篩管沖蝕磨損研究綜述及預(yù)防措施

匡韶華，王寶權(quán)

篩管沖蝕磨損研究綜述及預(yù)防措施

匡韶華，王寶權(quán)

中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院(遼寧盤錦124010)

沖蝕磨損是導(dǎo)致油氣井防砂完井中篩管失效的重要原因。為了防止或減小篩管沖蝕磨損對油氣井生產(chǎn)造成的危害，許多研究者針對篩管沖蝕磨損開展了大量研究工作。結(jié)合這方面的研究工作，比較全面地闡述了篩管沖蝕磨損原因、影響因素、實驗方法、預(yù)測模型，以及防沖蝕篩管方面的內(nèi)容，并且總結(jié)了預(yù)防篩管沖蝕磨損的措施。

篩管;沖蝕原因;實驗方法;預(yù)測措施

沖蝕磨損是指材料受到松散的粒子沖擊時，表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象[1]。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[2-4]。篩管是防砂完井的重要井下工具，由于長期受到含砂流體的作用，篩管局部出現(xiàn)沖蝕破壞，導(dǎo)致防砂失敗的現(xiàn)象普遍存在。實際生產(chǎn)表明，沖蝕磨損是導(dǎo)致篩管防砂失敗的重要原因[5]。因此開展防砂篩管沖蝕磨損研究，對于防止或減小篩管沖蝕磨損造成的危害，提高篩管使用壽命具有重要意義。比較系統(tǒng)、全面地綜述了國內(nèi)外針對篩管沖蝕磨損開展的相關(guān)研究，并總結(jié)了減小篩管沖蝕磨損的措施。

1 篩管沖蝕磨損原因分析

沖蝕磨損的本質(zhì)是高速粒子的沖擊作用產(chǎn)生的能量傳遞導(dǎo)致的[6]，因此，對于高產(chǎn)液、氣井，由于流體流速非常高，砂粒沖擊力強(qiáng)，容易造成篩管沖蝕磨損。

對于大部分油氣井，在正常情況下，由于產(chǎn)量不太高，而且篩管的過流能力很強(qiáng)，流體通過篩管的流速很低，因此，一般不會造成沖蝕。但是，當(dāng)篩管的部分區(qū)域出現(xiàn)堵塞后，流體就會從未堵塞的區(qū)域通過，從而形成了局部“熱點”(圖1)[7-10]。篩管堵塞后的過流面積減小了，因此流體通過局部“熱點”時的流速增大。當(dāng)流速超過臨界沖蝕速度時，就會對篩管造成沖蝕磨損。這種由篩管堵塞引發(fā)的沖蝕磨損現(xiàn)象主要存在于水平井篩管完井中[11]。

在射孔完井中，完井作業(yè)的不合理，可能造成嚴(yán)重的地層傷害，導(dǎo)致部分炮眼發(fā)生堵塞，使得大量流體從少量未堵塞的炮眼中噴出，從而形成了高速噴砂射流，就像噴嘴噴砂一樣直接對篩管表面進(jìn)行噴射沖蝕[12]。

在礫石充填防砂完井中，如果環(huán)空中填充質(zhì)量差，形成不穩(wěn)定的礫石層，就可能出現(xiàn)大的流動通道，流體會優(yōu)先從流動通道中通過，從而形成局部“熱點”[11]。地層流體通過局部“熱點”時，以較高的流速直接對篩管進(jìn)行噴射沖蝕[13]。

在水平井礫石充填過程中也存在篩管沖蝕現(xiàn)象。Hamid和Ali[14]通過實驗分析了這種沖蝕現(xiàn)象的原理。在水平井礫石充填的中后期，除了篩管的最頂端和最末端外，篩管的大部分被礫石掩埋，流體被迫從篩管兩端通過。由于篩管的有效過流面積減小，流體通過篩管兩端的流速急劇增大。如果礫石中含有細(xì)顆粒，就會對篩管造成沖蝕，而且這種沖蝕磨損非常迅速，在很短的時間內(nèi)，就能將篩管的兩端沖破。

