高壓釜式篩管沖蝕磨損方法研究與試驗(yàn)裝置構(gòu)建

王統(tǒng)帥, 沈雪峰, 鄧自強(qiáng), 鄧福成, 楊永剛, 胡 成

(1長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2中國(guó)石油技術(shù)開發(fā)公司 3十堰高級(jí)職業(yè)學(xué)校 4長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠)

采油防砂是油田開采面臨的主要問題之一，油井出砂會(huì)加劇磨損井下篩管等設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生油井堵塞，使得油井停產(chǎn)報(bào)廢。目前全世界約有80%的油井采用機(jī)械防砂篩管作為油井防砂方法[1-3]，而開采過程中，含砂原油對(duì)篩管的沖蝕磨損是導(dǎo)致篩管失效的重要原因，因此需要對(duì)防砂篩管的沖蝕問題進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外目前主要通過沖蝕試驗(yàn)與預(yù)測(cè)模型相結(jié)合對(duì)防砂篩管沖蝕問題進(jìn)行研究，沖蝕磨損試驗(yàn)裝置按其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，主要有三種：管流式、噴嘴式、旋轉(zhuǎn)式[4-8]。國(guó)內(nèi)外一般采用沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對(duì)篩管試件進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，通過測(cè)量其質(zhì)量損失量來評(píng)價(jià)篩管的沖蝕率，并通過顯微鏡觀察沖蝕磨損后篩管表面。Gilledpie G等采用管流式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置對(duì)幾種不同篩管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)[9]，劉永紅等用自制的噴嘴式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置對(duì)割縫篩管進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)[10]，劉宗恩等針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)篩管破壞原理，設(shè)計(jì)噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置[11]。

目前國(guó)內(nèi)一般利用噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置對(duì)篩管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)研究，在噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置中對(duì)防砂篩管進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)時(shí)，只有較少的含砂原油能夠通過防砂篩管篩縫，大部分含砂原油是對(duì)篩管試件表面進(jìn)行沖蝕，而實(shí)際篩管沖蝕失效是由于含砂原油的沖蝕導(dǎo)致篩縫變大，不能滿足既定防砂精度，因此噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置無法準(zhǔn)確表現(xiàn)出防砂篩管的實(shí)際沖蝕磨損情況。此外,噴嘴式結(jié)構(gòu)本身的鋪展效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致實(shí)際沖角誤差較大[12]。因此，針對(duì)上述噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置存在的問題，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置[13]，能夠更為準(zhǔn)確地表現(xiàn)出在作業(yè)時(shí)含砂原油對(duì)防砂篩管的沖蝕磨損情況。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置

國(guó)內(nèi)開展防砂篩管沖蝕試驗(yàn)研究所用的噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置主要包括噴嘴和試件裝夾臺(tái)等，如圖1。

利用原油和石英砂模擬含砂原油，混合液在混合攪拌箱中混合后被水泵泵出，混合液經(jīng)過管道和噴嘴后被噴射到篩管的試件上，通過旋轉(zhuǎn)試件裝夾臺(tái)調(diào)節(jié)混合液的沖蝕角度。由流量控制閥控制流體的流量和流速，流量計(jì)測(cè)量混合液流量，每次試驗(yàn)的試件都要經(jīng)過嚴(yán)格的清洗、烘干后在電子天平上進(jìn)行測(cè)量稱重。

圖1 噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置原理圖

1.2 高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置

高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置原理圖如圖2所示。

圖2 高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置原理圖和高壓釜結(jié)構(gòu)圖

高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置由五部分組成：①供液循環(huán)裝置:用于輸送油液；②高壓釜體:用于放置整個(gè)沖蝕裝置；③防砂單元件試驗(yàn)架:用于放置防砂管過濾介質(zhì)單元；④沖砂噴頭:在高壓釜內(nèi)形成混砂液；⑤清洗噴嘴:用于清洗篩管片，防止堵塞。

