金屬網(wǎng)布型篩管抗內(nèi)外壓能力研究與探討

李 中，王爾鈞，郭永賓，孟文波，武洪鑫，尹玉超，孔 洋，顧海瑞

1中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 2東營(yíng)市瑞豐石油技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司

0 引言

篩管的抗內(nèi)外壓強(qiáng)度是評(píng)判篩管使用性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，在篩管的使用過程中，不論是礫石充填過程還是生產(chǎn)采油過程，都有可能產(chǎn)生來(lái)自內(nèi)部或外部的壓力，特別是在地層砂堵塞防砂層時(shí)，液體流經(jīng)篩管防砂層可能會(huì)產(chǎn)生一定的節(jié)流壓差，此時(shí)對(duì)篩管防砂層的強(qiáng)度是一個(gè)很大的考驗(yàn)，如果篩管防砂層承受不住壓力而破裂，地層砂將通過破裂處進(jìn)入油管，即宣告防砂失敗[1-2]。

多流道旁通篩管是針對(duì)深水油氣田礫石充填及大位移長(zhǎng)水平井段礫石充填容易產(chǎn)生砂橋及堵塞的問題而設(shè)計(jì)的一種帶有旁通管結(jié)構(gòu)的防砂篩管，其結(jié)構(gòu)是在金屬編織網(wǎng)過濾層的外部帶有旁通管，在礫石充填過程中，一旦出現(xiàn)砂橋或堵塞，攜砂液可通過旁通管繞過堵塞部分繼續(xù)向下充填，以確保充填可靠[3-4]。在多流道旁通篩管的測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)多流道旁通篩管的金屬網(wǎng)布過濾層抗內(nèi)壓強(qiáng)度較低，不能滿足使用要求。

為了提高多流道旁通篩管的金屬網(wǎng)布過濾層的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，對(duì)多流道旁通篩管的不同金屬網(wǎng)布過濾層結(jié)構(gòu)、不同加工工藝方面進(jìn)行了多次試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同的金屬網(wǎng)布過濾層結(jié)構(gòu)和焊接加工工藝是影響多流道旁通篩管抗內(nèi)外壓強(qiáng)度的主要因素。通過對(duì)多流道旁通篩管的試驗(yàn)研究，以優(yōu)化篩網(wǎng)類型選擇和結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高金屬網(wǎng)布型篩管的抗內(nèi)外壓強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

以配制好的試驗(yàn)液體(內(nèi)含比篩管過濾精度大和比篩管過濾精度小的固體顆粒)分別從篩管內(nèi)側(cè)和篩管外側(cè)流經(jīng)篩管過濾層，試驗(yàn)液體中的固體顆粒會(huì)慢慢封堵住篩管過濾層，導(dǎo)致流量慢慢減小，壓力慢慢上升，繼續(xù)加壓使篩管破裂[5-8]。

1.2 試驗(yàn)方法

抗內(nèi)壓試驗(yàn)液體走向見圖1。用柱塞泵從篩管內(nèi)部泵入試驗(yàn)液體，待入口出現(xiàn)壓力顯示時(shí)，繼續(xù)泵注液體，當(dāng)入口壓力突降或提高排量壓力不再上升時(shí)，停止泵入試驗(yàn)液體，此時(shí)判斷篩管破裂。拆出篩管并解剖，觀察篩網(wǎng)情況。

圖1 抗內(nèi)壓液體走向示意圖

抗外壓試驗(yàn)液體走向見圖2。用柱塞泵從篩管外部泵入試驗(yàn)液體，待入口出現(xiàn)壓力顯示時(shí)，繼續(xù)泵注液體，當(dāng)入口壓力突降或提高排量壓力不再上升時(shí)，停止泵入試驗(yàn)液體，此時(shí)判斷篩管破裂。拆出篩管并解剖，觀察篩網(wǎng)情況。

圖2 抗外壓液體走向示意圖

該試驗(yàn)方法參考中國(guó)海洋石油總公司的標(biāo)準(zhǔn)Q/HS 6007.3—2011《篩管技術(shù)規(guī)范第3部分：金屬網(wǎng)布篩管》,參考抗內(nèi)壓值為≥6.5 MPa，抗外壓值為≥27.5 MPa。

2 試驗(yàn)過程

2.1 使用不同金屬編織網(wǎng)篩管的抗內(nèi)壓試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)金屬網(wǎng)布篩管常用平紋編織網(wǎng)作為篩管的過濾層，其優(yōu)點(diǎn)是整體制造成本較低，但強(qiáng)度較低；國(guó)際上常用的還有斜紋編織網(wǎng)、逆向斜紋編織網(wǎng)等，這兩種編織網(wǎng)編織密實(shí)，空隙均勻，但成本較高，不同編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 不同編織網(wǎng)示意圖

