔眼中有2個被砂堵塞。

圖5 M1號金屬網篩管試驗數據(6根進砂管)Fig.5 Test data of M1 metal mesh screen pipe (6 sand inlet tubes)

3.2 M2號金屬網篩管+16/30目陶粒

將礫石充填層陶粒粒徑更換為16/30目，更換罐內試件為M2號金屬網篩管，采用6根膠管進行加砂試驗，觀察陶粒粒徑對篩網堵塞的影響。采集試驗數據如圖6所示。從圖6可以看出：開泵后入口壓力升至21 MPa左右，保持穩(wěn)定，加砂約12 min后，分流頭處壓力開始緩慢上升，升至11 MPa左右時，吸砂口返水，無法繼續(xù)加砂，此時加砂時間共計35 min，加砂量為4.54 kg；繼續(xù)加入清水約4 min，發(fā)現分流頭壓力持續(xù)升高，升至15 MPa左右。與使用20/40目陶粒不同的是，罐內所測壓力隨著時間的延長緩慢提升，最高升至1.3 MPa左右。分析認為，陶粒粒徑增大使得礫石充填層內孔隙增大，進砂口處滲流壓力得以在罐內傳遞。

圖6 M2號金屬網篩管試驗數據Fig.6 Test data of M2 metal mesh screen pipe

綜上所述：磨料流體中的砂粒會堵塞礫石充填層及篩管篩網，造成環(huán)空內壓力分布不均勻；從模擬孔眼進入罐內的流體排量較大時容易導致篩管篩網堵塞；進砂管的數量越多，罐內能夠加砂的時間越長，即在地層出砂量一定的情況下，流體流入篩管內的層位越多，面積越大，篩管防砂時間越長；隨著進砂管數量增加，進砂時間也不斷延長，進一步驗證了罐內篩管濾砂元件和礫石充填層的堵塞存在局部特征。

4 礫石充填篩管沖蝕試驗

4.1 含砂質量分數對篩管試樣沖蝕程度的影響

為模擬水源井地層出砂對金屬網篩管試樣的影響，進行了不同質量分數砂粒對金屬網篩管的沖蝕試驗。試驗參數為：流速5 m/s，沖蝕角度60°，砂粒粒徑200 μm，含砂質量分數0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%。

試驗結果如表1及圖7所示。從表1及圖7可以看出：隨著含砂質量分數的增加，流體沖蝕射穿篩管的時間縮短；當含砂質量分數較高時，沖蝕損壞的時間變化幅度減小。

圖7 不同含砂質量分數砂粒沖蝕篩管拆后照片Fig.7 Screen pipe eroded at different sandy mass fractions

表1 含砂質量分數對應的金屬網篩管試樣沖蝕射穿時間Table 1 Erosion penetration time of metal mesh screen pipe test specimen at different sandy mass fractions

4.2 金屬網篩管加砂沖蝕試驗

為了模擬地層出砂對礫石充填后篩管的沖蝕效果，進行了金屬網篩管加砂沖蝕試驗。試驗時選擇較大的陶粒(粒徑16/30目)作為礫石充填層，使礫石充填層內孔隙增大，防止篩管孔堵塞。

選擇不同噴嘴直徑進行單孔眼清水沖蝕試驗，觀察在含有礫石充填層的情況下，流速對金屬網篩管管壁破壞的影響。首先選擇?5 mm噴嘴進行試驗，沖蝕92 min后，采集試驗數據如圖8所示。從圖8可以看出，入口壓力(2號傳感器)存在波動，波動范圍為3.5～5.5 MPa，罐內測得壓力(3號傳感器)與入口壓力浮動趨勢很接近，壓差在2 MPa左右，噴嘴流體流速約為30 m/s。拆卸進砂管后，發(fā)現金屬網篩管護罩被沖壞，金屬網受沖蝕。繼續(xù)沖蝕60 min后，采集試驗數據如圖9所示。由圖9可以看出，入口壓力波動范圍為5～8 MPa，罐內測得壓力與入口壓力差為2 MPa左右。返出液中有細砂流出，停泵，拆卸裝置后進行觀察，發(fā)現外護罩孔徑18 mm，基體沖蝕深度1.5 mm，基體孔徑12 mm。沖蝕實物如圖10所示。

