全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置研制

张新平，王跃曾

工艺与装备

全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置研制

张新平，王跃曾

（中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳 518067）

常用的冲蚀试验装置无法评价筛管抗冲蚀性能及研究筛管冲蚀机理，为了达到现场防砂要求，设计与制造了全尺寸卧式浸没型筛管抗冲蚀试验装置，其具有以下特点：易于操作，便于计算机分析处理数据；密封性能良好且冲蚀条件可控，可以实现液体浸没型卧式冲蚀试验、单面冲蚀试验、全尺寸模拟冲蚀工况试验；可与电镜扫描试样协同分析，研究在腐蚀和冲蚀综合作用下试样的综合特性。通过室内模拟试验表明该装置的实验结果与海上某油田防砂井现场防砂效果保持较好的一致性，能够真实模拟防砂筛管的抗冲蚀性能、预测防砂筛管的使用寿命，具有一定的推广应用价值。

抗冲蚀；腐蚀；防砂筛管；全尺寸

随着海上疏松砂岩、稠油、高含泥质油藏的深入开发，防砂技术已成为开发此类油藏不可或缺的重要手段[1-3]，防砂的主要目的是充分释放油气井产能、充分利用油藏天然能量并延长油气井生产寿命等[4-5]。防砂筛管是机械防砂的主体部分，在防砂井的生产过程中既要防止防的过死导致油气渗流能力下降，又要防止地层大量出砂而导致井底沉砂堆积掩埋油气层，从而冲蚀刺坏生产管柱和地面生产管线等影响油气开采[6]。因此，有必要通过试验装置对不同的筛管进行抗冲蚀腐蚀等综合特性评价。

目前常用的冲蚀试验装置大多是立式或非淹没型冲蚀实验，存在尺寸过小、非全尺寸、立式居多、非浸没型等明显不足[9-12]，无法满足评价筛管抗冲蚀性能的需求。特别是关于卧式浸没型全尺寸试验装置进行筛管抗冲蚀试验较少，主要原因在于全尺寸试验装置体型庞大、设计和安装难度大、费用高。因此，设计了一种全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置，可以多个冲蚀筒并列进行试验，通过调节流量、压力传感器监测等进行混合液流体样冲蚀实验以减少实验误差；操作简单，可用计算机分析处理数据，能够较为方便地分析防砂筛管冲蚀机理；密封性能良好且冲蚀条件可控，可以实现液体浸没型卧式冲蚀试验、单面冲蚀试验、全尺寸模拟冲蚀工况试验；可与电镜扫描试样协同分析，进行腐蚀试验、渗透试验，研究腐蚀和冲蚀综合作用下试样的综合特性。

1 冲蚀评价试验装置研制

设计的一种全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置，如图1所示，冲蚀实验筒剖面图见图2。

1—混砂罐；2—泵；3—压力表；4—流量计；5—压差测量计；6—模拟筛管的筛网；7—冲蚀实验筒

冲蚀试验装置主要由动力系统、搅拌系统、循环系统、冲蚀实验筒、控制系统和测量系统组成。其中动力系统主要是由隔膜泵和电机组成；搅拌系统主要是由搅拌器和储液箱组成；测量系统主要是通过压力传感器、流量器和电脑自动数据采集组成；控制系统主要是通过伺服仪进行泵的频率调节来实现泵排量调整。具体流程是通过携砂液与模拟地层砂在混砂灌内混合和搅拌均匀，经过泵被加速，通过调节后进入釜体，经过喷嘴冲蚀筛管，一部分颗粒比较大的砂子被筛管挡在筛管前端，一部分粒径小的砂子经过筛管与携砂液一起回流到集液灌，完成闭式循环。其中仪器仪表和调控系统起到监测、测量和调节的功能和作用。

1—筛网；2—部件1；3—部件2；4—盖1；5—盖2；6—喷头；7—“O”形圈；8—部件接头；9—螺帽

2 抗冲蚀性能评价

为了研究海上某油田防砂井筛管挡砂介质的冲蚀规律及冲蚀破坏机理，优选出满足海上某油田生产需要的防砂筛管类型，针对出砂油藏防砂筛管的结构特点、工作环境及方式，运用全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置，结合电镜扫描试样分析，对海上某油田防砂井应用的四种防砂筛管进行了挡砂精度、抗堵塞性能和产能影响评价。