為了研究不同金屬編織網(wǎng)過濾層對(duì)篩管抗內(nèi)外壓強(qiáng)度的影響，分別對(duì)采用平紋編織網(wǎng)和采用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管進(jìn)行了抗內(nèi)壓測(cè)試，測(cè)試結(jié)構(gòu)為基管+金屬網(wǎng)布過濾層+旁通管+外護(hù)管結(jié)構(gòu)(見圖4)，篩網(wǎng)搭接焊接工藝為自動(dòng)電阻焊。

圖4 旁通篩管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

測(cè)試結(jié)果為：使用平紋網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為1.9 MPa，使用逆向斜紋網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為2.6 MPa，均小于標(biāo)準(zhǔn)參考值6.5 MPa，篩網(wǎng)破裂點(diǎn)均在篩網(wǎng)焊接處[9-10]。分析原因是篩網(wǎng)卷制焊接時(shí)，自動(dòng)電阻焊焊點(diǎn)處的金屬絲熔化降低了整體強(qiáng)度。

2.2 改善焊接工藝的篩管抗內(nèi)壓試驗(yàn)

在對(duì)使用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管和使用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管進(jìn)行的抗內(nèi)壓測(cè)試結(jié)果分析中，焊點(diǎn)處的金屬絲熔化降低了整體強(qiáng)度是導(dǎo)致篩管抗內(nèi)壓能力低的一個(gè)重要原因，因此在不改變篩管結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)篩網(wǎng)焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化，主要目的是為了減少編織網(wǎng)金屬絲的熔化對(duì)篩網(wǎng)強(qiáng)度的影響，加工工藝由原來(lái)的自動(dòng)電阻焊改為手動(dòng)點(diǎn)焊工藝，手動(dòng)點(diǎn)焊相對(duì)于自動(dòng)電阻焊的優(yōu)點(diǎn)在于焊接面積小，焊接熔融對(duì)篩網(wǎng)的影響小。首先對(duì)采用手動(dòng)點(diǎn)焊工藝，使用逆向斜紋編織網(wǎng)篩網(wǎng)的篩管進(jìn)行了試驗(yàn)。

測(cè)試結(jié)果為：使用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為3.7 MPa，抗內(nèi)壓強(qiáng)度依然小于標(biāo)準(zhǔn)參考值6.5 MPa，篩網(wǎng)漏點(diǎn)不是因?yàn)楹Y網(wǎng)破裂，而是因?yàn)槭謩?dòng)點(diǎn)焊處的焊接強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致焊接處開焊。雖手動(dòng)點(diǎn)焊工藝制作的篩管的抗內(nèi)壓能力優(yōu)于自動(dòng)電阻焊工藝制作的篩管，但抗內(nèi)壓能力仍不滿足標(biāo)準(zhǔn)參考值的要求。試驗(yàn)證明不論是自動(dòng)電阻焊還是手動(dòng)點(diǎn)焊，都是由于過濾套的強(qiáng)度不足而使篩管產(chǎn)生漏點(diǎn)。

2.3 改善篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的篩管抗內(nèi)壓試驗(yàn)

逆向斜紋編織網(wǎng)已經(jīng)是市面上強(qiáng)度很高的金屬網(wǎng)布，但是采用自動(dòng)電阻焊和手動(dòng)點(diǎn)焊的上述結(jié)構(gòu)的篩網(wǎng)仍不能滿足要求，因此在篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了兩種方案:① 增加金屬網(wǎng)布的層數(shù)來(lái)提高篩管的抗內(nèi)壓能力;② 緊貼金屬網(wǎng)布過濾層增加一層外護(hù)套，在篩網(wǎng)承受內(nèi)壓時(shí)給予篩網(wǎng)一個(gè)外部支撐。

2.3.1 增加一層篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的篩管抗內(nèi)壓試驗(yàn)

對(duì)增加一層編網(wǎng)的篩管進(jìn)行抗內(nèi)壓試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果為：使用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為3.1 MPa，使用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為6.2 MPa，抗內(nèi)壓強(qiáng)度依然小于標(biāo)準(zhǔn)參考值的6.5 MPa，原因是篩網(wǎng)強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致篩網(wǎng)刺漏。

增加金屬編織網(wǎng)的層數(shù)確實(shí)可以增加篩網(wǎng)的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，但不能使篩管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度提高到標(biāo)準(zhǔn)參考值以上。此方案不僅增加了成本和加工難度，還會(huì)增加篩管外徑，因此不是最佳選擇。

2.3.2 增加一層外護(hù)套結(jié)構(gòu)的篩管抗內(nèi)壓試驗(yàn)

篩網(wǎng)本身的強(qiáng)度相對(duì)于同厚度的金屬板強(qiáng)度較低，若緊貼金屬網(wǎng)布過濾層增加一層外護(hù)套(見圖5)，由于外護(hù)套是由金屬板沖孔制成的，其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于金屬網(wǎng)布，在篩網(wǎng)承受內(nèi)壓時(shí)，在篩網(wǎng)外部提供一個(gè)高強(qiáng)度的支撐，對(duì)篩管的抗內(nèi)壓能力的提高會(huì)比增加金屬網(wǎng)布層數(shù)更好一些，而且成本要低于繼續(xù)增加金屬網(wǎng)布層數(shù)。