2 篩管沖蝕速率影響因素

篩管的沖蝕速率即受到篩管內(nèi)部因素影響，如篩管的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，又受到外部條件影響，重點介紹外部條件對篩管沖蝕速率的影響。

2.1砂粒速度

沖蝕速率主要取決于砂粒的速度，這是因為沖蝕磨損與砂粒的動能有直接的關(guān)系。材料發(fā)生沖蝕磨損存在一個沖蝕速度的下限(臨界沖蝕速度)，砂粒速度低于臨界沖蝕速度時，只發(fā)生彈性碰撞，高于臨界沖蝕速度時，才會對材料造成沖蝕磨損。根據(jù)國外試驗研究成果[15]，含砂流體速度達(dá)到0.09m/s時就可以造成篩管沖蝕磨損。

2.2流體性質(zhì)

在相同條件下，不同流體介質(zhì)對篩管沖蝕磨損作用是不同的。流體介質(zhì)為氣體時，沖蝕最嚴(yán)重，其次是水，沖蝕作用最小的流體介質(zhì)是油[12]。所以，在氣井中，沖蝕是一個嚴(yán)重的問題，是氣井生產(chǎn)的主要約束，而在油井中，含水率越高，篩管沖蝕破壞的可能性越大。

2.3砂粒尺寸

采用不同粒徑的石英砂對鋼材進(jìn)行的沖蝕實驗結(jié)果表明[16]:顆粒尺寸在100μm時，沖蝕作用達(dá)到最大，小于100μm時，隨著顆粒尺寸增大，沖蝕作用變強(qiáng)，大于100μm后，顆粒尺寸增大，沖蝕作用基本保持不變。這是由于砂粒的動能與砂粒的尺寸有直接關(guān)系，尺寸越大動能越大，沖蝕作用越強(qiáng)。但是，當(dāng)顆粒直徑超過100μm后，由于顆粒碰撞被壓碎而消耗了能量，從而降低了沖蝕作用[12]。

2.4砂粒含量

在其他條件一定的情況下，材料的沖蝕速率先隨砂粒含量增加而增加，達(dá)到一定值后，隨砂粒含量增加而減小[17]。這是由于砂粒含量較小時，砂粒含量的增加使砂粒沖蝕材料的機(jī)率增加，導(dǎo)致材料的沖蝕速率增加。但是，當(dāng)砂粒含量很大時，由于砂粒之間的相互碰撞以及回彈砂粒的影響，導(dǎo)致材料的沖蝕速率會有所降低。

2.5沖蝕角度

沖蝕角度是指材料表面與入射粒子軌跡之間的夾角。材料的沖蝕速率和沖蝕角度有密切關(guān)系[18]:典型塑性材料的最大沖蝕速率出現(xiàn)在15°～30°沖蝕角內(nèi)，典型脆性材料的最大沖蝕速率出現(xiàn)在沖蝕角為90°時，其他材料一般介于兩者之間。對篩管的沖蝕實驗研究表明[15]:不同的流體介質(zhì)中最大沖蝕速率對應(yīng)的沖蝕角不同，含砂氣體沖蝕時，最大沖蝕速率出現(xiàn)在25°～30°之間;含砂液體沖蝕時，沖蝕角為90°時，沖蝕最嚴(yán)重，沖蝕角為40°～45°時，沖蝕速率次之。

