防砂篩管沖蝕試驗裝置及方法

王寶權，匡韶華

中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院 (遼寧 盤錦 124010)

防砂篩管沖蝕試驗裝置及方法

王寶權，匡韶華

中國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研究和評價，研制出了一套防砂篩管沖蝕試驗裝置，并確定了試驗方法。該裝置能夠準確控制磨料粒子沖蝕速度和粒子含量，可進行篩管的噴射沖蝕和過流沖蝕試驗。測試試驗表明，該裝置性能穩定，試驗結果重現性好。利用該試驗裝置和試驗方法能夠更加合理地開展篩管沖蝕試驗研究和評價。

防砂篩管;沖蝕;試驗裝置;試驗方法;噴射沖蝕;過流沖蝕

沖蝕現象在油氣開采過程中大量存在，從鉆井到采油(氣)再到集輸，沖蝕磨損是造成設備損壞、事故發生的主要原因之一。實際生產表明，篩管長期在油井高速含砂流體的作用下，局部沖蝕現象普遍存在，尤其是篩管的過濾單元，在沖蝕作用下，過濾介質容易發生破壞，導致防砂失敗，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象的發生，需要針對篩管開展沖蝕試驗研究以及評價試驗。目前，沖蝕試驗裝置的類型很多，但是這些裝置都是針對各自實際工況研制的，不滿足篩管沖蝕試驗的要求。因此，研制防砂篩管沖蝕試驗裝置，用于篩管沖蝕試驗研究以及篩管耐沖蝕性能評價非常有必要。

1 沖蝕試驗裝置

1.1試驗裝置要求

考慮材料沖蝕影響因素，以及篩管的實際工況，防砂篩管沖蝕試驗裝置的設計應該滿足以下幾點要求［3-4］:①精確控制和測量粒子沖蝕速度;②精確控制粒子含量;③能夠用不同粒子進行試驗;④既可進行含砂氣體沖蝕試驗，又可進行含砂液體沖蝕試驗;⑤能夠模擬篩管的沖蝕破壞方式;⑥試驗重現性能好、性能穩定。

1.2試驗裝置組成

防砂篩管沖蝕試驗裝置由砂罐、攪拌器、加砂器、混砂器、加速管、噴嘴、空壓機、高壓柱塞泵、壓力表、流量計、試驗樣室、激光多普勒測速儀、樣件夾具、支架等組成(圖1)。啟動空壓機，可進行含砂氣體沖蝕試驗;啟動高壓泵，可進行含砂液體沖蝕試驗。激光多普勒測速儀的激光發射器和接收器分別安裝在噴嘴出口的兩邊，通過試驗樣室的透視窗，可以測量噴嘴出口處磨料粒子的沖蝕速度。通過調節空壓機或高壓柱塞泵的排量，并結合激光多普勒測速儀所測量的磨料粒子速度，可將磨料粒子的沖蝕速度調節到試驗要求值。通過調節加砂器的轉速來控制流體中的粒子含量，保障粒子含量的穩定性。

1.3樣件夾具結構

防砂篩管的沖蝕破壞主要存在2種方式［5-8］:噴射沖蝕和過流沖蝕。噴射沖蝕是指篩管外未形成砂層時，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;過流沖蝕是指由于篩管部分過濾單元出現堵塞，過流面積減小，形成流動“熱點”，流體攜帶細粉砂通過“熱點”時的流速增大，從而對過濾介質的網孔內壁進行沖蝕磨損，導致網孔尺寸變大，防砂失效。為了模擬篩管的不同沖蝕破壞方式，設計了2種樣件夾具。

圖1 防砂篩管沖蝕試驗裝置示意圖

1)噴射沖蝕樣件夾具。篩管噴射沖蝕試驗中要求監測沖蝕破壞時間，因此設計了特殊的樣件夾具及音頻采集系統來監測篩管過濾單元的沖蝕破壞時間，其結構如圖2所示，計算機中安裝音頻采集軟件。采用大于篩管過濾介質網孔尺寸的磨料粒子進行噴射沖蝕，在樣件還未沖破之前，粒子不能穿過樣件，金屬片產生的聲音較小，當試樣被沖破后，大量粒子將撞擊到金屬片上，產生的聲波迅速變大。試驗過程中，觀察音頻圖像，當音頻圖像峰值迅速變大(圖3)，并保持一定時間時，則可判斷篩管樣件已沖破，峰值變大時對應的時間點，即可作為篩管過濾介質的沖蝕破壞時間。

2)過流沖蝕樣件夾具。在篩管過濾單元過流沖蝕試驗中，為了保證磨料粒子順利通過過濾單元，樣件后面應盡量保持通暢，其樣件夾具結構如圖4所示。

2 篩管沖蝕試驗方法

2.1噴射沖蝕試驗方法

圖2 噴射沖蝕樣件夾具及音頻采集系統結構示意圖

圖3 監測沖蝕破壞時間的音頻圖像

圖4 過流沖蝕樣件夾具結構示意圖

①將篩管過濾介質樣件安裝于樣件夾具中，樣件的沖蝕面要正對噴嘴出口，調節沖蝕樣件的角度和位置;②啟動空壓機，接通壓縮空氣;③將角狀不規則石英砂顆粒(粒徑范圍0.38～0.75mm)加入砂罐中，啟動加砂器，以穩定的加砂速率均勻地加入壓縮空氣中;④采用激光多普勒測速儀，測量噴嘴出口處石英砂粒子的沖蝕速度，調節氣體排量，使粒子的沖蝕速度達到要求;⑤采用音頻采集系統監測過濾介質的沖蝕破壞時間，過濾介質沖破后，停止沖蝕;⑥通過對比篩管過濾介質在相同沖蝕條件下的沖蝕破壞時間來評價其耐沖蝕性能，沖蝕破壞時間越長，耐沖蝕性能越好。

