割缝筛管力学性能试验研究

陈　磊

(中油辽河油田 钻采工艺研究院，辽宁 盘锦 124010)①



·试验研究·

割缝筛管力学性能试验研究

陈磊

(中油辽河油田 钻采工艺研究院，辽宁 盘锦 124010)①

目前，国内外普遍使用的割缝筛管的缝为矩形缝及梯形缝，前者容易产生砂堵，后者的缝隙存在耐磨蚀性差的缺陷。综合吸取矩形缝和梯形缝各自的优点，研制出新缝型结构的割缝筛管，即，组合缝筛管。对石油套管、矩形缝筛管、组合缝筛管进行力学性能试验，证明组合缝筛管具备优良的性能，能够替代传统的矩形缝和梯形缝筛管，满足完井工程实际工况要求。

割缝筛管；力学性能；试验

油、气井出砂是石油开采遇到的重要问题之一。如果砂害得不到治理，油、气井出砂会越来越严重，致使油、气田不能有效开发[1]。

过去，为了防止油井出细粉砂，多使用弹性筛管和滤网筛管等空隙类筛管，因其最小缝隙可达0.10 mm，能最大限度地满足油井挡砂精度的要求。

截面形状为矩形的割缝筛管，最小缝隙只能加工到0.25 mm，不能很好地防细粉砂，其缝隙的自洁能力差，容易被砂砾堵塞，从而影响油井产量，严重时会造成筛管变形或破损，导致油井大修或报废。对于梯形缝筛管，缝眼的剖面呈对称梯形。梯形两斜边的夹角与筛管的承压大小及流通量有关，一般为12°左右[2]。梯形缝隙外窄内宽并呈扩散形，有利于缝隙自洁，不容易被砂砾堵塞。但是，靠近筛管外缘形成锋利刃口，容易被流砂磨蚀、变宽，影响滤砂精度。

组合缝筛管截面的缝型是矩形缝和梯形缝的组合。如图1～2[3]。

图1　组合缝筛管截面缝型

图2　组合缝筛管端剖面照片

组合缝筛管靠近外壁是窄的矩形缝段，保留了矩形缝管壁强度高的优点，可以提高耐砂砾冲蚀磨损的能力；靠近内壁是宽的呈扩散状的梯形缝段，保留了梯形缝“过滤自洁”的优点。整个缝隙外窄内宽。

外矩形缝的缝宽可达0.10 mm，缝深可达1.0～2.5 mm；内梯形缝锥度为6～12°[3]。组合缝筛管缝隙尺寸范围广，可替代绕丝筛管防细粉砂。

石油套管的割缝会降低管体强度，截面形状不同，对管体强度的影响也不同。在深井采油过程中，割缝筛管要承受的载荷主要有井底外挤压力(井眼不规则、井壁粗糙或大斜度井完井，管体下入过程中遇阻)、内部液体的压力、轴向拉力、温度应力。其中，轴向拉力和温度应力很小，可以忽略[4]。

本文首先研究压缩载荷对管体强度的影响，对几种不同截面缝型割缝筛管与石油套管进行压力比较模拟试验，宏观分析塑性应变[5]，模拟试验采用缩短长度尺寸法[6]。还应该进行挡砂精度、过流能力、抗堵塞能力、抗冲蚀能力等影响防砂效果的试验[7]。

1　API石油套管的拉伸性能要求

目前，国内外没有统一的石油割缝筛管制造和检验标准。本文参考美国石油学会(American Petroleum Institute)关于割缝筛管加工的毛坯基管—石油套管标准，即API套管和油管规范(API SPECIFICATION 5CT NINTH EDITION)标准之一的“拉伸性能”标准。如表1。

表1　API石油套管“拉伸性能”标准

注：按热处理方式不同，API把石油套管分级，其中，N80Q为全长淬火加回火(包括分级淬火后进行控制冷却)；P110为淬火加回火。

根据GB/T 246—2007，ISO 8492：1998，金属管 压扁试验方法，在WE-100万能材料试验机及配套设备上进行试验。

筛管抗压试验是检验筛管在给定条件下挤压变形而不出现裂纹缺陷的极限塑性变形能力。原理是垂直于筛管径线方向对规定长度的试样或筛管端部施加力进行挤压，直至在力的作用下两压板之间的距离达到相关产品标准所规定的值。

GB/T 246—2007《金属管压扁试验方法》标准适用于外径不超过600 mm，壁厚不超过外径的15%的金属管。并且参考GB/T2653—1989《焊接接头弯曲及压扁试验方法》标准进行试验。

2　试样制备及试验结果分析

2.1N80Q组合缝筛管样管

外径ø177.8 mm，壁厚8.05 mm。外缝宽0.3 mm，外缝深2 mm，锥度6°，缝长45 mm，缝间距30 mm。

2013-08-06，天津市检测技术研究所按照GB/T228—2010金属材料室温拉伸试验方法，GB/ T232—2010金属材料弯曲试验方法，GB/T246—2007金属管压扁试验方法，在电子拉力试验机上对样管进行抗挤压力学性能试验，结果如表2。屈服强度和抗拉强度都符合表1所示API石油套管“拉伸性能”标准。