3 篩管沖蝕磨損實驗裝置及實驗方法

3.1ASTM標(biāo)準(zhǔn)材料沖蝕實驗

ASTM G76-13[19]規(guī)定了用于材料沖蝕實驗的沖蝕裝置(圖2)及實驗方法。結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。加砂漏斗中的砂粒通過傳送輸砂裝置以恒定的加砂速率進(jìn)入混合室中，與空壓機(jī)注入的氣體混合形成高速含砂氣流，通過噴嘴噴出對樣品進(jìn)行沖蝕。該裝置采用雙圓盤旋轉(zhuǎn)裝置來確定砂粒從噴嘴噴出的沖蝕速度。實驗方法是:使用不同尺寸的干燥石英砂作為磨料粒子;先用丙酮清洗沖蝕樣件，烘干后，采用精密電子天平稱重;將樣件放入沖蝕實驗裝置的樣件座上，用含砂氣體對樣件沖蝕10min后，再次稱重;計算樣件的沖蝕失重量，評價其耐沖蝕性能。

3.2 篩管含砂液體沖蝕實驗

一種常用的篩管液體沖蝕實驗裝置[20]由可調(diào)速的螺桿泵，砂漿攪拌罐、流量計、差壓傳感器和一個內(nèi)徑為94.48cm(3.1英尺)的測試單元組成，如圖3所示。篩管樣件安裝于測試單元內(nèi)部，差壓傳感器用于測量篩管上下兩側(cè)的壓差。在篩管樣件前面安裝一個噴嘴，則可進(jìn)行砂粒直接噴射沖蝕實驗，去掉噴嘴，則可進(jìn)行砂粒通過篩管孔縫的沖蝕實驗，如圖4所示。

實驗過程中，篩管樣件兩側(cè)壓差上升，表明篩管堵塞，壓差下降，表明篩管沖蝕破壞。實驗的基本參數(shù)[21]是：①流速0.04～0.19m3/min;②最高壓力2.1MPa;③固相含量≤0.2%(重量百分比);④噴嘴出口的流速3.4～14.3m/s;⑤測試單元中的流速0.12～0.61m/s;⑥噴嘴直徑1.68cm;⑦沖蝕靶距1.27～1.91cm;⑧磨料粒子為金剛砂。

為了確保實驗過程中，磨料粒子能夠順利通過篩管樣件，而不造成堵塞，一般采用2種規(guī)格的金剛砂，粒徑參數(shù)見表1。

3.3篩管含砂氣體沖蝕實驗

篩管的直接噴射沖蝕實驗，一般采用氣體作為攜砂介質(zhì)，因為氣體的密度低、黏度低，沒有粘性的邊界層，從而減小了流體介質(zhì)對砂粒沖蝕速度和沖蝕角度的影響[12]。篩管氣體沖蝕實驗裝置[12]的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。砂粒與高速氣體在混合器中混合后直接噴射到篩管樣件表面上。該裝置也是采用雙圓盤旋轉(zhuǎn)裝置來確定砂粒的沖蝕速度。篩管樣件后面安裝一個沖蝕監(jiān)測器，通過測量電壓的變化能夠記錄篩管被沖破的時間。利用篩管被沖破的時間，可以評價篩管的耐沖蝕性能。

氣體噴射沖蝕實驗的基本參數(shù)是:①噴嘴直徑0.64cm;②砂粒沖蝕速度21.3m/s(0.07MPa);③加砂速率6～7g/s;④沖蝕角度90°;⑤沖蝕靶距2.54cm;⑥磨料粒子為金剛砂或石英砂。

3.4水平井礫石充填篩管沖蝕模擬實驗

為了研究水平井礫石充填過程對篩管的沖蝕作用，Hamid和Ali[14]采用大型的水平井礫石充填模型(圖6)模擬了水平井礫石充填過程。把一根長1.4m，外徑11.58cm的篩管安裝于一個內(nèi)徑為15.24cm的套筒中，將其水平放置。采用不同粒徑的礫石與清水混合配制成砂漿，將其充填到模型的環(huán)空中。通過監(jiān)測壓力變化來判斷充填過程中篩管是否被沖破。當(dāng)?shù)[石中不含細(xì)粉砂時，篩管沒有出現(xiàn)沖蝕現(xiàn)象;當(dāng)砂漿中含有75～150μm的細(xì)粉砂(粒徑小于篩管的孔縫值)時，篩管出現(xiàn)了沖蝕破壞現(xiàn)象。

