篩管抗擠毀強度測試裝置研制及試驗研究

匡韶華，王寶權中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院（遼寧　盤錦　124010）

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篩管抗擠毀強度測試裝置研制及試驗研究

匡韶華，王寶權
中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院（遼寧盤錦124010）

篩管的抗擠毀強度是防砂工藝技術研究和應用中非常重要的技術參數。為了準確測試出不同類型篩管的抗擠毀強度，研制出了一套篩管抗擠毀強度測試裝置。該裝置采用泥砂封堵與清水打壓相結合的方式，對篩管表面施加均勻的擠壓力，測試結果更加合理。利用該裝置對不同類型的篩管進行了抗擠毀強度測試試驗，得到了不同篩管的抗擠毀強度值，以及擠壓破壞形態。

防砂篩管；抗擠毀強度；試驗裝置

在石油開采技術領域，特別是針對疏松油氣藏開采時，由于在開采過程中普遍出砂，需要采取防砂工藝進行開采，防砂篩管是機械防砂工藝技術中使用最普遍、最重要的一種工具[1]。在油井開采過程中，由于防砂篩管堵塞，或井眼坍塌、變形、縮頸，造成篩管外部擠壓載荷升高。當外擠壓力大于篩管的抗擠毀強度時，就會導致篩管出現變形、破壞[2-6]。現場實踐表明，篩管出現擠毀變形（破壞）是篩管防砂失效的重要原因[7]。篩管擠毀變形（破壞）嚴重影響了油井的正常生產，增大了油井的開發成本。因此，篩管的抗擠毀強度是防砂工藝技術研究和應用中非常重要的技術參數。為了準確測試出不同類型篩管的抗擠毀強度，本文研制出了一套防砂篩管抗擠毀強度測試裝置，并測試出了多種常用篩管的抗擠毀強度。

1　試驗裝置

1.1試驗裝置結構

防砂篩管抗擠毀強度測試裝置結構如圖1所示。該裝置主要由高壓筒、篩管、泥砂封堵層、包裹層、出口堵頭、扶正堵頭、壓力表、泄壓閥、高壓柱塞泵和供水裝置組成。扶正堵頭上具有多個通孔作為水流通道。高壓筒體耐壓為50MPa，內徑為300mm，長度為3m。高壓柱塞泵的排量為0～102L/ min，最高工作壓力28MPa，通過變頻器可以調節高壓泵的排量大小。

圖1　篩管抗擠毀強度測試裝置結構示意圖

1.2篩管抗擠毀強度測試原理

采用不同粒徑的固體顆粒、膨潤土以及聚合物溶液混合均勻配制成黏狀的泥砂封堵物。將黏狀物體均勻涂抹在篩管表面，封堵篩管過濾材料。利用塑料薄膜包裹在泥砂封堵層外，再用膠帶纏繞在塑料薄膜外，對泥砂層起到支撐包覆作用，防止泥砂層脫落或被水沖散。將包裹好的篩管樣件放進高壓筒中，利用高壓柱塞泵將清水注入高壓筒中。由于泥砂層封堵了篩管的過濾孔縫，高壓筒中的壓力會逐步上升，當壓力達到試驗要求值，或者觀察到篩管失效時的壓力值，即為篩管抗擠毀強度試驗測試值。

2　試驗方法

利用篩管抗擠毀強度測試裝置進行試驗的具體操作方法如下：

1）將膨潤土、0.1 mm石英砂、0.15 mm石英砂和0.27 mm石英砂按照1：1：1：1的重量比混合，再加入聚陰離子纖維素HV的水溶液，攪拌均勻，配制成泥砂封堵物。

2）將泥砂封堵物均勻涂抹在篩管表面，形成泥砂封堵層，泥砂封堵層的厚度約為10～20mm。用塑料薄膜包裹在泥砂封堵層外，再用膠帶纏繞在塑料薄膜外，形成包裹層。

3）連接篩管樣件堵頭，將包裹后的篩管樣件裝入高壓筒中，連接高壓柱塞泵與高壓筒之間的高壓管線。

4）啟動高壓柱塞泵，通過控制變頻器的頻率調節高壓柱塞泵的排量，控制壓力緩慢上升。如果壓力達到高壓后，沒有出現回落現象，則將壓力保持在高壓范圍內，穩定一段時間；如果壓力沖高后，迅速回落，且無法重新起高壓，則表明篩管已經被擠毀破壞，記錄最高壓力值，作為該篩管的抗擠毀強度。

