防砂篩管測試技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展探討

匡韶華，石磊，于麗宏，柳燕麗

（遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010）①

防砂是出砂油氣藏開采中不可缺少的環(huán)節(jié)，而機械防砂是目前應(yīng)用最多的防砂方式［1］。防砂篩管是機械防砂技術(shù)的核心部件之一，它對防砂的效果、成本和油井的產(chǎn)量等都有很大的影響。測試技術(shù)在篩管的優(yōu)選、設(shè)計和質(zhì)量檢測等方面起到重要的作用。篩管測試方法可分為2大類：模擬評價試驗和性能檢測試驗。目前，國內(nèi)外大多采用模擬評價試驗來優(yōu)選篩管類型和技術(shù)參數(shù)，而篩管性能檢測試驗方法還存在較大的不足。本文綜述了篩管模擬評價試驗方法現(xiàn)狀，并且分析討論了篩管性能參數(shù)的檢測試驗方法。

1 模擬評價試驗

1.1 篩管過濾介質(zhì)

篩管過濾介質(zhì)模擬評價試驗以篩管過濾介質(zhì)作為測試樣品，主要目的是優(yōu)選過濾介質(zhì)類型和孔徑／縫寬參數(shù)。該評價方法在國外得到廣泛的應(yīng)用，已成為篩管優(yōu)選設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)［2－6］。按照模擬防砂狀態(tài)的不同，可以分為2種類型：

1）填充模擬試驗裝置。如圖1，將地層砂填充在測試單元中，與過濾介質(zhì)表面直接接觸，輕拍測試單元使地層砂填充均勻，在砂層頂部用彈簧輕壓砂層，防止在砂層四周形成串流通道。恒流量注入甲醇，通過填充砂層和過濾介質(zhì)。

圖1 過濾介質(zhì)填充模型試驗裝置

2）砂漿模擬試驗裝置。如圖2，將地層砂用甲醇潤濕，懸浮在一定黏度的流體中，配成高黏攜砂液，將其注入測試單元，高黏攜砂液通過一段細(xì)管線時，與同時注入細(xì)管線的清水混合，稀釋成無黏度攜砂液，流入到過濾介質(zhì)表面，在過濾介質(zhì)表面逐漸堆積形成砂層。

圖2 過濾介質(zhì)砂漿模型試驗裝置

通過測量過濾介質(zhì)兩端的壓差、出砂量和出砂粒徑，來評價過濾介質(zhì)的抗堵塞能力、擋砂能力和擋砂精度。

1.2 整體篩管

整體篩管模擬評價試驗是將全尺寸篩管安裝在模擬井筒中，在模擬油井實際生產(chǎn)出砂工況下進行試驗，從而評價篩管的實際防砂效果。該方法在國內(nèi)得到了很大的重視，相繼研制出了不同的模擬試驗評價裝置，同樣可分為2種類型：

1）填充模擬試驗裝置。具有代表性的是石油大學(xué)（北京）研制的防砂工藝物理模擬裝置［7］和中海油研制的出砂模擬試驗裝置［8］，其基本流程如圖3～4所示。先將要測試的篩管安裝在高壓釜體中，在篩管和高壓釜體的環(huán)空中填入模擬地層砂，以恒定的壓差或恒定流量往高壓釜體中注入一定黏度的流體，測量試驗過程中壓力、流量的變化，以及試驗結(jié)束后的出砂量和出砂粒徑。

圖3 防砂工藝物理模擬試驗流程

圖4 出砂模擬試驗裝置示意

2）砂漿模擬試驗裝置。代表性的是遼河油田研制的稠油熱采防砂模擬系統(tǒng)［9］和勝利油田研制的防砂方法優(yōu)選模擬試驗裝置［10］。如圖5～6所示，這兩種裝置的主要區(qū)別是，前者采用泵后加砂方式，后者采用泵前加砂方式。將篩管安裝在模擬試驗井筒中，根據(jù)試驗的要求，在篩管與模擬試驗井筒的環(huán)空中可以充填礫石或不充填礫石，啟動高壓泵，以恒定流量往高壓釜體中注入一定黏度的攜砂流體，測量試驗過程中壓力、流量的變化，以及試驗結(jié)束后的出砂量和出砂粒徑。