2.1 筛管的抗冲蚀性能评价

由于现场出砂过程中砂粒与筛管过滤元件之间的相互磨损作用的过程属于过流式磨损，因此，采用模拟流速对挡砂介质进行冲蚀影响规律实验，考虑到现场储层环境以及油井的平均流速较低，室内无法在低流速下短时间内使筛管出现明显的冲蚀，通过调研目前国内外冲蚀实验流速条件，基本上都高于2.0 m·s-1，结合室内试设计的一种全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置性能、泵的排量、实验周期等特点，为防止泵长时间高负荷运转，将流速控制在3.0～4.0 m·s-1范围内。

室内以250μm的方孔网、密纹网作为本次实验的筛网，将60～80目（250～180 μm）砂粒放置于筛管中，采用3.0～4.0 m·s-1的流速通入模拟地层水，含砂质量分数为0.03%，实验周期为336 h，进行不同筛管结构的抗冲蚀性能评价，实验结果如表1所示，可以看出，在相同实验条件下，不同筛管结构，抗冲蚀性能也有所不同，表现出以下特征：（1）对比1-6号实验数据可知，双层筛网的抗冲蚀能力强于单层筛网的抗冲蚀能力，并且密文网的抗冲蚀能力强于方孔网。（2）防砂筛管外保护套的结构对于提高筛管的抗冲蚀能力具有较大的影响。对于冲缝螺旋保护套网采用冲压方式成形的桥式孔螺旋排列式缝隙，油井产液从立体缝隙绕流进入筛管，可以有效避免流体对过滤层的直接冲蚀破坏，延长了筛管的使用寿命，适用于高液量含砂生产井。而冲孔网只能部分的保护筛管的挡砂介质，从地层产出的自由砂粒在高流速下直接冲蚀筛管挡砂介质，因此8号筛网抗冲蚀能力小于7号筛网。

表1 裸眼+优质筛管独立防砂对比实验

2.2 现场防砂结果分析

目前海上某油田防砂井防砂主要采用的是砾石充填的防砂方式，统计分析了A1井、A2井、A3井三口防砂失效井，三口均采用金属网布筛管，挡砂精度为200～250 μm，具体统计分析见表2。为了采用优质筛管独立防砂，避免筛管发生冲蚀破坏，通过室内试验测定筛管挡砂介质在含砂质量分数0.03%情况下，以质量磨损损失5%作为筛管防砂失效的标准，评价了流速及冲蚀时间对筛管冲蚀速率的影响规律，并与现场实际筛管防砂寿命进行了对比，试验结果如图3所示。

对比表2、图3数据可知，采用全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置的实验结果与现场保持较好的一致性，说明全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置可以作为室内进行防砂筛管的抗冲蚀性能评价和寿命预测。

表2 海上某油田防砂失效井统计分析

图3 不同流速下筛管冲蚀磨损量与时间关系图

3 结 论

1）设计的全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置操作简单，结合计算机分析能快速分析防砂筛管冲蚀机理；可与电镜扫描试样协同分析，研究在腐蚀和冲蚀综合作用下筛网的综合特性。

2）高液量含砂生产井推荐使用密纹网+方孔网筛网，外部添加冲缝螺旋保护套网。

3）全尺寸卧式浸没型筛管冲蚀试验装置能够真实模拟防砂筛管的抗冲蚀性能、预测防砂筛管的使用寿命，具有一定的推广应用价值。

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Development of a Full-scale Horizontal Submerged Screen Tube Erosion Test Device

,

（CNOOC Shenzhen Branch, Shenzhen Guangdong 518067, China）

The commonly used erosion test equipment cannot evaluate the anti-erosion performance of the screen and study the erosion mechanism of the screen. In order to meet the requirements of on-site sand control, a full-size horizontal immersed screen anti-erosion test device has been designed and manufactured. It has following features: easy to operate, convenient for computer analysis and processing of data, good sealing performance and controllable erosion conditions; it can more conveniently analyze the erosion mechanism of sand control screens, and can achieve liquid immersion type horizontal erosion test, full-scale erosion simulation working condition test. The indoor simulation test showed that the experimental results of the full-size horizontal immersed screen pipe anti-erosion test device maintained good consistency with the on-site sand control effect of an oil field well, and could truly simulate the anti-erosion performance of the sand control screen and predict the service life of sand control screen tube. It has certain promotion and application value.

Erosion resistance; Corrosion; Sand control screen; Full size

TE358.1

A

1004-0935（2022）02-0209-03

国家自然科学基金（项目编号：51274047）。

2021-11-04

张新平（1970-），男，高级工程师，1994年毕业于江汉石油学院钻井工程专业，研究方向：海上石油钻完井。