4 防沖蝕篩管研究

為了提高篩管的耐沖蝕性能，目前一般采用具有沖縫結(jié)構(gòu)的保護(hù)罩來防止篩管過濾層沖蝕，圖7為防沖蝕金屬網(wǎng)篩管的結(jié)構(gòu)。這種保護(hù)罩具有彎曲流道，從理論上避免了砂粒直接沖蝕過濾層。但是研究表明[12]這種結(jié)構(gòu)只對直接噴射沖蝕有效，對于堵塞引起的孔縫沖蝕，反而會加劇過濾層沖蝕破壞。

國外威德福公司研制一種自調(diào)控篩管，該篩管由多個重復(fù)單元組成，每一個單元包括一級篩管、二級篩管、分流擋環(huán)和外殼，如圖8所示。一級篩管的內(nèi)層是未鉆孔的基管，二級篩管的內(nèi)層是鉆孔的基管，分流擋環(huán)安裝在一級篩管和二級篩管之間，外殼安裝在二級篩管外面，避免二級篩管與地層直接接觸。地層流體進(jìn)入一級篩管后，由于基管上沒有孔眼，流體軸向流動，經(jīng)過分流擋環(huán)均勻進(jìn)入二級篩管，然后通過基管的孔眼進(jìn)入油井內(nèi)。如果一級篩管的過濾層被沖蝕破壞，地層砂就會通過沖蝕孔眼進(jìn)入外殼與二級篩管之間的環(huán)空中逐漸堆積，將二級篩管完全堵塞，阻止流體通過該單元。流體只能從其他沒有被沖破的單元通過，從而防止了地層砂進(jìn)入油井，延長了篩管的使用壽命。

5 預(yù)防篩管沖蝕磨損的措施

1)采用清潔完井液，并且防砂前應(yīng)采取合理的洗井措施，清除井眼中殘留的固相顆粒和聚合物，防止篩管堵塞，避免形成局部流動熱點，減小篩管沖蝕的風(fēng)險。

2)優(yōu)化篩管設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行適度防砂，在滿足擋砂要求的前提下，盡可能增大篩管的擋砂精度，提高篩管的過流能力，從而降低篩管堵塞的風(fēng)險，降低流體通過篩管時的流速。

3)研制新型耐沖蝕篩管。新型耐沖蝕篩管的研制，應(yīng)該從提高篩管抗堵塞能力、增大篩管過流能力和采用耐沖蝕過濾材料的思路出發(fā)。

4)采用礫石充填防砂或膨脹篩管防砂。礫石充填防砂和膨脹篩管防砂能夠有效地阻止細(xì)粉砂進(jìn)入篩管中，并且可防止井壁坍塌，從而大大降低了篩管堵塞的風(fēng)險，避免形成局部流動熱點，減小篩管沖蝕磨損。但是對于礫石充填防砂，必須保證充填質(zhì)量，對于膨脹篩管防砂，必須保證井眼規(guī)則，才能有效防止篩管沖蝕。

5)采用層間分隔和節(jié)流噴嘴(ICD)來控制流體速率，使流體沿井眼均勻流動，可以降低篩管沖蝕破壞的風(fēng)險。

6)為了防止水平井礫石充填的施工過程中篩管的沖蝕破壞，在篩管管柱的最頂端和最末端采用特殊的耐沖蝕篩管。

6 結(jié)論與認(rèn)識

1)沖蝕破壞是造成篩管防砂失敗的主要原因之一，應(yīng)該重點開展篩管沖蝕機(jī)理、沖蝕實驗方法、沖蝕壽命預(yù)測方法，新型防沖蝕篩管以及減少篩管沖蝕措施方面的研究。