圖8 充填條件下金屬網篩管沖蝕試驗數據Fig.8 Erosion test data of metal mesh screen pipe under pack conditions

圖9 繼續(xù)沖蝕60 min金屬網篩管試驗數據Fig.9 Test data of metal mesh screen pipe eroded for 60 more minutes

圖10 充填條件下金屬網篩管沖蝕實物圖(?5 mm噴嘴)Fig.10 Metal mesh screen pipe eroded under pack conditions

更換孔眼，選擇?4 mm噴嘴進行單孔眼清水沖蝕試驗。沖蝕50 min后，采集試驗數據如圖11所示。從圖11可以看出，入口壓力高于噴嘴直徑為5 mm時的壓力值，波動范圍在9～14 MPa之間，罐內測得壓力也有所升高，波動趨勢與入口壓力一致，與入口壓差在3 MPa左右，由此計算出流速約為40 m/s，返出液中有細砂流出。拆卸進砂管后，發(fā)現金屬網被沖壞，基體沖蝕深度約2.5 mm，沖蝕孔徑約12 mm。

圖11 充填條件下金屬網篩管沖蝕試驗數據Fig.11 Erosion test data of metal mesh screen pipe under pack conditions

繼續(xù)沖蝕347 min后(中間停泵4次)，采集數據如圖12所示。停泵后，拆卸進砂管測量，發(fā)現深度無明顯變化。拆卸裝置后，發(fā)現外護罩沖蝕孔徑13 mm，基體沖蝕孔徑12 mm，沖蝕深度3.5 mm，如圖13所示。分析認為，隨著沖蝕深度的加深，流體的返流作用增強，陶粒及砂粒無法繼續(xù)隨流體一起進行沖蝕破壞，對篩管基體本身形成保護作用，使得沖蝕時間延長。

圖12 繼續(xù)沖蝕347 min金屬網篩管試驗數據Fig.12 Test data of metal mesh screen pipe eroded for 347 more minutes

圖13 充填條件下金屬網篩管沖蝕實物圖(?4 mm噴嘴)Fig.13 Metal mesh screen pipe eroded under pack conditions

更換新孔眼，對?4 mm噴嘴進行重復試驗。采集試驗數據如圖14所示。從圖14可以看出：入口壓力在19 MPa左右小范圍浮動，罐內測得壓力在16 MPa左右浮動，二者壓差接近3 MPa；沖蝕6 min后，入口壓力及罐內測得壓力忽然大幅降低，后又升高至20 MPa左右；繼續(xù)沖蝕4 min，壓力再次驟降，并伴有漏氣聲。停泵，拆卸裝置后發(fā)現外護罩沖蝕孔徑10 mm，基體沖蝕孔徑8 mm，基體沖蝕深度0.5 mm，旁邊篩縫沖大，鐵皮孔與底孔相連 ，如圖15所示。

圖14 充填條件下金屬網篩管再次沖蝕試驗數據Fig.14 One more erosion test data of metal mesh screen pipe under pack conditions

圖15 充填條件下金屬網篩管再次沖蝕實物圖Fig.15 Metal mesh screen pipe eroded once more under pack conditions

更換新孔眼，選擇直徑為2.9 mm的噴嘴進行試驗。采集試驗數據如圖16所示。從圖16可以看出，開泵后，入口壓力穩(wěn)定在27 MPa左右，罐內測得壓力則穩(wěn)定在15 MPa左右，二者壓差約12 MPa，由此計算出流速約為60 m/s。沖蝕10 min后，停泵，拆卸裝置后發(fā)現外護罩沖蝕孔徑16 mm，基體沖蝕孔徑13 mm，沖蝕深度2 mm，旁邊篩縫沖大，鐵皮孔與底孔相連，如圖17所示。

圖16 充填條件下金屬網篩管沖蝕試驗數據Fig.16 Erosion test data of metal mesh screen pipe under pack conditions