圖5 稠油熱采防砂模擬系統(tǒng)

圖6 防砂方法優(yōu)選模擬試驗裝置

1.3 模擬評價試驗特點

1）篩管過濾介質(zhì)模擬評價試驗具有試驗簡單、成本低的特點，但是對于由多層金屬網(wǎng)布復(fù)合而成優(yōu)質(zhì)篩管，金屬棉多少、金屬網(wǎng)布之間的松緊程度受加工工藝影響比較大，其測試結(jié)果不能夠真實反應(yīng)出篩管的實際防砂效果，因此不能用其過濾介質(zhì)或局部的性能來代替產(chǎn)品的綜合性能指標(biāo)［11］。此外，這種測試方法容易受流體潤濕性、流速和砂層充實程度影響，測量誤差大，重復(fù)性差。

2）整體篩管模擬評價試驗?zāi)M了油井的地層砂特征，黏土含量，流體黏度和流速等實際工況，能夠測試出篩管的出砂量、產(chǎn)能影響、出砂粒徑和堵塞情況，其試驗結(jié)果能夠比較真實地反映所測試的篩管在具體油井的防砂效果。但是整體篩管模擬評價試驗裝置比較復(fù)雜，模擬油井出砂狀況難度較大，試驗成本高，試驗時間長。

3）填充模型和砂漿模型分別模擬了篩管防砂的不同狀態(tài)［12］：填充模型模擬了篩管與地層直接接觸的狀態(tài)，例如膨脹篩管或裸眼縮徑地層；砂漿模型模擬了篩管與地層之間存在環(huán)空的狀態(tài)。

2 性能檢測試驗

防砂篩管種類繁多，同種類型的篩管又具有不同的技術(shù)參數(shù)，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新型防砂篩管進入市場。由于缺乏篩管檢測標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家檢測篩管的方法不相同，導(dǎo)致檢測結(jié)果不能進行直接對比，且不能對篩管質(zhì)量進行檢驗，給篩管用戶選擇篩管帶來很大困難。采用模擬評價試驗不能完全解決篩管的優(yōu)選問題，因為不可能對每一種篩管進行模擬評價試驗。因此，開展篩管物理性能的檢測方法研究，制定檢測標(biāo)準(zhǔn)，既可以作為篩管模擬評價前的初步優(yōu)選方法，又可以作為篩管質(zhì)量檢驗手段。

根據(jù)理論分析和現(xiàn)場實踐確定影響篩管防砂效果的物理性能主要有：擋砂精度、過流能力、抗堵塞能力、抗沖蝕能力和強度性能。

2.1 擋砂精度檢測

篩管擋砂精度是指通過篩管的最大顆粒粒徑，它是篩管最重要的技術(shù)參數(shù)之一，直接影響油井的出砂量和出砂粒徑。目前，測試篩管擋砂精度的主要方法有3種：

1）直接測量法。利用塞尺或游標(biāo)卡尺直接測量篩管的縫寬，并以縫隙寬度值作為濾砂管的擋砂精度。該方法檢測誤差大，檢測效率低，且只能應(yīng)用于縫隙型篩管。

2）標(biāo)準(zhǔn)砂篩析法。將標(biāo)準(zhǔn)試驗砂放于篩網(wǎng)表面上，震動篩網(wǎng)，使小于篩管孔徑的砂粒落入篩網(wǎng)下面的收集器中，對收集器中的砂粒進行粒度分析，確定通過篩網(wǎng)的最大顆粒粒徑，并以該粒徑值作為由該篩網(wǎng)加工成的篩管的過濾精度。該方法只能適用于過濾介質(zhì)為篩網(wǎng)的篩管，而且過濾介質(zhì)的擋砂精度不能代表篩管的實際擋砂精度。