2.2過流沖蝕試驗方法

①采用玻璃微珠通過法測試過濾介質沖蝕前的原始網孔尺寸;②將篩管過濾介質樣件安裝于樣件夾具中，樣件的沖蝕面要正對噴嘴出口，調節沖蝕樣件的角度和位置;③啟動空壓機，接通壓縮空氣;④將F320號白剛玉微粉(粒度范圍19～52μm)加入砂罐中，啟動加砂器，以穩定的加砂速率均勻地加入壓縮空氣中;⑤采用激光多普勒測速儀，測量噴嘴出口處白剛玉微粉的沖蝕速度，調節氣體排量，使粒子的沖蝕速度達到要求;⑥連續沖蝕一段時間后，停止沖蝕，取出沖蝕樣件，清洗干凈，干燥后，采用玻璃微珠通過法測試過濾介質沖蝕后的網孔尺寸;⑦按照下式計算篩管過濾介質沖蝕前后網孔尺寸的變化率，通過對比篩管過濾介質在相同沖蝕條件下沖蝕前后的網孔尺寸變化率來評價其耐沖蝕性能，網孔尺寸變化率越小，耐沖蝕性能越好。

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

3 沖蝕試驗裝置測試試驗

3.1噴射沖蝕試驗

按照噴射沖蝕試驗方法對彈性篩管和整體燒結濾網篩管進行試驗，主要試驗參數:沖蝕速度12m/s，加砂速率270g/min，沖蝕角度90°，沖蝕靶距45mm。2篩管各進行3次平行試驗，每次試驗中監測到的過濾介質沖蝕破壞時間見表1。2種篩管過濾介質經噴射沖蝕后，過濾介質被嚴重破壞，出現了大的沖蝕孔洞，篩管失效，如圖5所示。

從試驗結果中可看出，測試結果最大偏差值小于5%，說明該試驗裝置具有較好的重現性;彈性篩管的沖蝕破壞時間大于整體燒結濾網篩管的沖蝕破壞時間，說明在噴射沖蝕方式下，彈性篩管的耐沖蝕性好于整體燒結篩管。

3.2過流沖蝕試驗

按照過流沖蝕試驗方法對彈性篩管進行試驗，主要試驗參數:沖蝕速度50m/s;加砂速率320g/min;沖蝕角度90°;沖蝕靶距20mm;沖蝕時間60min。彈性篩管沖蝕前后的網孔尺寸及網孔尺寸變化率見表2。在過流沖蝕下，過濾介質的編織網線變細，網孔被沖蝕變大，且出現較大的沖蝕孔洞，如圖6所示。

表1 不同篩管過濾介質的沖蝕破壞時間

圖5 篩管過濾介質沖蝕樣件沖蝕后的效果

表2 過流沖蝕前后篩管網孔尺寸變化

圖6 篩管過濾介質過流沖蝕沖蝕前后對比圖

試驗結果表明，該沖蝕試驗裝置可以實現篩管過流沖蝕試驗，在過流沖蝕作用下，篩管過濾網孔尺寸發生變化，可以通過網孔尺寸的變化率來評價篩管在過流沖蝕下的耐沖蝕性能。

4 結論與建議

1)所研制的沖蝕試驗裝置設計合理，性能穩定，試驗結果重現性好，試驗結果偏差小于5%，適合用于防砂篩管的沖蝕試驗研究及耐沖蝕性能評價。

2)所研制的沖蝕試驗裝置可準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行試驗，可調節沖蝕角度和沖蝕靶距，能夠進行噴射沖蝕試驗和過流沖蝕。

3)建議進一步開展防砂篩管的沖蝕試驗研究，制訂出防砂篩管耐沖蝕性能試驗評價規范。

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［8］George，Colin.Sand Control Screen Erosion-When Are You at Risk［J］.SPE122269，2009:1-10.

簡訊

大港油田自主研發標準化井場配電裝置

截至2015年4月6日，大港油田自主研發的標準化井場配電裝置現場應用良好，官3-7井標準化電泵控制柜、西12-12井抽油機井標準化控制柜運行平穩。

井場配電集中了電源切換、分配及計量電能等功能，是油井安全生產和經濟運行的關鍵環節。大港油田從數字化采集出發，以現場需求進行標準化設計，堅持論證試驗、攻關改進，成功研發了400V、1 140V和2 500V 3個電壓等級，適用于常規抽油機井、防盜電油井、潛油電泵井的7套標準化開關箱和控制柜，獲得兩項國家實用新型專利。

系列化、標準化井場配電裝置的研制和應用，從外觀樣式、器件選型及結構布局、數據采集、安全防護等方面，有效規范了井場配電系統，進一步增強井場配電的安全可靠性，拓展了動態數據的綜合分析功能，助推油田地面工程數字化與標準化建設。

(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項目“新區新領域關鍵技術研究”(編號:2013ZDIAN-05-03)

王寶權(1966-)，男，高級工程師，現從事油井防砂工藝技術和室內防砂試驗技術等方面研究工作。