割縫篩管力學性能試驗研究

陳　磊

(中油遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)①

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割縫篩管力學性能試驗研究

陳磊

(中油遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)①

目前，國內外普遍使用的割縫篩管的縫為矩形縫及梯形縫，前者容易產生砂堵，后者的縫隙存在耐磨蝕性差的缺陷。綜合吸取矩形縫和梯形縫各自的優點，研制出新縫型結構的割縫篩管，即，組合縫篩管。對石油套管、矩形縫篩管、組合縫篩管進行力學性能試驗，證明組合縫篩管具備優良的性能，能夠替代傳統的矩形縫和梯形縫篩管，滿足完井工程實際工況要求。

割縫篩管；力學性能；試驗

油、氣井出砂是石油開采遇到的重要問題之一。如果砂害得不到治理，油、氣井出砂會越來越嚴重，致使油、氣田不能有效開發[1]。

過去，為了防止油井出細粉砂，多使用彈性篩管和濾網篩管等空隙類篩管，因其最小縫隙可達0.10 mm，能最大限度地滿足油井擋砂精度的要求。

截面形狀為矩形的割縫篩管，最小縫隙只能加工到0.25 mm，不能很好地防細粉砂，其縫隙的自潔能力差，容易被砂礫堵塞，從而影響油井產量，嚴重時會造成篩管變形或破損，導致油井大修或報廢。對于梯形縫篩管，縫眼的剖面呈對稱梯形。梯形兩斜邊的夾角與篩管的承壓大小及流通量有關，一般為12°左右[2]。梯形縫隙外窄內寬并呈擴散形，有利于縫隙自潔，不容易被砂礫堵塞。但是，靠近篩管外緣形成鋒利刃口，容易被流砂磨蝕、變寬，影響濾砂精度。

組合縫篩管截面的縫型是矩形縫和梯形縫的組合。如圖1～2[3]。

圖1　組合縫篩管截面縫型

圖2　組合縫篩管端剖面照片

組合縫篩管靠近外壁是窄的矩形縫段，保留了矩形縫管壁強度高的優點，可以提高耐砂礫沖蝕磨損的能力；靠近內壁是寬的呈擴散狀的梯形縫段，保留了梯形縫“過濾自潔”的優點。整個縫隙外窄內寬。

外矩形縫的縫寬可達0.10 mm，縫深可達1.0～2.5 mm；內梯形縫錐度為6～12°[3]。組合縫篩管縫隙尺寸范圍廣，可替代繞絲篩管防細粉砂。

石油套管的割縫會降低管體強度，截面形狀不同，對管體強度的影響也不同。在深井采油過程中，割縫篩管要承受的載荷主要有井底外擠壓力(井眼不規則、井壁粗糙或大斜度井完井，管體下入過程中遇阻)、內部液體的壓力、軸向拉力、溫度應力。其中，軸向拉力和溫度應力很小，可以忽略[4]。

本文首先研究壓縮載荷對管體強度的影響，對幾種不同截面縫型割縫篩管與石油套管進行壓力比較模擬試驗，宏觀分析塑性應變[5]，模擬試驗采用縮短長度尺寸法[6]。還應該進行擋砂精度、過流能力、抗堵塞能力、抗沖蝕能力等影響防砂效果的試驗[7]。

1　API石油套管的拉伸性能要求

目前，國內外沒有統一的石油割縫篩管制造和檢驗標準。本文參考美國石油學會(American Petroleum Institute)關于割縫篩管加工的毛坯基管—石油套管標準，即API套管和油管規范(API SPECIFICATION 5CT NINTH EDITION)標準之一的“拉伸性能”標準。如表1。

表1　API石油套管“拉伸性能”標準

注：按熱處理方式不同，API把石油套管分級，其中，N80Q為全長淬火加回火(包括分級淬火后進行控制冷卻)；P110為淬火加回火。

根據GB/T 246—2007，ISO 8492：1998，金屬管 壓扁試驗方法，在WE-100萬能材料試驗機及配套設備上進行試驗。

篩管抗壓試驗是檢驗篩管在給定條件下擠壓變形而不出現裂紋缺陷的極限塑性變形能力。原理是垂直于篩管徑線方向對規定長度的試樣或篩管端部施加力進行擠壓，直至在力的作用下兩壓板之間的距離達到相關產品標準所規定的值。

GB/T 246—2007《金屬管壓扁試驗方法》標準適用于外徑不超過600 mm，壁厚不超過外徑的15%的金屬管。并且參考GB/T2653—1989《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》標準進行試驗。

2　試樣制備及試驗結果分析

2.1N80Q組合縫篩管樣管

外徑?177.8 mm，壁厚8.05 mm。外縫寬0.3 mm，外縫深2 mm，錐度6°，縫長45 mm，縫間距30 mm。

2013-08-06，天津市檢測技術研究所按照GB/T228—2010金屬材料室溫拉伸試驗方法，GB/ T232—2010金屬材料彎曲試驗方法，GB/T246—2007金屬管壓扁試驗方法，在電子拉力試驗機上對樣管進行抗擠壓力學性能試驗，結果如表2。屈服強度和抗拉強度都符合表1所示API石油套管“拉伸性能”標準。