表2　组合缝筛管拉伸性能试验数据

2.2TP110H样管(外径ø177.8 mm)比较试验

2014-06-06，辽河油田钻采工艺研究院稠油钻采工艺试验技术研究中心对4组样管进行抗挤压力学性能比较试验。4组样管分别是没有割缝的石油套管、切割矩形缝的筛管、切割缝长为45 mm和缝间距为30 mm的组合缝筛管，切割缝长为30 mm，缝间距为45 mm的组合缝筛管。试验设备为WE-100万能材料试验机。该试验机能对样管的拉力、压力、转矩、密封性等进行试验。最大拉力800 kN，最大承载压力300 kN，最大扭转力矩6.5 kN·m，试验压力25 MPa，行程0～4 m。

图3　挤压试验示意

4组样管的钢级为TP110H。具体参数如表3。

表3　TP110H钢级样管几何参数

挤压试验结果如图4。

1-1矩形缝筛管；1-2套管；2-1组合缝缝长30 mm， 缝间距45 mm；2-2组合缝缝长45 mm，缝间距30 mm。图4　TP110H钢级样管压力变形曲线

由图4可知：

1)没有割缝的石油套管，随着挤压载荷的增加，管体的变形量也增加。它可以承受较大的挤压载荷，当外载荷超过240 kN后，变形量急剧增大，趋向断裂。

2)矩形缝筛管，当外载荷超过110 kN后，管体变形量急剧增大，趋向断裂。

3)组合缝筛管(缝长30 mm，缝间距45 mm)，当外载荷超过140 kN后，变形量急剧增大，管体趋向断裂。

4)组合缝筛管(缝长45 mm，缝间距30 mm)，当外载荷超过120 kN后，变形量急剧增大，管体趋向断裂。

5)力学性能比较：石油套管>矩形缝筛管>缝长较短、缝间距较长的组合缝筛管>缝长较长、缝间距较短的组合缝筛管。

2.3N80Q样管(外径ø177.8 mm)比较试验

试验设备为WE-100万能材料试验机，样管参数如表4。

表4　N80Q钢级样管几何参数

挤压试验结果如图5。

由图5可知：

1)没有割缝的石油套管，可以承受较大的挤压载荷，当外载荷超过220 kN后，变形量急剧增大，管体趋向断裂。

2)矩形缝筛管，当外载荷超过150 kN后，变形量急剧增大，管体趋向断裂。

3)梯形缝筛管，当外载荷超过110 kN后，变形量急剧增大，管体趋向断裂。

4)组合缝筛管，当外载荷超过120 kN后，变形量急剧增大，管体趋向断裂。

5)力学性能比较：石油套管>矩形缝筛管>组合缝筛管>梯形缝筛管。

1-1矩形缝筛管；1-2 套管； 2-1 梯形缝筛管；2-2组合缝筛管。图5　N80Q钢级样管压力变形曲线

从2015年开始，组合缝筛管在辽河油田热采井现场应用3井次，平均单井日产液28.7 t，日产油11.3 t，生产状况良好，并且避免了以前用矩形缝筛管由于砂卡造成的过流面积变小，渗透阻力增大，从而导致产液量降低及筛管变形的现象发生。

3　结论

1)尽管材料钢级不同，但割缝筛管(无论是矩形缝还是组合缝)断裂极限强度均低于没有割缝的石油套管。

2)组合缝筛管比梯形缝筛管断裂极限强度稍高些，但比矩形缝筛管略低一些。

3)组合缝筛管中，缝间距加大，缝长减小，则断裂极限强度可提高一些。

4)现场应用证明组合缝筛管可以替代传统的梯形缝筛管和矩形缝筛管。

[1]万仁溥，罗英俊.采油技术手册[K].北京：石油工业出版社，1991：34.

[2]万仁溥.现代完井工程[M].北京：石油工业出版社，2000：54-59.

[3]杨贺来.一种组合缝筛管加工装备：中国，CNZL201010136217.7[P].2010-03-31.

[4]尹飞，高宝奎，高宏.基于ANSYS的割缝筛管应力分析与结构优化[J].石油矿场机械，2011，40(6)：8-10.

[5]徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社，1988：146.

[6]赵少汴.抗疲劳强度[M].北京：机械工业出版社，1994：327.

[7]匡韶华，石磊，于丽宏，等.防砂筛管测试技术现状及发展探讨[J].石油矿场机械，2013,42(4)：83-88.

[8]李庆辉，陈静，高福万.台阶缝筛管挤缝机：中国，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

国家科技重大专项“渤海湾盆地辽河坳陷中深层稠油开发技术示范工程(二期)”(2011ZX05053)

陈磊(1981-)，男，河南淅川人，工程师，主要研究方向：油井防砂技术研究与推广。

TE925.307

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.005