温度对金属网布筛管过滤精度影响研究

庞明越

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459）

渤海地区的油田大部分为稠油油田，随着以多元热流体为代表的海上热采技术的实验成功和逐步推广，稠油热采方式正越来越多地应用[1，2]。在高温环境中工作的筛管会因高温产生变形，所以筛管过滤层的金属网布可能会产生变化，从而可能导致筛管的过滤精度也会随之发生变化[3-5]。恶劣的环境和下入过程中复杂的受力情况导致筛管使用寿命严重缩短，因此需要模拟热采井下环境条件对筛管过滤精度的影响，通过实验对比和敏感性分析，研究热采环境筛管过滤精度受到的影响规律[6，7]。

本文进行了热膨胀对金属网布筛管过滤体过滤精度影响的理论计算和分析研究，在金属网布过滤体测量基础上，根据物体受热膨胀理论进行计算得到了金属网布过滤体在25～300 ℃温度范围内的过滤精度值，并与实际测量计算得到的过滤精度进行了对比，此外也对不同温度下多元热流体实验后的筛管精度进行了测量，得到了温度对金属网布筛管过滤精度的影响规律。

1 金属网布过滤精度计算模型

1.1 金属网布过滤精度理论计算模型

金属网布筛管的过滤层采用金属丝编织密纹网，其过滤精度计算模型（见图1）。

如图1 建立过滤体直角坐标系，x 坐标轴垂直于网平面，y 坐标轴沿经丝平面垂直于经丝轴线方向，z坐标轴沿经丝轴线方向，原点o 位于交叉纬丝的接触点。设经、纬丝直径分别为Dx、Dy，相邻经丝间距为a，纬丝和y-z 平面的夹角为α，由文献[8]中得到金属网布的过滤精度Ds计算公式：

图1 金属网布筛管过滤体过滤精度计算模型

1.2 原始金属网布过滤精度计算

25 ℃条件下，通过显微镜测量和图像分析软件得到原始金属网布过滤精度计算相关数据，a=1 302 μm，Dx=301.5 μm，Dy=197.5 μm，α=16.978°。

将25 ℃条件下，金属网布数据代入到金属网布过滤精度计算公式（1）中得到，25 ℃金属网布过滤精度：

2 金属网布筛管受热膨胀后过滤精度的理论计算

2.1 不同温度下金属网布过滤精度及变化

对于平纹编制密纹滤网，可近似看做四方网格，并计算其网丝的受热膨胀量。金属网布网丝为实心均匀圆柱，25 ℃条件下，通过显微镜观察得到其纬丝网丝直径Dy=197.5 μm，纬丝网丝间隙C=199 μm。