表2　組合縫篩管拉伸性能試驗數據

2.2TP110H樣管(外徑?177.8 mm)比較試驗

2014-06-06，遼河油田鉆采工藝研究院稠油鉆采工藝試驗技術研究中心對4組樣管進行抗擠壓力學性能比較試驗。4組樣管分別是沒有割縫的石油套管、切割矩形縫的篩管、切割縫長為45 mm和縫間距為30 mm的組合縫篩管，切割縫長為30 mm，縫間距為45 mm的組合縫篩管。試驗設備為WE-100萬能材料試驗機。該試驗機能對樣管的拉力、壓力、轉矩、密封性等進行試驗。最大拉力800 kN，最大承載壓力300 kN，最大扭轉力矩6.5 kN·m，試驗壓力25 MPa，行程0～4 m。

圖3　擠壓試驗示意

4組樣管的鋼級為TP110H。具體參數如表3。

表3　TP110H鋼級樣管幾何參數

擠壓試驗結果如圖4。

1-1矩形縫篩管；1-2套管；2-1組合縫縫長30 mm， 縫間距45 mm；2-2組合縫縫長45 mm，縫間距30 mm。圖4　TP110H鋼級樣管壓力變形曲線

由圖4可知：

1)沒有割縫的石油套管，隨著擠壓載荷的增加，管體的變形量也增加。它可以承受較大的擠壓載荷，當外載荷超過240 kN后，變形量急劇增大，趨向斷裂。

2)矩形縫篩管，當外載荷超過110 kN后，管體變形量急劇增大，趨向斷裂。

3)組合縫篩管(縫長30 mm，縫間距45 mm)，當外載荷超過140 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

4)組合縫篩管(縫長45 mm，縫間距30 mm)，當外載荷超過120 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

5)力學性能比較：石油套管>矩形縫篩管>縫長較短、縫間距較長的組合縫篩管>縫長較長、縫間距較短的組合縫篩管。

2.3N80Q樣管(外徑?177.8 mm)比較試驗

試驗設備為WE-100萬能材料試驗機，樣管參數如表4。

表4　N80Q鋼級樣管幾何參數

擠壓試驗結果如圖5。

由圖5可知：

1)沒有割縫的石油套管，可以承受較大的擠壓載荷，當外載荷超過220 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

2)矩形縫篩管，當外載荷超過150 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

3)梯形縫篩管，當外載荷超過110 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

4)組合縫篩管，當外載荷超過120 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

5)力學性能比較：石油套管>矩形縫篩管>組合縫篩管>梯形縫篩管。

1-1矩形縫篩管；1-2 套管； 2-1 梯形縫篩管；2-2組合縫篩管。圖5　N80Q鋼級樣管壓力變形曲線

從2015年開始，組合縫篩管在遼河油田熱采井現場應用3井次，平均單井日產液28.7 t，日產油11.3 t，生產狀況良好，并且避免了以前用矩形縫篩管由于砂卡造成的過流面積變小，滲透阻力增大，從而導致產液量降低及篩管變形的現象發生。

3　結論

1)盡管材料鋼級不同，但割縫篩管(無論是矩形縫還是組合縫)斷裂極限強度均低于沒有割縫的石油套管。

2)組合縫篩管比梯形縫篩管斷裂極限強度稍高些，但比矩形縫篩管略低一些。

3)組合縫篩管中，縫間距加大，縫長減小，則斷裂極限強度可提高一些。

4)現場應用證明組合縫篩管可以替代傳統的梯形縫篩管和矩形縫篩管。

[1]萬仁溥，羅英俊.采油技術手冊[K].北京：石油工業出版社，1991：34.

[2]萬仁溥.現代完井工程[M].北京：石油工業出版社，2000：54-59.

[3]楊賀來.一種組合縫篩管加工裝備：中國，CNZL201010136217.7[P].2010-03-31.

[4]尹飛，高寶奎，高宏.基于ANSYS的割縫篩管應力分析與結構優化[J].石油礦場機械，2011，40(6)：8-10.

[5]徐灝.疲勞強度[M].北京：高等教育出版社，1988：146.

[6]趙少汴.抗疲勞強度[M].北京：機械工業出版社，1994：327.

[7]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.

[8]李慶輝，陳靜，高福萬.臺階縫篩管擠縫機：中國，CN201320086126.6[P].2013-02-26.

Experimental Study on Mechanical Properties of Slotted Screen

CHEN Lei

(Drilling&ProductionTechnologyResearchInstitute，LiaoheOilfield，CNPC，Panjin124010，China)

Currently，rectangular slotted screens and trapezoid slotted screens are widely used both at home and abroad.However，the former are very easy to lead to sand plug，while the latter have the shortcoming of bad corrosion resistance.The merits of both the two slotted screens above mentioned were drawn to research and develop a totally brand-new slotted screen with different structure，which is named combinated slotted screen.And after a series mechanical properties tests for casings，rectangular slotted screens and combinated slotted screens，the combinated slotted screens were proved to have very excellent properties，which can be labeled as high-end products .They can be used to replace both traditional rectangular and trapezoid slotted screens to meet the actual engineering requirements.

slotted screen；mechanical properties；test

1001-3482(2016)09-0022-04

2016-03-14

國家科技重大專項“渤海灣盆地遼河坳陷中深層稠油開發技術示范工程(二期)”(2011ZX05053)

陳磊(1981-)，男，河南淅川人，工程師，主要研究方向：油井防砂技術研究與推廣。

TE925.307

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.005