圖17 充填條件下金屬網篩管沖蝕實物圖Fig.17 Metal mesh screen pipe eroded under pack conditions

另外，在試驗中還發(fā)現由于高壓罐內憋壓達16 MPa，加上流體沖擊作用，所以篩管外護套壁有壓痕。部分陶粒在此壓力作用下有壓碎現象，會和砂粒一起在篩管縫間形成泥餅，如圖18所示。

圖18 金屬網篩管泥餅圖Fig.18 Mud cake on metal mesh screen pipe

上述試驗結果表明：陶粒粒徑和流速對礫石充填金屬網篩管堵塞和沖蝕有較大影響，隨陶粒粒徑增大，礫石充填層滲流能力增強，篩管擋砂層和礫石充填層堵塞的非均勻程度降低，進入高壓罐內的流體可經更大范圍的濾砂層通過；與此同時，通過噴嘴后的高速流體可與礫石充填層摻混形成磨料射流，對篩管產生較強的沖蝕破壞；隨著噴嘴流體流速的增大，對篩管的沖蝕破壞能力增強。對比無礫石充填的0.5%含砂質量分數篩管沖蝕試驗，在噴嘴清水流速5 m/s時，沖蝕80 min見孔。本文試驗中，噴嘴清水流速約155 m/s時，沖蝕10 min即見沖蝕孔。由此可見，入罐噴射流體達到一定速度時，可擾動礫石充填層，篩管堵塞越嚴重，擾動摻混形成的磨粒射流沖蝕破壞能力越強。

4.3 部分金屬網篩管孔堵塞沖蝕試驗

為了模擬出砂地層流體對已經有孔眼堵塞金屬網篩管的沖蝕結果，進行單孔眼清水沖蝕試驗。選擇未堵塞的金屬網篩管孔眼，向其中注入清水，觀察是否會對篩管造成沖蝕破壞。選擇噴嘴直徑為4 mm，采集試驗數據如圖19所示。從圖19可以看出，開泵后，入口壓力最高升至5.5 MPa，沖蝕3 min后，大量砂粒及陶粒隨返出液從罐內流出。拆卸裝置后發(fā)現，篩管外護罩、金屬網布及近基管護罩全部射穿，外護罩上孔徑約7 mm，基管孔徑約5 mm，基體沖蝕深度為1.5 mm，如圖20所示。

圖19 已有孔眼堵塞的金屬網篩管沖蝕試驗數據Fig.19 Erosion test data of metal mesh screen pipe with blocked holes

圖20 已有孔眼堵塞的金屬網篩管沖蝕實物圖Fig.20 Eroded metal mesh screen pipe with blocked holes

試驗結果表明，當井下篩管部分堵塞后，地層流體會集中于某幾個流通的炮眼向篩管內流動，隨著流速的升高，來流對篩管外部的礫石造成擾動，形成高速磨料射流，對篩管造成沖蝕破壞。

5 結 論

(1)為模擬礫石充填防砂條件下含砂流體對篩管的沖蝕規(guī)律，研制了模擬礫石充填防砂篩管沖蝕試驗裝置，并對金屬網篩管進行了20/40目和16/30目陶粒的充填試驗。

(2)采用4種不同質量分數砂粒對未充填防砂金屬網篩管進行沖蝕試驗，試驗結果表明，隨著含砂質量分數的增加，流體沖蝕射穿的時間縮短，當含砂質量分數較大時，沖蝕損壞的時間變化幅度減小。

(3)礫石充填金屬網篩管充填試驗結果表明，高速流體可與礫石充填層摻混形成磨料射流，對篩管產生較強的沖蝕破壞；隨著噴嘴流體流速的增大，對篩管的沖蝕破壞能力增強，當噴射流體達到一定速度時，可擾動礫石充填層，篩管堵塞越嚴重，擾動摻混形成的磨粒射流沖蝕破壞能力越強。

(4)由于堵塞的非均性，堵塞部位流體無法通過，鄰近的未堵塞部位篩管過流流速增大，清水可與充填層的砂粒摻混，形成磨料射流沖擊正對射孔孔眼處的防砂管，使防砂管本體或過濾介質沖蝕破壞時間縮短，甚至穿孔。