圖5 增加護(hù)套的旁通篩管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

對(duì)增加外護(hù)套的篩管進(jìn)行了抗內(nèi)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為：使用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力8.8 MPa，使用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為12 MPa，抗內(nèi)壓強(qiáng)高于標(biāo)準(zhǔn)參考值6.5 MPa。緊貼金屬網(wǎng)布過濾層增加一層外護(hù)套對(duì)篩管的抗內(nèi)壓能力提升了3～4倍，是提高篩管抗內(nèi)壓能力的直接有效措施。

2.4 篩管抗外壓試驗(yàn)

對(duì)采用手動(dòng)點(diǎn)焊工藝并在金屬網(wǎng)布外側(cè)增加一層外護(hù)套的旁通篩管進(jìn)行抗外壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品分別是采用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管和采用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管。

測(cè)試結(jié)果為：采用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗外壓試驗(yàn)加壓31.5 MPa，篩網(wǎng)未出現(xiàn)破損，緊貼篩網(wǎng)的外護(hù)套出現(xiàn)變形，但不影響防砂效果；采用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗外壓試驗(yàn)加壓38.5 MPa，未出現(xiàn)破損，緊貼篩網(wǎng)的外護(hù)套出現(xiàn)和平紋編織網(wǎng)的旁通篩管一樣的變形，但不影響防砂效果。抗外壓能力均高于參考標(biāo)準(zhǔn)參考值27.5 MPa。

試驗(yàn)結(jié)果分析：由于篩管的金屬網(wǎng)布過濾層內(nèi)側(cè)是緊貼基管的，所以在篩管承受外壓時(shí)，基管給予過濾層一個(gè)支撐作用，以防止篩網(wǎng)因擠壓變形而發(fā)生破裂。不論是采用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管還是采用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管均能達(dá)到抗外壓能力的要求。

2.5 繞絲篩管抗內(nèi)外壓試驗(yàn)

在對(duì)旁通篩管的抗內(nèi)外壓試驗(yàn)過程中，對(duì)同等過濾精度的繞絲篩管也進(jìn)行了抗內(nèi)外壓試驗(yàn)，為旁通篩管的抗內(nèi)外壓能力的改進(jìn)提供參考，其抗內(nèi)壓強(qiáng)度可達(dá)10～11 MPa，抗外壓強(qiáng)度可達(dá)30 MPa以上。

2.6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比(見表1)可以看出：相同結(jié)構(gòu)類型和焊接工藝的金屬網(wǎng)布篩管，使用逆向斜紋編織網(wǎng)的金屬網(wǎng)布篩管抗內(nèi)壓能力高于使用平紋編織網(wǎng)的金屬網(wǎng)布篩管；改善焊接工藝，減小焊接對(duì)篩網(wǎng)的破壞可提高金屬網(wǎng)布篩管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度；增加篩網(wǎng)層數(shù)或增加護(hù)套可顯著提高金屬網(wǎng)布篩管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，且金屬網(wǎng)布外側(cè)增加護(hù)套是提高金屬網(wǎng)布篩管抗內(nèi)壓強(qiáng)度非常有效的手段。對(duì)比繞絲篩管的抗內(nèi)外壓測(cè)試結(jié)果，經(jīng)過優(yōu)化后的金屬網(wǎng)布篩管抗內(nèi)外壓能力均能達(dá)到或超過繞絲篩管。

表1 篩管抗內(nèi)外壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

(1)金屬網(wǎng)布篩管過濾層所采用的金屬編織網(wǎng)是影響篩管抗內(nèi)壓能力的重要因素之一，高強(qiáng)度的逆向斜紋編織網(wǎng)抗內(nèi)壓能力明顯高于平紋編織網(wǎng)。

(2)金屬網(wǎng)布過濾層的焊接工藝是影響篩管抗內(nèi)壓能力的另一項(xiàng)重要因素，自動(dòng)電阻焊的焊接熔融程度高于手動(dòng)點(diǎn)焊工藝，對(duì)篩網(wǎng)金屬絲的強(qiáng)度影響較大，所以手動(dòng)點(diǎn)焊工藝的篩網(wǎng)抗內(nèi)壓強(qiáng)度高于自動(dòng)電阻焊工藝的篩網(wǎng)。

(3)在金屬網(wǎng)布過濾層外部增加一層緊貼的外護(hù)套，可有效提高篩管抗內(nèi)壓能力3～4倍。

(4)篩管的金屬網(wǎng)布過濾層內(nèi)側(cè)是與基管貼合的，在篩管承受外壓時(shí)，基管為過濾層提供支撐以防止篩網(wǎng)因變形而破裂。