全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置研制

張新平，王躍曾

工藝與裝備

全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置研制

張新平，王躍曾

（中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067）

常用的沖蝕試驗裝置無法評價篩管抗沖蝕性能及研究篩管沖蝕機理，為了達到現場防砂要求，設計與制造了全尺寸臥式浸沒型篩管抗沖蝕試驗裝置，其具有以下特點：易于操作，便于計算機分析處理數據；密封性能良好且沖蝕條件可控，可以實現液體浸沒型臥式沖蝕試驗、單面沖蝕試驗、全尺寸模擬沖蝕工況試驗；可與電鏡掃描試樣協同分析，研究在腐蝕和沖蝕綜合作用下試樣的綜合特性。通過室內模擬試驗表明該裝置的實驗結果與海上某油田防砂井現場防砂效果保持較好的一致性，能夠真實模擬防砂篩管的抗沖蝕性能、預測防砂篩管的使用壽命，具有一定的推廣應用價值。

抗沖蝕；腐蝕；防砂篩管；全尺寸

隨著海上疏松砂巖、稠油、高含泥質油藏的深入開發，防砂技術已成為開發此類油藏不可或缺的重要手段[1-3]，防砂的主要目的是充分釋放油氣井產能、充分利用油藏天然能量并延長油氣井生產壽命等[4-5]。防砂篩管是機械防砂的主體部分，在防砂井的生產過程中既要防止防的過死導致油氣滲流能力下降，又要防止地層大量出砂而導致井底沉砂堆積掩埋油氣層，從而沖蝕刺壞生產管柱和地面生產管線等影響油氣開采[6]。因此，有必要通過試驗裝置對不同的篩管進行抗沖蝕腐蝕等綜合特性評價。

目前常用的沖蝕試驗裝置大多是立式或非淹沒型沖蝕實驗，存在尺寸過小、非全尺寸、立式居多、非浸沒型等明顯不足[9-12]，無法滿足評價篩管抗沖蝕性能的需求。特別是關于臥式浸沒型全尺寸試驗裝置進行篩管抗沖蝕試驗較少，主要原因在于全尺寸試驗裝置體型龐大、設計和安裝難度大、費用高。因此，設計了一種全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置，可以多個沖蝕筒并列進行試驗，通過調節流量、壓力傳感器監測等進行混合液流體樣沖蝕實驗以減少實驗誤差；操作簡單，可用計算機分析處理數據，能夠較為方便地分析防砂篩管沖蝕機理；密封性能良好且沖蝕條件可控，可以實現液體浸沒型臥式沖蝕試驗、單面沖蝕試驗、全尺寸模擬沖蝕工況試驗；可與電鏡掃描試樣協同分析，進行腐蝕試驗、滲透試驗，研究腐蝕和沖蝕綜合作用下試樣的綜合特性。

1 沖蝕評價試驗裝置研制

設計的一種全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置，如圖1所示，沖蝕實驗筒剖面圖見圖2。

1—混砂罐；2—泵；3—壓力表；4—流量計；5—壓差測量計；6—模擬篩管的篩網；7—沖蝕實驗筒

沖蝕試驗裝置主要由動力系統、攪拌系統、循環系統、沖蝕實驗筒、控制系統和測量系統組成。其中動力系統主要是由隔膜泵和電機組成；攪拌系統主要是由攪拌器和儲液箱組成；測量系統主要是通過壓力傳感器、流量器和電腦自動數據采集組成；控制系統主要是通過伺服儀進行泵的頻率調節來實現泵排量調整。具體流程是通過攜砂液與模擬地層砂在混砂灌內混合和攪拌均勻，經過泵被加速，通過調節后進入釜體，經過噴嘴沖蝕篩管，一部分顆粒比較大的砂子被篩管擋在篩管前端，一部分粒徑小的砂子經過篩管與攜砂液一起回流到集液灌，完成閉式循環。其中儀器儀表和調控系統起到監測、測量和調節的功能和作用。

1—篩網；2—部件1；3—部件2；4—蓋1；5—蓋2；6—噴頭；7—“O”形圈；8—部件接頭；9—螺帽

2 抗沖蝕性能評價

為了研究海上某油田防砂井篩管擋砂介質的沖蝕規律及沖蝕破壞機理，優選出滿足海上某油田生產需要的防砂篩管類型，針對出砂油藏防砂篩管的結構特點、工作環境及方式，運用全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置，結合電鏡掃描試樣分析，對海上某油田防砂井應用的四種防砂篩管進行了擋砂精度、抗堵塞性能和產能影響評價。

