石油防砂割縫篩管沖蝕磨損試驗研究

石油防砂割縫篩管沖蝕磨損試驗研究

油砂礦床開采是松樹砂巖油藏開采的主要問題。這不僅容易導(dǎo)致鉆井和氣壓的坍塌，而且會造成嚴(yán)重的損壞和油氣浪費(fèi)。因此，為了確保油田的穩(wěn)定和高產(chǎn)，應(yīng)采取有效措施防止油田砂化。機(jī)械防砂是當(dāng)今油田最為常用的一種油井防砂方法,目前全世界約有80%的出砂油氣井采用該種防砂方法.割縫篩管是機(jī)械防砂技術(shù)的核心部件之一,對防砂的質(zhì)量、成本和油井的產(chǎn)量等都有很大的影響,一旦篩管失效將導(dǎo)致油井整個防砂作業(yè)的失敗.含砂原油對篩管的沖蝕磨損是導(dǎo)致篩管失效的一個主要原因,導(dǎo)致篩管沖蝕磨損失效的主要因素有含砂原油的流速、原油的含砂濃度、砂粒的直徑、沖蝕角等,目前國內(nèi)外油田大都采用通常的塑性材料抗沖蝕磨損的理論來分析研究割縫篩管的抗沖擊磨損性能問題,由于篩管在井下的工作環(huán)境惡劣,以及特殊的結(jié)構(gòu)特點,直接采用塑性材料抗沖蝕磨損的理論來分析研究割縫篩管,其結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性通常難以達(dá)到滿意的效果.針對上述情況本文對含砂原油的流速、原油的含砂濃度、砂粒的直徑、沖蝕角等對割縫篩管的抗沖擊磨損性能進(jìn)行了試驗研究,總結(jié)出了相應(yīng)的規(guī)律關(guān)系,為油田現(xiàn)場割縫篩管的應(yīng)用奠定了良好的理論與工藝基礎(chǔ).1實驗部分1.1砂粒的制備試驗采用自制的石油防砂割縫篩管微細(xì)等離子切割設(shè)備在外徑為?88.9mm、壁厚6.45mm、材料為N80的油管上切割出0.20mm寬的縫.然后,再用電火花線切割機(jī)床從割縫篩管上切割出一塊80mm×20mm的樣塊,其上中間位置有一條60mm×0.20mm的縫.加工好的試樣各部位被徹底清洗后,送進(jìn)烘箱進(jìn)行烘干,然后采用電子分析天平進(jìn)行稱重,以備試驗.試驗中原油流速的變化范圍是3～15m/s,砂粒直徑變化范圍0.1～0.6mm,砂粒濃度的變化范圍是2%～12%,沖蝕角的變化范圍是30°～90°.1.2試樣及測試方法石油防砂割縫篩管的沖蝕磨損試驗在自行研制的試驗裝置上進(jìn)行,該裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.圖1中噴嘴的內(nèi)徑為8mm,噴嘴距試樣表面的距離為10mm,試樣通過專用夾具被安裝在角度調(diào)節(jié)器上,試驗用原油的黏度為10mPa·s,所用砂粒為石英砂,原油和石英砂在混合攪拌箱中混合后被泵出,所泵出的含砂原油經(jīng)過供液管道、流量控制閥、流量計和噴嘴后被噴射到割縫篩管的樣件上.由流量控制閥控制流量、流量計測量原油的流量,每次的試樣都要通過嚴(yán)格清洗、烘干后才能進(jìn)行測量,割縫篩管的沖蝕磨損量采用賽多利斯BS224S電子分析天平測量,割縫篩管沖蝕后的形貌通過LW200-4CS數(shù)碼倒置金相顯微鏡觀察、拍攝.2結(jié)果與討論2.1含砂原油流速對割縫篩管沖蝕磨損率的影響圖2為原油的流速對割縫篩管沖蝕磨損率的影響關(guān)系曲線.由圖2可以看出,在其他條件一定的情況下,割縫篩管的沖蝕磨損率隨著含砂原油流速的增大成指數(shù)關(guān)系增加.圖3為不同流速下割縫篩管縫入口處的顯微鏡照片,由圖3可以看出,在流速為8m/s時,縫口的沖蝕作用大于流速3m/s時的情況.2.2砂粒粒徑對沖蝕損率的影響.圖4為砂粒的直徑對割縫篩管沖蝕磨損率的影響關(guān)系曲線.由圖4可以看出,在其他條件不變的情況下,割縫篩管的沖蝕磨損率先是隨著砂粒直徑的增加而增加,達(dá)到一定數(shù)值后砂粒直徑再增加,割縫篩管的沖蝕磨損率反而降低.