3）模擬試驗法。在模擬試驗法中，一方面，通過篩管的顆粒粒徑不僅受篩管孔徑或縫寬的影響，同時還很大程度上受到地層砂粒徑、粒度分布、砂粒形狀、流量、黏度等因素的影響，目前關(guān)于模擬試驗法還沒有標(biāo)準(zhǔn)的試驗評價方法，同一篩管在不同試驗條件下測試的結(jié)果是不同的；另一方面，篩管外側(cè)的形成的砂層，由于“架橋”作用，自身形成了一層擋砂屏障，使得所測試的擋砂精度值更大程度地取決于砂層性質(zhì)而不是篩管的性質(zhì)，影響了測量的準(zhǔn)確度。

此外，勝利油田最新研制出了繞絲／割縫防砂篩管自動檢測儀，通過光學(xué)裝置接收和處理在其視角范圍內(nèi)真實物體的圖像，以獲得所需信息。該方法具有準(zhǔn)確度高、操作簡單、檢測效率高等優(yōu)點，但是該方法只能用來檢測繞絲、割縫等縫隙類型篩管。對于孔道類篩管，由于孔道彎曲迂回，光線無法通過，該儀器不適用于這類篩管。

篩管擋砂精度的測量方法最好與篩管的使用情況相符，同時又要清除其他因素對測量結(jié)果的影響。可以采用懸浮液通過法作為篩管擋砂精度測量的標(biāo)準(zhǔn)方法，即用不同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)圓形小球，例如玻璃微珠，在流體作用下通過篩管，測量通過篩管的最大顆粒粒徑，作為篩管的擋砂精度。該方法的關(guān)鍵是要設(shè)計出能夠自動破壞篩管外擋砂層形成的測試裝置，同時要統(tǒng)一規(guī)定玻璃微珠的規(guī)格，測試的流體和流量，從而清除了擋砂層、顆粒形狀、流體類型和流量等因素的影響，提高測試準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

2.2 過流能力檢測

過流能力是指流體通過篩管的能力，它直接關(guān)系到防砂篩管對油井產(chǎn)能的影響。目前，篩管過流能力主要采用滲透率或者過流面積來評價，而這2個參數(shù)都不能準(zhǔn)確反映篩管的過流能力。首先，篩管的滲透率相對于地層滲透率和環(huán)空砂層的滲透率大得多，在低流速下，篩管滲透率對油井產(chǎn)能影響非常微小，因此用滲透率來評價篩管的過流能力沒有實際意義。只有在流速較高時，由于慣性阻力的產(chǎn)生，篩管過流能力才會對油井產(chǎn)能產(chǎn)生影響，而在高流速下，流體通過篩管時已不符合達西滲流定律，故采用滲透率評價篩管過流能力不準(zhǔn)確。其次，篩管的過流能力不僅與過流面積有關(guān)，還與篩管的縫隙或孔道結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的縫隙或孔道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流動阻力是不同的，因此，對于同類型的篩管可以采用過流面積來比較它們的過流能力，而對于不同類型的篩管，則不能采用過流面積來評價它們的過流能力。對于過濾介質(zhì)為金屬網(wǎng)、金屬棉、金屬粉末、充填砂等材料的篩管，其過流面積是很難準(zhǔn)確測量的。文獻［13］認(rèn)為優(yōu)質(zhì)篩管的過流面積應(yīng)該以過濾介質(zhì)的表面積與其孔隙度的乘積為準(zhǔn)。這種觀點存在一定的片面，過濾介質(zhì)孔道是不規(guī)則的，其孔隙度與有效截面積是有偏差的。

Forchheimer［14］給出了流體通過多孔材料時的流動阻力，滿足以下關(guān)系式，即

式中：Δp為流動壓降；L為流動距離；Q為流量；μ為流體黏度；A為材料表面積；ρ為流體密度；ψv為黏性阻力系數(shù)；ψi為慣性阻力系數(shù)。

它有明確的物理意義，即流動阻力由2部分組成：黏性阻力和慣性阻力。當(dāng)流動速度較小時，流動阻力主要是黏性阻力；當(dāng)流動速度較大時，流動阻力主要是慣性阻力。黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)只與過濾介質(zhì)自身性質(zhì)有關(guān)，而與流體性質(zhì)無關(guān)。因此，筆者認(rèn)為采用黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)來評價篩管的過流能力更為合理。