金属网过滤体纬丝材质为316L 不锈钢，在300 ℃下其线膨胀系数为γ=1.75×10-5/K，纬丝均匀管柱受热后径向膨胀，其膨胀示意图（见图2）。

图2 均匀管柱纬丝受热径向膨胀示意图

计算纬丝管柱受热径向膨胀量δR，由公式：

面膨胀系数γ′为单位面积上面积对温度的变化率，即：

式（4）积分得到：

式中：F-原始面积；γ′-面膨胀系数；ΔT-温度变化，温度由25 ℃升到300 ℃。通过式（3）与式（5）联立得到：

金属膨胀系数中查得的全部为金属的线膨胀系数γ，无面膨胀系数γ′。

面膨胀系数与线膨胀系数关系：

假设有一块很薄的矩形平板，其各向的膨胀系数均不相同，两个主方向（x、y）的膨胀系数分别为α 和β，推导它的面膨胀系数γ′。

将此矩形平板加热，设温度为t ℃时，矩形的面积F（t），矩形两边长分别为x（t）及y（t），则F（t）=x（t）y（t）。

面膨胀系数γ′是指单位面积上面积对温度的变化率，则：

假设平板为x=y=1 的单元体，可得：

面膨胀系数是线膨胀系数之和，对于各向同性体而言，是线膨胀系数的2 倍，即γ′=2γ，代入参数至式（6）得到：

间隙总缩进量为2δR（见图3）。

图3 均匀管柱径向膨胀半径与间隙缩进量示意图

纬丝间隙总缩进量δC为：

加热后纬丝间隙C'为：

纬丝间隙变化率为：

同纬丝的膨胀类似，计算经丝径向膨胀变化量δR′：

式中：Dx-经丝直径；F-原始面积；γ′-面膨胀系数；ΔT-温度变化，温度由25 ℃升到300 ℃。

将式（5）与式（13）联立：

将金属网布过滤网测量得到的数据代入式（14）：

则加热后经丝间隙总缩进量δC'为：

根据计算结果得到膨胀后的纬丝与经丝的直径：

经丝直径为：

纬丝直径为：

得到膨胀后的过滤精度计算数据：

将以上数据代入到金属网布过滤精度计算公式（1）中得到：

由25 ℃加热到300 ℃，温度变化前后过滤精度变化量：

过滤精度变化率为：

2.2 不同温度下的过滤精度理论计算值

根据上述的计算方法，依次可计算不同温度下的过滤精度Ds，具体（见表1）。根据理论计算结果，金属网布过滤精度随着温度的升高而稍有降低。

表1 不同温度下金属网布过滤精度理论计算值

3 金属网布过滤精度实验研究

3.1 实验过程

实验用材料为金属网布筛管，试样为直径86 mm的圆片试样（见图4）。金属网布筛管由外护套、金属网布、泄流网、金属网布、泄流网和内护套组成。

图4 金属网布筛管样片示意图

实验用溶液模拟生产阶段地层产出水水质，采用3 L 高温高压磁力驱动CO2反应釜（见图5），进行金属网布筛管的多元热流体实验。

实验前将试样放入盛有丙酮的烧杯中，在超声波清洗仪内清洗10 min，除掉试样表面油污，用酒精清洗并用冷风吹干。实验溶液倒入反应釜后，用满足分压要求的CO2和O2混合气除气3 h 后升温。温度升至120 ℃后，调整压力至实验设定的混合气压力值，开始计时，实验时间为120 h。每组实验采用两个平行试样，实验结束后取出试样，经清水、酒精冲洗除去浮锈后，冷风吹干并拍照。

图5 高温高压釜示意图

3.2 金属网布过滤体尺寸变化

金属网布过滤精度计算模型，其中过滤精度计算见式（1），对观测到的不同温度金属网布过滤体的经丝Dx、纬丝Dy以及相邻经丝间距a 分别进行测量，其中夹角α 值为16.978°，可计算出不同温度下的过滤精度。对不同温度下的金属网布过滤体进行尺寸的测量，具体数据（见表2）。

表2 金属网布过滤体不同温度下实测网孔尺寸

从表2 可知，随着温度升高，金属网布网孔横向长度和纵向长度均有变小的趋势，25 ℃时横向长度为0.499 mm，300 ℃时为0.490 mm，二者相差0.009 mm，变化率为1.8%，25 ℃时纵向长度为0.199 mm，300 ℃时为0.190 mm，二者相差0.009 mm，变化率为4.5%。随着温度的升高，筛网试样孔径横向和纵向长度均有下降的趋势。这是因为随着温度的升高，金属丝受热膨胀使得筛网孔径减小，但由于受到周围金属丝的束缚，导致其变化量较小。

3.3 多元热流体实验后金属网布筛管过滤精度

由金属网布筛管试样腐蚀实验结果（见图6）可以看出，外护套与内护套腐蚀相对较为严重，且腐蚀产物多富集在开孔处；由于金属网布为316L 材质，腐蚀程度不显著，但是由于其他部件的腐蚀产物离子在溶液中扩散并沉淀或者沉淀后的腐蚀产物移动，导致金属网布或者绕丝局部附着腐蚀产物，腐蚀产物对金属网布的网眼或者绕丝的间隙起到一定的阻塞作用。

图6 实验后整体照片

使用多元热流体进行实验结束后，对不同温度下的过滤网进行检测，可得到其过滤精度，具体（见表3）。

3.4 理论与实验过滤精度对比分析

通过上述理论计算及实验测量计算，可得到金属网布筛管过滤网在理论计算、实际测量及多元热流体实验，在25 ℃、60 ℃、90 ℃、120 ℃、160 ℃、200 ℃、240 ℃、260 ℃、300 ℃的过滤精度值，具体（见图7）。

图7 金属网布过滤精度对比分析

由图7 可知，不同温度下的金属网布过滤精度的计算值和实验值较吻合。60 ℃时，理论值为125.376 μm，实验值为125.224 μm，相差0.152 μm。300 ℃时理论值为124.879 μm，实验值为124.170 μm，相差0.709 μm，均在误差允许范围内。

随着温度的升高，实际测量、多元热流体实验后，金属网布的过滤精度均下降。实际测量，25 ℃时金属网布的过滤精度为125.448 μm，300 ℃时金属网布筛管的过滤精度为124.170 μm，过滤精度下降1.278 μm，降低了1.02%；多元热流体实验，25 ℃时金属网布过滤精度为122.116 μm，300 ℃时金属网布过滤精度为119.548 μm，过滤精度下降2.568 μm，降低了2.10%。多元热流体实验后的过滤精度下降较多，说明过滤精度不仅与温度有关也与腐蚀和结垢有关。

表3 实验后单层过滤网不同温度过滤精度

4 结论

（1）建立金属网布筛管受热膨胀后过滤精度的理论计算模型，计算出了25～300 ℃温度范围内的金属网布筛管的过滤精度值，25～300 ℃筛管过滤精度变化率为0.454%。

（2）对井数网布筛管过滤网样片进行实际测量，计算出了不同温度下的金属网布筛管的过滤精度值，其结果与理论计算值较吻合。

（3）通过多元热流体实验结束后的金属网布筛管过滤网样片，经检测分析得到其在不同温度下的过滤精度，与理论计算值与实验检测值均有较大的降低，说明筛管的过滤精度不仅与温度有关，也与腐蚀和结垢有较大的关系。