其中，高壓釜體是整個(gè)裝置的核心部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3。

2 試驗(yàn)方法研究

2.1 試驗(yàn)流程

首先宏觀觀察沖蝕試樣，確認(rèn)試樣在沖蝕實(shí)驗(yàn)前未有外力損傷；丙酮、清水沖洗試樣，除去表面污漬，保證孔網(wǎng)通暢，烘干試樣并稱重，要求電子稱精度達(dá)到0.000 1 g；拍攝試樣微距照片，要求試樣上有方向標(biāo)記，保證實(shí)驗(yàn)前后拍攝的照片方向一致，便于后續(xù)分析；將試樣緊固安裝在基管上，置入高壓釜中，并在環(huán)空充填適量砂樣；確認(rèn)高壓釜流體入口和出口管線工作正常；蓋上高壓釜蓋，緊固密封；準(zhǔn)備干凈盛液桶6～7個(gè)，用于測(cè)試沖蝕過程中的液體流量、含砂量以及砂粒的粒度分布；打開控制電腦檢測(cè)各測(cè)壓點(diǎn)數(shù)據(jù)，確保控制系統(tǒng)運(yùn)行正常；開啟液體循環(huán)伺服隔膜泵，將壓力逐漸升至實(shí)驗(yàn)壓力，開始實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)后試件清洗烘干，用電子天平稱重計(jì)算試件質(zhì)量減少量，并用顯微鏡觀察表面沖蝕情況。

圖3 高壓釜內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖和試件圖

高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置在進(jìn)行篩管沖蝕試驗(yàn)研究時(shí)，通過穩(wěn)壓供油裝置可以控制入油口壓力，壓力檢測(cè)裝置則監(jiān)控環(huán)空內(nèi)外的壓力并計(jì)算環(huán)空壓降，以此來測(cè)量和調(diào)整試驗(yàn)過程中的壓差。

試驗(yàn)中通過選取不同粒度砂樣模擬不同原油含砂粒度；通過原油中砂樣的含量來改變混合液砂粒濃度；通過改變?cè)宛ざ葋碚{(diào)整混合液黏度。

2.2 試驗(yàn)對(duì)比分析

1)采用噴嘴式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置時(shí)，只有少量的含砂原油隨機(jī)通過篩管試件篩縫，大部分含砂原油在篩管試件表面進(jìn)行沖蝕，通過電子天平測(cè)量的篩管試件的質(zhì)量損失量，絕大部分是其表面質(zhì)量損失量，不能準(zhǔn)確體現(xiàn)篩管作業(yè)時(shí)的沖蝕磨損。

2)設(shè)計(jì)并構(gòu)建的高壓釜式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置，能夠使大部分的含砂原油在壓力作用下通過篩管試件篩縫，通過電子天平測(cè)量的篩管試件的質(zhì)量損失量，絕大部分是其篩縫處質(zhì)量損失量，說明高壓釜式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置更能體現(xiàn)實(shí)際篩管沖蝕磨損的情況。

3)實(shí)際采油過程中，防砂篩管內(nèi)外壓差驅(qū)動(dòng)含砂原油通過篩縫流入管道內(nèi)部，高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置可調(diào)整的沖蝕試驗(yàn)參數(shù)主要為壓差，噴嘴式裝置可調(diào)整的沖蝕試驗(yàn)參數(shù)主要為液體流速和沖蝕角度，而液體流速大小由篩管內(nèi)外壓差決定，篩管沖蝕角度是隨機(jī)變化的，并且噴嘴式結(jié)構(gòu)本身的鋪展效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致實(shí)際沖角誤差較大。

4)高壓釜式?jīng)_蝕試驗(yàn)裝置高壓釜中配有自動(dòng)清洗噴頭，采用電腦采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)化程度高，采用沖砂噴嘴攪拌混合液，混合液更加均勻，通過控制生產(chǎn)壓力驅(qū)動(dòng)含砂原油進(jìn)行沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)，與篩管實(shí)際受到的沖蝕磨損更相符。

