防砂篩管沖蝕試驗(yàn)裝置及方法

王寶權(quán)，匡韶華

中國(guó)石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院 (遼寧 盤錦 124010)

防砂篩管沖蝕試驗(yàn)裝置及方法

王寶權(quán)，匡韶華

中國(guó)石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院 (遼寧 盤錦 124010)

為了開展防砂篩管沖蝕試驗(yàn)研究和評(píng)價(jià)，研制出了一套防砂篩管沖蝕試驗(yàn)裝置，并確定了試驗(yàn)方法。該裝置能夠準(zhǔn)確控制磨料粒子沖蝕速度和粒子含量，可進(jìn)行篩管的噴射沖蝕和過(guò)流沖蝕試驗(yàn)。測(cè)試試驗(yàn)表明，該裝置性能穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性好。利用該試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法能夠更加合理地開展篩管沖蝕試驗(yàn)研究和評(píng)價(jià)。

防砂篩管;沖蝕;試驗(yàn)裝置;試驗(yàn)方法;噴射沖蝕;過(guò)流沖蝕

沖蝕現(xiàn)象在油氣開采過(guò)程中大量存在，從鉆井到采油(氣)再到集輸，沖蝕磨損是造成設(shè)備損壞、事故發(fā)生的主要原因之一。實(shí)際生產(chǎn)表明，篩管長(zhǎng)期在油井高速含砂流體的作用下，局部沖蝕現(xiàn)象普遍存在，尤其是篩管的過(guò)濾單元，在沖蝕作用下，過(guò)濾介質(zhì)容易發(fā)生破壞，導(dǎo)致防砂失敗，縮短了篩管的防砂壽命［1-2］。因此，為了防止篩管沖蝕破壞現(xiàn)象的發(fā)生，需要針對(duì)篩管開展沖蝕試驗(yàn)研究以及評(píng)價(jià)試驗(yàn)。目前，沖蝕試驗(yàn)裝置的類型很多，但是這些裝置都是針對(duì)各自實(shí)際工況研制的，不滿足篩管沖蝕試驗(yàn)的要求。因此，研制防砂篩管沖蝕試驗(yàn)裝置，用于篩管沖蝕試驗(yàn)研究以及篩管耐沖蝕性能評(píng)價(jià)非常有必要。

1 沖蝕試驗(yàn)裝置

1.1試驗(yàn)裝置要求

考慮材料沖蝕影響因素，以及篩管的實(shí)際工況，防砂篩管沖蝕試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)要求［3-4］:①精確控制和測(cè)量粒子沖蝕速度;②精確控制粒子含量;③能夠用不同粒子進(jìn)行試驗(yàn);④既可進(jìn)行含砂氣體沖蝕試驗(yàn)，又可進(jìn)行含砂液體沖蝕試驗(yàn);⑤能夠模擬篩管的沖蝕破壞方式;⑥試驗(yàn)重現(xiàn)性能好、性能穩(wěn)定。

1.2試驗(yàn)裝置組成

防砂篩管沖蝕試驗(yàn)裝置由砂罐、攪拌器、加砂器、混砂器、加速管、噴嘴、空壓機(jī)、高壓柱塞泵、壓力表、流量計(jì)、試驗(yàn)樣室、激光多普勒測(cè)速儀、樣件夾具、支架等組成(圖1)。啟動(dòng)空壓機(jī)，可進(jìn)行含砂氣體沖蝕試驗(yàn);啟動(dòng)高壓泵，可進(jìn)行含砂液體沖蝕試驗(yàn)。激光多普勒測(cè)速儀的激光發(fā)射器和接收器分別安裝在噴嘴出口的兩邊，通過(guò)試驗(yàn)樣室的透視窗，可以測(cè)量噴嘴出口處磨料粒子的沖蝕速度。通過(guò)調(diào)節(jié)空壓機(jī)或高壓柱塞泵的排量，并結(jié)合激光多普勒測(cè)速儀所測(cè)量的磨料粒子速度，可將磨料粒子的沖蝕速度調(diào)節(jié)到試驗(yàn)要求值。通過(guò)調(diào)節(jié)加砂器的轉(zhuǎn)速來(lái)控制流體中的粒子含量，保障粒子含量的穩(wěn)定性。