造成此種現(xiàn)象的主要原因是:流速一定的流體,其攜砂能力一定,即其使砂粒具有的最大動能一定,因此,在特定流速下,存在相應(yīng)的砂粒粒徑使其對篩管的沖擊作用最大;另外當(dāng)砂粒直徑大于割縫的寬度后,砂粒不能進(jìn)入割縫中對縫表面進(jìn)行沖蝕磨損,這些大的砂粒易在縫外形成砂橋,減緩后續(xù)砂粒的沖蝕磨損作用.因此,當(dāng)砂粒的直徑增加到一定數(shù)值后再增加,割縫篩管的沖蝕磨損率反而下降.圖5為不同砂粒直徑下割縫篩管縫入口處沖蝕磨損的顯微鏡照片,由圖5可以看出,直徑為0.60mm的砂粒對割縫篩管縫口的沖蝕磨損作用大于直徑為0.125mm的砂粒的作用.2.3砂粒濃度不影響圖6為砂粒濃度對割縫篩管沖蝕磨損率的影響關(guān)系.由圖6可以看出,在其他條件一定的情況下,割縫篩管的沖蝕磨損率先是隨砂粒濃度的增加而增加,達(dá)到一定值后隨砂粒濃度的增加而減小.造成此種現(xiàn)象的主要原因是砂粒濃度較小時,增加砂粒濃度單位時間內(nèi)砂粒沖蝕磨損割縫篩管割縫的數(shù)量增加,因而割縫篩管的沖蝕磨損率增加;流體流速值一定時,流體攜帶砂粒的能力也一定,砂粒濃度繼續(xù)增加時,流體不能提供給砂粒足夠多的能量,砂粒之間相互碰撞,反而降低砂粒的能量;此外當(dāng)砂粒的濃度過大時,易在縫外形成砂橋,減緩后續(xù)砂粒對割縫篩管的沖蝕磨損作用,上述因素綜合作用導(dǎo)致砂粒濃度增加到一定數(shù)值后再增加時,割縫篩管的沖蝕磨損率反而減小.2.4沖蝕角的影響地層中原油由射孔炮眼流入割縫篩管割縫,射孔炮眼與割縫的相對角度通常為90°,由于井眼軌跡的變化、套管變形等原因的影響,造成射孔炮眼與割縫間的相對角度發(fā)生變化,試驗中沖蝕角的變化范圍為30°～90°.圖7為沖蝕角對割縫篩管沖蝕磨損率的影響關(guān)系,由圖7可以看出,割縫篩管的沖蝕磨損率隨沖蝕角的增大而增大,當(dāng)沖蝕角為90°時,沖蝕磨損率達(dá)到最大.這種現(xiàn)象不同于塑性材料的沖蝕磨損機(jī)理,塑性材料在15°～30°沖蝕角時,沖蝕磨損率出現(xiàn)最大值.造成此種現(xiàn)象的主要原因是:當(dāng)沖蝕角為90°時,含砂原油正對著割縫的入口沖射,是含砂原油流過割縫的最佳位置,砂粒在原油的沖擊作用下,被沖入縫隙,由于縫隙較小,使縫的兩側(cè)面與砂粒的摩擦作用明顯加強(qiáng),因而,割縫篩管的沖蝕磨損率增加.圖8為不同沖蝕角下割縫篩管縫入口處沖蝕磨損的顯微鏡照片,由圖8可以看出,在90°沖蝕角下,割縫篩管的沖蝕作用大于30°沖蝕角時的情況.2.5砂粒質(zhì)量分析利用試驗所得的大量數(shù)據(jù)和曲線擬合方法,擬合得到?jīng)_蝕磨損率與流體流速、砂粒粒徑、砂粒濃度、沖蝕角等參數(shù)的計算公式如下:Q=5.3961c2.3[1?(0.134d)2/3]2ν2.355sin2α(1)Q=5.3961c2.3[1-(0.134d)2/3]2ν2.355sin2α(1)式中:Q為割縫篩管的沖蝕磨損率(g/h);c為砂粒濃度;d為砂粒直徑(mm);v為流體流速(m/s);α為沖蝕角(°).以流速對割縫篩管沖蝕磨損率的影響作用為例來驗證上述數(shù)學(xué)模型的正確性,圖9給出了試驗與理論分析曲線,由圖9可以看出,該理論模型與試驗結(jié)果基本吻合.3割縫篩管沖蝕磨損機(jī)理a.割縫篩管的沖蝕磨損率隨著含砂原油流速的增加而成指數(shù)關(guān)系增加,在油田實際開采中合理地選擇開采速度可以延長割縫篩管的使用壽命.b.原油中所含砂粒直徑對割縫篩管沖蝕磨損率的影響關(guān)系是:開始時篩管的沖蝕磨損率隨砂粒直徑的增大而增加,達(dá)到一定值后,隨砂粒直徑的增大而減小,該種現(xiàn)象與割縫的寬度有較大的關(guān)系,針對油井出砂的粒徑范圍,合理地設(shè)計割縫的寬度,可以有效地提高篩管的使用壽命.c.割縫篩管的沖蝕磨損率先是隨著原油中砂粒濃度的增加而增加,