5）打壓結束后，卸掉高壓筒的內部壓力，取出篩管樣件，清除包裹層和泥砂封堵層，觀察篩管變形及破壞情況。

3　測試裝置的技術特點

篩管抗擠強度測試裝置具有如下技術特點：

1）采用液體從篩管外圍均勻施加外擠壓力，相對于壓力試驗機直接擠壓，這種方式更加符合篩管的實際擠壓情況，測試結果更加合理、準確。

2）采用泥砂層直接封堵篩管過濾孔縫，封堵效果更好，不會出現封堵不住、起不了高壓的情況。

3）采用直接注入清水打壓，對高壓泵的性能要求降低，減小了試驗裝置的制作成本。

4）該裝置結構簡單，試驗操作方便，制作成本低，便于推廣應用。

4　篩管抗擠毀強度測試試驗

采用篩管抗擠毀強度測試裝置對4種不同類型的篩管進行了抗擠毀強度測試試驗。將這4種篩管加工成試驗樣件（圖2）。篩管試驗樣件的主要參數見表1。

圖2　不同篩管加工成的試驗樣件

表1　不同類型篩管樣件主要參數

用泥砂封堵物將篩管試驗樣件涂抹封堵，再用塑料薄膜包裹，如圖3所示。將包裹后的篩管試驗樣件裝入試驗裝置中，進行試驗，測試結果見表2。由于試驗裝置的高壓柱塞泵的最高工作壓力為28 MPa，所以，試驗壓力均未超過28 MPa。試驗結束后試驗樣件的狀態如圖4所示。

圖3　封堵和包裹后的篩管試驗樣件

金屬棉篩管試驗過程中，壓力逐步上升，在達到21 MPa時，壓力迅速下降為零。試驗結束后，篩管基管完好，篩管過濾層有明顯被破壞的孔洞，如圖4(a)所示。從圖5中可以看出，金屬棉過濾材料出現嚴重破壞，失去了有效的防砂性能。因此該篩管的抗擠毀強度是21 MPa。

金屬網布篩管試驗過程中，控制壓力基本在26～27 MPa范圍內穩定41 min，最高壓力達到27.4 MPa。整個試驗過程中，沒有出現壓力急劇下降的現象。試驗結束后，僅是篩管外層保護罩有一定的變形，過濾層和基管沒有被破壞，篩管仍有效，如圖4(b)所示。因此，該篩管的抗擠毀強度大于27.4 MPa。

燒結濾網篩管試驗過程中，控制壓力基本在26～27 MPa范圍內穩定45 min，最高壓力達到27.8 MPa。試驗結束后，篩管外層保護罩有一定的變形，過濾層和基管沒有被破壞，篩管仍有效，如圖4(c)所示。因此，該篩管的抗擠毀強度大于27.8 MPa。

膨脹篩管在試驗過程中，壓力逐步上升，在達到9.5 MPa時，壓力迅速下降為零。試驗結束后，篩管的基管被擠癟，篩管完全失效，如圖4(d)所示。因此，該膨脹篩管的抗擠毀強度為9.5 MPa。

表2　不同篩管樣件的抗擠毀強度測試結果

圖4　篩管試驗樣件試驗后的狀態

圖5　金屬棉篩管擠壓破壞孔洞微觀圖

5　現場應用效果

自2008年以來，燒結濾網篩管在遼河油田已應用了數十口井，且大多數在熱采井中應用。至今為止，沒有出現因該篩管被擠壓破壞或基管變形，導致防砂失效的現象。

6　結論

1）研制了一套防砂篩管抗擠毀強度測試裝置。該裝置結構簡單、操作方便，可以對不同類型的篩管進行抗擠毀強度測試。

2）測試出了金屬棉篩管、金屬網布篩管、燒結濾網篩管和膨脹篩管的抗擠毀強度。其中，膨脹篩管的抗擠毀強度最低，篩管基管被擠癟；金屬棉篩管的抗擠毀強度中等，篩管過濾層被擠毀破壞，出現孔洞；金屬網布篩管和燒結濾網篩管抗擠毀強度最高，篩管基管和過濾網完好。

3）所研制的測試裝置以及4種篩管的抗擠毀強度值，能夠為機械防砂工藝設計和應用提供技術支持和參考。

[1]董長銀.油氣井防砂技術[M].北京:中國石化出版社，2009：47-60.

[2] Mahmoud Asadi. Sand Control Screen Plugging and Cleanup [C]. SPE 64413,2000：1-14.

[3] J. Arukhe.Horizontal Screen Failures in Unconsolidated，High- Permeability Sandstone Reservoirs：Reversing the Trend[C]. SPE 97299，2005：1-11.

[4] Hamid，Ali. Causes of Sand Control Screen Failures and Their Remedies[C]. SPE 38190，1997:1-14.

[5] Geoge Gillespie. Collapse and Burst Test Methods for Sand Screens[C]. SPE 116094，2008：1-15.

[6]匡韶華，石磊，于麗宏，等.防砂篩管測試技術現狀及發展探討[J].石油礦場機械，2013，42(4)：83-88.

[7] Jonathan Bellarby. Well Completion Design[M]. Amsterdam：Elsevier，2009：174-177.

The anti-collapse strength of the screen is a very important technical parameter for the study and application of sand control technology. In order to accurately test the anti-collapsing strength of different types of screen, a set of screen anti-collapsing strength testing device is developed. The device applies a uniform extrusion force on the surface of the screen by combining mud and sand plug?ging with water pressure, which makes testing results more reasonable. To use the device carries out the anti-collapsing strength mea?surement tests of different types of sieve tubes and their anti-collapsingstrength and compression damage morphology are obtained.

sand screen; anti-collapse strength; test equipment

匡韶華（1985-），男，碩士，工程師，現從事油井防砂工藝技術方面的研究。

本文編輯：左學敏2015-11-30