1.3樣件夾具結(jié)構(gòu)

防砂篩管的沖蝕破壞主要存在2種方式［5-8］:噴射沖蝕和過(guò)流沖蝕。噴射沖蝕是指篩管外未形成砂層時(shí)，高速流體攜帶砂粒從炮眼中直接噴射到篩管表面，將篩管沖破;過(guò)流沖蝕是指由于篩管部分過(guò)濾單元出現(xiàn)堵塞，過(guò)流面積減小，形成流動(dòng)“熱點(diǎn)”，流體攜帶細(xì)粉砂通過(guò)“熱點(diǎn)”時(shí)的流速增大，從而對(duì)過(guò)濾介質(zhì)的網(wǎng)孔內(nèi)壁進(jìn)行沖蝕磨損，導(dǎo)致網(wǎng)孔尺寸變大，防砂失效。為了模擬篩管的不同沖蝕破壞方式，設(shè)計(jì)了2種樣件夾具。

圖1 防砂篩管沖蝕試驗(yàn)裝置示意圖

1)噴射沖蝕樣件夾具。篩管噴射沖蝕試驗(yàn)中要求監(jiān)測(cè)沖蝕破壞時(shí)間，因此設(shè)計(jì)了特殊的樣件夾具及音頻采集系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)篩管過(guò)濾單元的沖蝕破壞時(shí)間，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，計(jì)算機(jī)中安裝音頻采集軟件。采用大于篩管過(guò)濾介質(zhì)網(wǎng)孔尺寸的磨料粒子進(jìn)行噴射沖蝕，在樣件還未沖破之前，粒子不能穿過(guò)樣件，金屬片產(chǎn)生的聲音較小，當(dāng)試樣被沖破后，大量粒子將撞擊到金屬片上，產(chǎn)生的聲波迅速變大。試驗(yàn)過(guò)程中，觀察音頻圖像，當(dāng)音頻圖像峰值迅速變大(圖3)，并保持一定時(shí)間時(shí)，則可判斷篩管樣件已沖破，峰值變大時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，即可作為篩管過(guò)濾介質(zhì)的沖蝕破壞時(shí)間。

2)過(guò)流沖蝕樣件夾具。在篩管過(guò)濾單元過(guò)流沖蝕試驗(yàn)中，為了保證磨料粒子順利通過(guò)過(guò)濾單元，樣件后面應(yīng)盡量保持通暢，其樣件夾具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 篩管沖蝕試驗(yàn)方法

2.1噴射沖蝕試驗(yàn)方法

圖2 噴射沖蝕樣件夾具及音頻采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 監(jiān)測(cè)沖蝕破壞時(shí)間的音頻圖像

圖4 過(guò)流沖蝕樣件夾具結(jié)構(gòu)示意圖

①將篩管過(guò)濾介質(zhì)樣件安裝于樣件夾具中，樣件的沖蝕面要正對(duì)噴嘴出口，調(diào)節(jié)沖蝕樣件的角度和位置;②啟動(dòng)空壓機(jī)，接通壓縮空氣;③將角狀不規(guī)則石英砂顆粒(粒徑范圍0.38～0.75mm)加入砂罐中，啟動(dòng)加砂器，以穩(wěn)定的加砂速率均勻地加入壓縮空氣中;④采用激光多普勒測(cè)速儀，測(cè)量噴嘴出口處石英砂粒子的沖蝕速度，調(diào)節(jié)氣體排量，使粒子的沖蝕速度達(dá)到要求;⑤采用音頻采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)濾介質(zhì)的沖蝕破壞時(shí)間，過(guò)濾介質(zhì)沖破后，停止沖蝕;⑥通過(guò)對(duì)比篩管過(guò)濾介質(zhì)在相同沖蝕條件下的沖蝕破壞時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)其耐沖蝕性能，沖蝕破壞時(shí)間越長(zhǎng)，耐沖蝕性能越好。

