匡韶華，石磊，于麗宏，柳燕麗

（遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧盤錦 124010）①

防砂是出砂油氣藏開采中不可缺少的環(huán)節(jié)，而機(jī)械防砂是目前應(yīng)用最多的防砂方式［1］。防砂篩管是機(jī)械防砂技術(shù)的核心部件之一，它對(duì)防砂的效果、成本和油井的產(chǎn)量等都有很大的影響。測(cè)試技術(shù)在篩管的優(yōu)選、設(shè)計(jì)和質(zhì)量檢測(cè)等方面起到重要的作用。篩管測(cè)試方法可分為2大類：模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)和性能檢測(cè)試驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)外大多采用模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)來優(yōu)選篩管類型和技術(shù)參數(shù)，而篩管性能檢測(cè)試驗(yàn)方法還存在較大的不足。本文綜述了篩管模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法現(xiàn)狀，并且分析討論了篩管性能參數(shù)的檢測(cè)試驗(yàn)方法。

1 模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)

1.1 篩管過濾介質(zhì)

篩管過濾介質(zhì)模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)以篩管過濾介質(zhì)作為測(cè)試樣品，主要目的是優(yōu)選過濾介質(zhì)類型和孔徑／縫寬參數(shù)。該評(píng)價(jià)方法在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用，已成為篩管優(yōu)選設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)［2－6］。按照模擬防砂狀態(tài)的不同，可以分為2種類型：

1）填充模擬試驗(yàn)裝置。如圖1，將地層砂填充在測(cè)試單元中，與過濾介質(zhì)表面直接接觸，輕拍測(cè)試單元使地層砂填充均勻，在砂層頂部用彈簧輕壓砂層，防止在砂層四周形成串流通道。恒流量注入甲醇，通過填充砂層和過濾介質(zhì)。

圖1 過濾介質(zhì)填充模型試驗(yàn)裝置

2）砂漿模擬試驗(yàn)裝置。如圖2，將地層砂用甲醇潤(rùn)濕，懸浮在一定黏度的流體中，配成高黏攜砂液，將其注入測(cè)試單元，高黏攜砂液通過一段細(xì)管線時(shí)，與同時(shí)注入細(xì)管線的清水混合，稀釋成無黏度攜砂液，流入到過濾介質(zhì)表面，在過濾介質(zhì)表面逐漸堆積形成砂層。

圖2 過濾介質(zhì)砂漿模型試驗(yàn)裝置

通過測(cè)量過濾介質(zhì)兩端的壓差、出砂量和出砂粒徑，來評(píng)價(jià)過濾介質(zhì)的抗堵塞能力、擋砂能力和擋砂精度。

1.2 整體篩管

整體篩管模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)是將全尺寸篩管安裝在模擬井筒中，在模擬油井實(shí)際生產(chǎn)出砂工況下進(jìn)行試驗(yàn)，從而評(píng)價(jià)篩管的實(shí)際防砂效果。該方法在國(guó)內(nèi)得到了很大的重視，相繼研制出了不同的模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置，同樣可分為2種類型：

1）填充模擬試驗(yàn)裝置。具有代表性的是石油大學(xué)（北京）研制的防砂工藝物理模擬裝置［7］和中海油研制的出砂模擬試驗(yàn)裝置［8］，其基本流程如圖3～4所示。先將要測(cè)試的篩管安裝在高壓釜體中，在篩管和高壓釜體的環(huán)空中填入模擬地層砂，以恒定的壓差或恒定流量往高壓釜體中注入一定黏度的流體，測(cè)量試驗(yàn)過程中壓力、流量的變化，以及試驗(yàn)結(jié)束后的出砂量和出砂粒徑。

圖3 防砂工藝物理模擬試驗(yàn)流程

圖4 出砂模擬試驗(yàn)裝置示意

2）砂漿模擬試驗(yàn)裝置。代表性的是遼河油田研制的稠油熱采防砂模擬系統(tǒng)［9］和勝利油田研制的防砂方法優(yōu)選模擬試驗(yàn)裝置［10］。如圖5～6所示，這兩種裝置的主要區(qū)別是，前者采用泵后加砂方式，后者采用泵前加砂方式。將篩管安裝在模擬試驗(yàn)井筒中，根據(jù)試驗(yàn)的要求，在篩管與模擬試驗(yàn)井筒的環(huán)空中可以充填礫石或不充填礫石，啟動(dòng)高壓泵，以恒定流量往高壓釜體中注入一定黏度的攜砂流體，測(cè)量試驗(yàn)過程中壓力、流量的變化，以及試驗(yàn)結(jié)束后的出砂量和出砂粒徑。

圖5 稠油熱采防砂模擬系統(tǒng)

圖6 防砂方法優(yōu)選模擬試驗(yàn)裝置

1.3 模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)特點(diǎn)

1）篩管過濾介質(zhì)模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)具有試驗(yàn)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，但是對(duì)于由多層金屬網(wǎng)布復(fù)合而成優(yōu)質(zhì)篩管，金屬棉多少、金屬網(wǎng)布之間的松緊程度受加工工藝影響比較大，其測(cè)試結(jié)果不能夠真實(shí)反應(yīng)出篩管的實(shí)際防砂效果，因此不能用其過濾介質(zhì)或局部的性能來代替產(chǎn)品的綜合性能指標(biāo)［11］。此外，這種測(cè)試方法容易受流體潤(rùn)濕性、流速和砂層充實(shí)程度影響，測(cè)量誤差大，重復(fù)性差。