高壓釜式和噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對(duì)比如表1所示。

表1 高壓釜式和噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對(duì)比

相較于噴嘴式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)單，功能合理，數(shù)據(jù)收集方便，能更準(zhǔn)確地反映出防砂篩管的沖蝕磨損情況。

3 不同生產(chǎn)壓差下網(wǎng)布篩管沖蝕規(guī)律的試驗(yàn)

在井下篩管實(shí)際沖蝕磨損過程中，生產(chǎn)壓差、原油黏度、含砂濃度和砂粒粒度是影響篩管沖蝕壽命的主要因素。以單層網(wǎng)布篩管制作成試件，設(shè)定網(wǎng)布篩管精度為350 μm，地層砂粒粒度中值D50為35 μm，模擬油黏度為20 mPa·s，地層砂UC(不均勻系數(shù))為1～3。選取生產(chǎn)壓差分別為2 MPa、3 MPa、4 MPa、5 MPa，在高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置中進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)研究。所得單層網(wǎng)布篩管沖蝕磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同壓差條件下對(duì)應(yīng)的網(wǎng)布篩管沖蝕數(shù)據(jù)表

由表2分析得出，對(duì)單層網(wǎng)布篩管試件進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)時(shí)，增大生產(chǎn)壓差，沖蝕前流量增大，沖蝕失效時(shí)間變短，其質(zhì)量減少量變大，網(wǎng)布篩管沖蝕率增大，米采指數(shù)下降。生產(chǎn)壓差為2 MPa、3 MPa、4 MPa時(shí)，單層網(wǎng)布篩管試件的沖蝕減少質(zhì)量、沖蝕前流量、沖蝕率、米采指數(shù)的變化基本呈線性關(guān)系。

如圖4所示為篩縫沖蝕磨損情況，對(duì)比圖4(a)與圖4(b)，試驗(yàn)后篩管試件的質(zhì)量損失大部分分布在篩縫處，導(dǎo)致縫隙變大無法滿足防砂要求，圖4(c)為縫表面放大1 000倍后的沖蝕磨損形貌，表面具有明顯的犁溝現(xiàn)象，造成網(wǎng)布篩管材料表面沖蝕磨損損失的主要原因是砂粒對(duì)金屬絲表面的碾壓與切削，實(shí)驗(yàn)過程中高速流體夾帶著砂粒形成高速磨料流體，其形成的正向速度分量致使砂粒刺入金屬絲，同時(shí)由于切向速度的作用磨粒沿金屬絲表面做切向運(yùn)動(dòng)， 從而剔除部分材料造成切削磨損。由于在沖蝕過程中的沖蝕角度各異。引起磨料流體的正向速度和切向速度方向各異，致使網(wǎng)布篩管片質(zhì)量損失的主要原因是砂粒壓入和擦劃金屬絲表面。

由上述說明可以得到，單層網(wǎng)布篩管試件的沖蝕磨損情況與實(shí)際作業(yè)情況符合一致，含砂原油在篩管縫隙處對(duì)篩管進(jìn)行沖蝕磨損。相較于噴嘴式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)裝置，該高壓釜式試驗(yàn)裝置能夠更為準(zhǔn)確的反映出防砂篩管的沖蝕磨損情況。

圖4 篩縫沖蝕磨損情況

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)并構(gòu)建的高壓釜式篩管沖蝕磨損試驗(yàn)裝置，能更準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中篩管的沖蝕磨損情況，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)采一體化的試驗(yàn)系統(tǒng)。

2)利用該裝置進(jìn)行了單層網(wǎng)布篩管沖蝕磨損試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)篩管的沖蝕率與現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)壓差的控制息息相關(guān)，壓差越大，篩管沖蝕率越大，抗沖蝕失效時(shí)間越短，試驗(yàn)后觀察并測(cè)量篩管試件的質(zhì)量損失量，發(fā)現(xiàn)大部分分布在篩管縫處，其試驗(yàn)結(jié)果合理，與實(shí)際情況相符。