2)篩管沖蝕主要存在兩種形式:直接噴射沖蝕和堵塞引起的孔縫沖蝕。針對不同的沖蝕形式應(yīng)采用不同的實驗方法進(jìn)行研究。材料沖蝕失重法并不適合評價篩管的耐沖蝕性能，采用篩管沖蝕沖破時間或者篩管過濾介質(zhì)沖蝕前后孔徑(縫寬)的變化率能夠更加合適地評價篩管的耐沖蝕性能。

3)由于影響篩管沖蝕的因素非常復(fù)雜，至今還沒有一個公認(rèn)的、普遍適用的模型用于預(yù)測篩管在實際工況下的沖蝕程度，應(yīng)該結(jié)合CFD理論計算、實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場經(jīng)驗對篩管沖蝕模型進(jìn)行深入的研究。

4)正常作業(yè)及生產(chǎn)情況下，篩管一般不會發(fā)生沖蝕破壞，篩管堵塞是導(dǎo)致篩管沖蝕破壞的重要原因。因此，要防止篩管沖蝕磨損，重點是要采取一些降低篩管堵塞風(fēng)險的措施。

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中國石油銷售公司進(jìn)一步嚴(yán)格油品數(shù)質(zhì)量管理

在“3·15”國際消費者權(quán)益日前夕，中國石油銷售公司專門做出部署，要求各銷售企業(yè)忠實履行職責(zé)，采取強(qiáng)有力措施，進(jìn)一步嚴(yán)格油品數(shù)質(zhì)量管理，堅決保證銷售的油品都質(zhì)量合格、計量準(zhǔn)確，維護(hù)中國石油品牌形象。

銷售公司強(qiáng)調(diào)，要嚴(yán)把采購環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān)，對直屬煉廠資源嚴(yán)格按照必檢項目，經(jīng)分析化驗合格后方可入庫。外采油品必須按照“三重一大”要求，在入圍供應(yīng)商中采購，采購合同必須明確質(zhì)量計量條款;除國標(biāo)全項目分析外，汽油還要化驗銷售公司增加的8個項目，必須全部合格才可采購。

銷售公司要求，必須嚴(yán)格控制外采汽油直接入站。凡直接入站的外采油品，堅決實施封罐運輸、化驗密度、留樣保管等措施;加強(qiáng)運輸車船和運輸全過程監(jiān)管，專罐專用、專船專用;積極配合有關(guān)部門，開展打擊摻雜使假和偷盜油品專項行動，保證油品運輸過程中不被污染和替換。

加油站是中國石油的窗口。銷售公司重申，各分公司要切實抓好加油站的油品質(zhì)量管理，所屬加油站只能接收銷售公司統(tǒng)一配置的油品。各加油站要全面檢查地罐含水和雜質(zhì)情況，確保不違規(guī)、不超標(biāo);認(rèn)真搞好加油機(jī)檢驗與測定工作，發(fā)現(xiàn)問題及時整改，保證在用的每臺加油機(jī)都檢定合格，計量器、編碼器、主板鉛封達(dá)標(biāo)完好。

(石監(jiān)摘自http：//news.cnpc.com.cn 2015-03-09)

Erosion wear is an important cause of screen pipe failure in oil and gas well completion.In order to prevent or reduce the damage of the erosion wear of screen pipe to oil and gas wells，many researchers made a lot of research works in the erosion wear of screen pipe.By reviewing the research works，the erosion causes，influencing factors，experimental methods and prevention models of screen tube are expounded，and the prevention measures to the erosion wear of screen pipe are summarized.

screen pipe;erosion cause;experimental method;prevention measures

學(xué)敏

2014-09-17

國家科技重大專項“渤海灣盆地遼河坳陷中深層稠油開發(fā)技術(shù)示范工程”(編號:2011ZX05053)

匡韶華(1985-)，男，工程師，現(xiàn)從事油井防砂工藝技術(shù)方面的研究。