2.2過(guò)流沖蝕試驗(yàn)方法

①采用玻璃微珠通過(guò)法測(cè)試過(guò)濾介質(zhì)沖蝕前的原始網(wǎng)孔尺寸;②將篩管過(guò)濾介質(zhì)樣件安裝于樣件夾具中，樣件的沖蝕面要正對(duì)噴嘴出口，調(diào)節(jié)沖蝕樣件的角度和位置;③啟動(dòng)空壓機(jī)，接通壓縮空氣;④將F320號(hào)白剛玉微粉(粒度范圍19～52μm)加入砂罐中，啟動(dòng)加砂器，以穩(wěn)定的加砂速率均勻地加入壓縮空氣中;⑤采用激光多普勒測(cè)速儀，測(cè)量噴嘴出口處白剛玉微粉的沖蝕速度，調(diào)節(jié)氣體排量，使粒子的沖蝕速度達(dá)到要求;⑥連續(xù)沖蝕一段時(shí)間后，停止沖蝕，取出沖蝕樣件，清洗干凈，干燥后，采用玻璃微珠通過(guò)法測(cè)試過(guò)濾介質(zhì)沖蝕后的網(wǎng)孔尺寸;⑦按照下式計(jì)算篩管過(guò)濾介質(zhì)沖蝕前后網(wǎng)孔尺寸的變化率，通過(guò)對(duì)比篩管過(guò)濾介質(zhì)在相同沖蝕條件下沖蝕前后的網(wǎng)孔尺寸變化率來(lái)評(píng)價(jià)其耐沖蝕性能，網(wǎng)孔尺寸變化率越小，耐沖蝕性能越好。

式中:Sd為網(wǎng)孔尺寸變化率，%;d0為篩管沖蝕前的網(wǎng)孔尺寸，mm;d1為篩管沖蝕后的網(wǎng)孔尺寸，mm。

3 沖蝕試驗(yàn)裝置測(cè)試試驗(yàn)

3.1噴射沖蝕試驗(yàn)

按照噴射沖蝕試驗(yàn)方法對(duì)彈性篩管和整體燒結(jié)濾網(wǎng)篩管進(jìn)行試驗(yàn)，主要試驗(yàn)參數(shù):沖蝕速度12m/s，加砂速率270g/min，沖蝕角度90°，沖蝕靶距45mm。2篩管各進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)到的過(guò)濾介質(zhì)沖蝕破壞時(shí)間見(jiàn)表1。2種篩管過(guò)濾介質(zhì)經(jīng)噴射沖蝕后，過(guò)濾介質(zhì)被嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)了大的沖蝕孔洞，篩管失效，如圖5所示。

從試驗(yàn)結(jié)果中可看出，測(cè)試結(jié)果最大偏差值小于5%，說(shuō)明該試驗(yàn)裝置具有較好的重現(xiàn)性;彈性篩管的沖蝕破壞時(shí)間大于整體燒結(jié)濾網(wǎng)篩管的沖蝕破壞時(shí)間，說(shuō)明在噴射沖蝕方式下，彈性篩管的耐沖蝕性好于整體燒結(jié)篩管。

3.2過(guò)流沖蝕試驗(yàn)

按照過(guò)流沖蝕試驗(yàn)方法對(duì)彈性篩管進(jìn)行試驗(yàn)，主要試驗(yàn)參數(shù):沖蝕速度50m/s;加砂速率320g/min;沖蝕角度90°;沖蝕靶距20mm;沖蝕時(shí)間60min。彈性篩管沖蝕前后的網(wǎng)孔尺寸及網(wǎng)孔尺寸變化率見(jiàn)表2。在過(guò)流沖蝕下，過(guò)濾介質(zhì)的編織網(wǎng)線變細(xì)，網(wǎng)孔被沖蝕變大，且出現(xiàn)較大的沖蝕孔洞，如圖6所示。