2.1 篩管的抗沖蝕性能評價

由于現場出砂過程中砂粒與篩管過濾元件之間的相互磨損作用的過程屬于過流式磨損，因此，采用模擬流速對擋砂介質進行沖蝕影響規律實驗，考慮到現場儲層環境以及油井的平均流速較低，室內無法在低流速下短時間內使篩管出現明顯的沖蝕，通過調研目前國內外沖蝕實驗流速條件，基本上都高于2.0 m·s-1，結合室內試設計的一種全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置性能、泵的排量、實驗周期等特點，為防止泵長時間高負荷運轉，將流速控制在3.0～4.0 m·s-1范圍內。

室內以250μm的方孔網、密紋網作為本次實驗的篩網，將60～80目（250～180 μm）砂粒放置于篩管中，采用3.0～4.0 m·s-1的流速通入模擬地層水，含砂質量分數為0.03%，實驗周期為336 h，進行不同篩管結構的抗沖蝕性能評價，實驗結果如表1所示，可以看出，在相同實驗條件下，不同篩管結構，抗沖蝕性能也有所不同，表現出以下特征：（1）對比1-6號實驗數據可知，雙層篩網的抗沖蝕能力強于單層篩網的抗沖蝕能力，并且密文網的抗沖蝕能力強于方孔網。（2）防砂篩管外保護套的結構對于提高篩管的抗沖蝕能力具有較大的影響。對于沖縫螺旋保護套網采用沖壓方式成形的橋式孔螺旋排列式縫隙，油井產液從立體縫隙繞流進入篩管，可以有效避免流體對過濾層的直接沖蝕破壞，延長了篩管的使用壽命，適用于高液量含砂生產井。而沖孔網只能部分的保護篩管的擋砂介質，從地層產出的自由砂粒在高流速下直接沖蝕篩管擋砂介質，因此8號篩網抗沖蝕能力小于7號篩網。

表1 裸眼+優質篩管獨立防砂對比實驗

2.2 現場防砂結果分析

目前海上某油田防砂井防砂主要采用的是礫石充填的防砂方式，統計分析了A1井、A2井、A3井三口防砂失效井，三口均采用金屬網布篩管，擋砂精度為200～250 μm，具體統計分析見表2。為了采用優質篩管獨立防砂，避免篩管發生沖蝕破壞，通過室內試驗測定篩管擋砂介質在含砂質量分數0.03%情況下，以質量磨損損失5%作為篩管防砂失效的標準，評價了流速及沖蝕時間對篩管沖蝕速率的影響規律，并與現場實際篩管防砂壽命進行了對比，試驗結果如圖3所示。

對比表2、圖3數據可知，采用全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置的實驗結果與現場保持較好的一致性，說明全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置可以作為室內進行防砂篩管的抗沖蝕性能評價和壽命預測。

表2 海上某油田防砂失效井統計分析

圖3 不同流速下篩管沖蝕磨損量與時間關系圖

3 結 論

1）設計的全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置操作簡單，結合計算機分析能快速分析防砂篩管沖蝕機理；可與電鏡掃描試樣協同分析，研究在腐蝕和沖蝕綜合作用下篩網的綜合特性。

2）高液量含砂生產井推薦使用密紋網+方孔網篩網，外部添加沖縫螺旋保護套網。

3）全尺寸臥式浸沒型篩管沖蝕試驗裝置能夠真實模擬防砂篩管的抗沖蝕性能、預測防砂篩管的使用壽命，具有一定的推廣應用價值。

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Development of a Full-scale Horizontal Submerged Screen Tube Erosion Test Device

,

（CNOOC Shenzhen Branch, Shenzhen Guangdong 518067, China）

The commonly used erosion test equipment cannot evaluate the anti-erosion performance of the screen and study the erosion mechanism of the screen. In order to meet the requirements of on-site sand control, a full-size horizontal immersed screen anti-erosion test device has been designed and manufactured. It has following features: easy to operate, convenient for computer analysis and processing of data, good sealing performance and controllable erosion conditions; it can more conveniently analyze the erosion mechanism of sand control screens, and can achieve liquid immersion type horizontal erosion test, full-scale erosion simulation working condition test. The indoor simulation test showed that the experimental results of the full-size horizontal immersed screen pipe anti-erosion test device maintained good consistency with the on-site sand control effect of an oil field well, and could truly simulate the anti-erosion performance of the sand control screen and predict the service life of sand control screen tube. It has certain promotion and application value.

Erosion resistance; Corrosion; Sand control screen; Full size

TE358.1

A

1004-0935（2022）02-0209-03

國家自然科學基金（項目編號：51274047）。

2021-11-04

張新平（1970-），男，高級工程師，1994年畢業于江漢石油學院鉆井工程專業，研究方向：海上石油鉆完井。