2.3 抗堵塞能力檢測

防砂篩管堵塞是困擾防砂井正常生產(chǎn)的主要原因之一。導(dǎo)致篩管堵塞的原因主要有2方面：①防砂井生產(chǎn)過程中，含有地層細(xì)砂、機械雜質(zhì)、泥質(zhì)黏土等固相介質(zhì)的地層流體通過篩管時，部分固相介質(zhì)會附著在篩管表面，或者侵入過濾介質(zhì)內(nèi)部，形成堵塞［15］；②篩管在下入過程中與鉆井液接觸，鉆井液中的固相顆粒和聚合物處理劑，可能侵入過濾介質(zhì)內(nèi)部，或在篩管表面形成泥餅，造成篩管堵塞［16］。

篩管堵塞物的主要來源有［15］：①地層粉細(xì)砂；②黏土泥質(zhì)；③鉆完井過程中污染物；④原油中的膠質(zhì)瀝青質(zhì)；⑤有機垢和無機垢。篩管的堵塞過程和堵塞程度受到固相堵塞物成分、油井產(chǎn)量、出砂速度、原油黏度等因素的影響。

建立篩管抗堵塞能力檢測標(biāo)準(zhǔn)，首先應(yīng)該根據(jù)堵塞原因和堵塞物來源確定標(biāo)準(zhǔn)的堵塞物和試驗條件，再用標(biāo)準(zhǔn)堵塞物在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下對不同防砂篩管進行檢測，從而得出可對比的檢測結(jié)果。

2.4 抗沖蝕能力檢測

篩管長期處于油氣井高速含砂流體的作用下，局部沖蝕破壞的現(xiàn)象普遍存在，尤其是篩管的過濾介質(zhì)容易被沖蝕破壞。沖蝕破壞是導(dǎo)致篩管防砂失敗的重要原因之一。文獻［17］利用自制的沖蝕磨損試驗裝置對割縫篩管的過濾單元進行了沖蝕試驗，將粒徑為0.1～0.6mm的石英砂與10mPa·s的原油混合，用輸砂泵把含砂原油泵出，通過噴嘴噴射到篩管試樣上進行沖蝕，試驗結(jié)果表明：割縫篩管的沖蝕磨損率隨著含砂原油流速的增大成指數(shù)關(guān)系增加，當(dāng)流速達到15m／s時，沖蝕磨損率達到了100 mg／h。

由于影響篩管沖蝕磨損的試驗條件因素有很多，主要有：砂粒沖蝕速度、砂粒粒徑、砂粒濃度、沖蝕角度、溫度等［18］。此外，防砂篩管在油井中還處于腐蝕環(huán)境，而腐蝕和沖蝕起到一個相互促進的作用，其交互作用將加劇篩管的破壞［19］。因此，需要研制出能夠調(diào)節(jié)砂粒沖蝕速度、砂粒粒徑、砂粒濃度、沖蝕角度、試驗溫度和腐蝕條件的抗沖蝕能力檢測裝置，來綜合檢測評價篩管的抗沖蝕能力。

對于氣井用防砂篩管還需要檢測篩管在高速含砂氣體作用下的抗沖蝕能力，因為含砂氣體沖蝕不同于含砂液體沖蝕，含砂氣體的沖蝕作用要大于含砂液體的沖蝕作用。

2.5 強度性能檢測

篩管強度性能能夠反映篩管抗破壞的能力，篩管一旦被破壞，將會導(dǎo)致油井無法正常生產(chǎn)，甚至造成油井報廢，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

篩管的破壞主要是由各種載荷引起的，篩管在下入油井及生產(chǎn)過程中可能受到的載荷主要有6個［20］：

1）拉伸載荷篩管在下入過程中，自身重力和井底溫度應(yīng)力會產(chǎn)生拉伸載荷；在下入遇阻時，上下活動篩管也會產(chǎn)生拉伸載荷。

2）壓縮載荷井眼不規(guī)則和大斜度井、水平井中，篩管在下入過程中，與井壁或套管之間的摩阻會使篩管承受壓縮載荷；井底溫度應(yīng)力會產(chǎn)生壓縮載荷；在下入遇阻時，上下活動篩管也會產(chǎn)生壓縮載荷。