表1 不同篩管過(guò)濾介質(zhì)的沖蝕破壞時(shí)間

圖5 篩管過(guò)濾介質(zhì)沖蝕樣件沖蝕后的效果

表2 過(guò)流沖蝕前后篩管網(wǎng)孔尺寸變化

圖6 篩管過(guò)濾介質(zhì)過(guò)流沖蝕沖蝕前后對(duì)比圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，該沖蝕試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)篩管過(guò)流沖蝕試驗(yàn)，在過(guò)流沖蝕作用下，篩管過(guò)濾網(wǎng)孔尺寸發(fā)生變化，可以通過(guò)網(wǎng)孔尺寸的變化率來(lái)評(píng)價(jià)篩管在過(guò)流沖蝕下的耐沖蝕性能。

4 結(jié)論與建議

1)所研制的沖蝕試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理，性能穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性好，試驗(yàn)結(jié)果偏差小于5%，適合用于防砂篩管的沖蝕試驗(yàn)研究及耐沖蝕性能評(píng)價(jià)。

2)所研制的沖蝕試驗(yàn)裝置可準(zhǔn)確控制磨料粒子沖蝕速度、磨料粒子含量，可采用不同磨料粒子進(jìn)行試驗(yàn)，可調(diào)節(jié)沖蝕角度和沖蝕靶距，能夠進(jìn)行噴射沖蝕試驗(yàn)和過(guò)流沖蝕。

3)建議進(jìn)一步開展防砂篩管的沖蝕試驗(yàn)研究，制訂出防砂篩管耐沖蝕性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)范。

［1］王嘉淮，羅天雨，呂毓剛，等.氣井沖蝕產(chǎn)量模型在儲(chǔ)氣庫(kù)的應(yīng)用［J］.特種油氣藏，2012，19(1):25-29.

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簡(jiǎn)訊

大港油田自主研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)配電裝置

截至2015年4月6日，大港油田自主研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)配電裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用良好，官3-7井標(biāo)準(zhǔn)化電泵控制柜、西12-12井抽油機(jī)井標(biāo)準(zhǔn)化控制柜運(yùn)行平穩(wěn)。

井場(chǎng)配電集中了電源切換、分配及計(jì)量電能等功能，是油井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大港油田從數(shù)字化采集出發(fā)，以現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，堅(jiān)持論證試驗(yàn)、攻關(guān)改進(jìn)，成功研發(fā)了400V、1 140V和2 500V 3個(gè)電壓等級(jí)，適用于常規(guī)抽油機(jī)井、防盜電油井、潛油電泵井的7套標(biāo)準(zhǔn)化開關(guān)箱和控制柜，獲得兩項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利。

系列化、標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)配電裝置的研制和應(yīng)用，從外觀樣式、器件選型及結(jié)構(gòu)布局、數(shù)據(jù)采集、安全防護(hù)等方面，有效規(guī)范了井場(chǎng)配電系統(tǒng)，進(jìn)一步增強(qiáng)井場(chǎng)配電的安全可靠性，拓展了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的綜合分析功能，助推油田地面工程數(shù)字化與標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

(尉立崗摘自http：//news.cnpc.com.cn 2015-04-22)

In order to carry out the test research and evaluation of sand control screen erosion，a set of device for sand control screen erosion test is developed，and the corresponding testmethod is determined.The device can accurately control the erosion velocity and the content of abrasive particles，and it can implement the jet erosion test and the flow erosion test of sand control screen.The tests show that the device is of stable performance and the good repeatability of test results.To use the device can better carry out the erosion test and the evaluation of sand control screen.

sand control screen;erosion;test device;testmethod;jeterosion;flow erosion

立崗

2015-01-07

遼河油田重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“新區(qū)新領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào):2013ZDIAN-05-03)

王寶權(quán)(1966-)，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事油井防砂工藝技術(shù)和室內(nèi)防砂試驗(yàn)技術(shù)等方面研究工作。