3）扭轉(zhuǎn)載荷在下入遇阻時，旋轉(zhuǎn)篩管會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷。

4）彎矩在造斜井段、井斜角或方位角急劇變化的井段，篩管都會受到彎矩的作用；井底斷層的滑移或巖層下沉也可能產(chǎn)生彎矩。

5）擠壓載荷隨著油藏的開采，孔隙壓力會逐漸減小，地層會被逐漸壓實并下沉，井眼產(chǎn)生縮頸，對篩管產(chǎn)生擠壓載荷；在油井生產(chǎn)過程中，環(huán)空砂層堵塞或篩管堵塞，導(dǎo)致井眼壓力升高，對篩管產(chǎn)生擠壓載荷。

6）內(nèi)脹載荷油井完井過程中，篩管內(nèi)部或外部堵塞后，高密度的油井工作液產(chǎn)生的液柱壓力對篩管內(nèi)部施加內(nèi)脹載荷。

因此，篩管強度檢測參數(shù)應(yīng)該包括抗拉強度、抗壓強度、抗扭強度、抗彎強度、抗擠強度和抗內(nèi)脹強度。在國內(nèi)，篩管強度的主要評價參數(shù)是抗拉強度、抗壓強度、抗扭強度和抗彎強度。國外公司非常重視篩管抗擠強度和抗內(nèi)脹強度的評價，并且已經(jīng)起草了檢測標(biāo)準(zhǔn)。

檢測篩管抗擠強度和抗內(nèi)脹強度的試驗裝置［21－23］如圖7所示。

抗擠強度測試的方法是：將篩管試樣安裝在高壓容器中。篩管試樣一端封堵，另一端與出口相連。泵入含封堵劑的聚合物漿體進入膛體環(huán)空，通過篩管，直到篩管堵塞。繼續(xù)泵入漿體，增加壓力，直到達到要求的抗擠毀壓力，或者漿體發(fā)生漏失，其對應(yīng)的壓力值即為篩管的抗擠毀強度。

抗內(nèi)脹強度測試的方法與抗擠強度測試方法基本相同，不同的是從試驗裝置的出口往篩管內(nèi)部注入漿體，向篩管內(nèi)部施加載荷。

圖7 篩管抗擠和抗內(nèi)脹強度測試裝置

3 篩管選擇流程

結(jié)合篩管性能檢測方法和模擬評價試驗方法，提出篩管選擇的基本流程：

1）采用統(tǒng)一的檢測方法測試不同篩管的技術(shù)參數(shù)。

2）根據(jù)技術(shù)參數(shù)對應(yīng)的指標(biāo)，判斷篩管是否合格。

3）根據(jù)具體油井地層砂特征和篩管成本，從合格的篩管中優(yōu)選出幾種合適的篩管。

4）通過防砂模擬試驗對優(yōu)選出來的篩管進行技術(shù)驗證，評價防砂效果，確定出最合適的篩管。

4 結(jié)論

1）國內(nèi)外通過多年的研究，在篩管模擬評價試驗方面取得了較多的成果。從總體評價效果來看，整體篩管模擬評價要好于過濾介質(zhì)模擬評價。

2）篩管性能檢測試驗對于篩管的優(yōu)選、設(shè)計和質(zhì)量評價具有重要的指導(dǎo)意義，應(yīng)該給予足夠的重視。要進一步明確篩管需要檢測的性能，針對每一項性能進行檢測，并且要研制出準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、測試簡單的試驗裝置。

3）需要開展對篩管模擬評價試驗以及檢測方法的標(biāo)準(zhǔn)化研究，制定出檢測與評價標(biāo)準(zhǔn)。

4）篩管進入現(xiàn)場應(yīng)用之前，需要通過性能檢測和模擬試驗，優(yōu)選出最適合的篩管，以保障篩管的防砂效果。

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