2）整體篩管模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)?zāi)M了油井的地層砂特征，黏土含量，流體黏度和流速等實(shí)際工況，能夠測(cè)試出篩管的出砂量、產(chǎn)能影響、出砂粒徑和堵塞情況，其試驗(yàn)結(jié)果能夠比較真實(shí)地反映所測(cè)試的篩管在具體油井的防砂效果。但是整體篩管模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置比較復(fù)雜，模擬油井出砂狀況難度較大，試驗(yàn)成本高，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。

3）填充模型和砂漿模型分別模擬了篩管防砂的不同狀態(tài)［12］：填充模型模擬了篩管與地層直接接觸的狀態(tài)，例如膨脹篩管或裸眼縮徑地層；砂漿模型模擬了篩管與地層之間存在環(huán)空的狀態(tài)。

2 性能檢測(cè)試驗(yàn)

防砂篩管種類繁多，同種類型的篩管又具有不同的技術(shù)參數(shù)，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新型防砂篩管進(jìn)入市場(chǎng)。由于缺乏篩管檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家檢測(cè)篩管的方法不相同，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不能進(jìn)行直接對(duì)比，且不能對(duì)篩管質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，給篩管用戶選擇篩管帶來很大困難。采用模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)不能完全解決篩管的優(yōu)選問題，因?yàn)椴豢赡軐?duì)每一種篩管進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)。因此，開展篩管物理性能的檢測(cè)方法研究，制定檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，既可以作為篩管模擬評(píng)價(jià)前的初步優(yōu)選方法，又可以作為篩管質(zhì)量檢驗(yàn)手段。

根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐確定影響篩管防砂效果的物理性能主要有：擋砂精度、過流能力、抗堵塞能力、抗沖蝕能力和強(qiáng)度性能。

2.1 擋砂精度檢測(cè)

篩管擋砂精度是指通過篩管的最大顆粒粒徑，它是篩管最重要的技術(shù)參數(shù)之一，直接影響油井的出砂量和出砂粒徑。目前，測(cè)試篩管擋砂精度的主要方法有3種：

1）直接測(cè)量法。利用塞尺或游標(biāo)卡尺直接測(cè)量篩管的縫寬，并以縫隙寬度值作為濾砂管的擋砂精度。該方法檢測(cè)誤差大，檢測(cè)效率低，且只能應(yīng)用于縫隙型篩管。

2）標(biāo)準(zhǔn)砂篩析法。將標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)砂放于篩網(wǎng)表面上，震動(dòng)篩網(wǎng)，使小于篩管孔徑的砂粒落入篩網(wǎng)下面的收集器中，對(duì)收集器中的砂粒進(jìn)行粒度分析，確定通過篩網(wǎng)的最大顆粒粒徑，并以該粒徑值作為由該篩網(wǎng)加工成的篩管的過濾精度。該方法只能適用于過濾介質(zhì)為篩網(wǎng)的篩管，而且過濾介質(zhì)的擋砂精度不能代表篩管的實(shí)際擋砂精度。

3）模擬試驗(yàn)法。在模擬試驗(yàn)法中，一方面，通過篩管的顆粒粒徑不僅受篩管孔徑或縫寬的影響，同時(shí)還很大程度上受到地層砂粒徑、粒度分布、砂粒形狀、流量、黏度等因素的影響，目前關(guān)于模擬試驗(yàn)法還沒有標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，同一篩管在不同試驗(yàn)條件下測(cè)試的結(jié)果是不同的；另一方面，篩管外側(cè)的形成的砂層，由于“架橋”作用，自身形成了一層擋砂屏障，使得所測(cè)試的擋砂精度值更大程度地取決于砂層性質(zhì)而不是篩管的性質(zhì)，影響了測(cè)量的準(zhǔn)確度。

此外，勝利油田最新研制出了繞絲／割縫防砂篩管自動(dòng)檢測(cè)儀，通過光學(xué)裝置接收和處理在其視角范圍內(nèi)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息。該方法具有準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是該方法只能用來檢測(cè)繞絲、割縫等縫隙類型篩管。對(duì)于孔道類篩管，由于孔道彎曲迂回，光線無法通過，該儀器不適用于這類篩管。

篩管擋砂精度的測(cè)量方法最好與篩管的使用情況相符，同時(shí)又要清除其他因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響?？梢圆捎脩腋∫和ㄟ^法作為篩管擋砂精度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法，即用不同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)圓形小球，例如玻璃微珠，在流體作用下通過篩管，測(cè)量通過篩管的最大顆粒粒徑，作為篩管的擋砂精度。該方法的關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)出能夠自動(dòng)破壞篩管外擋砂層形成的測(cè)試裝置，同時(shí)要統(tǒng)一規(guī)定玻璃微珠的規(guī)格，測(cè)試的流體和流量，從而清除了擋砂層、顆粒形狀、流體類型和流量等因素的影響，提高測(cè)試準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

2.2 過流能力檢測(cè)

過流能力是指流體通過篩管的能力，它直接關(guān)系到防砂篩管對(duì)油井產(chǎn)能的影響。目前，篩管過流能力主要采用滲透率或者過流面積來評(píng)價(jià)，而這2個(gè)參數(shù)都不能準(zhǔn)確反映篩管的過流能力。首先，篩管的滲透率相對(duì)于地層滲透率和環(huán)空砂層的滲透率大得多，在低流速下，篩管滲透率對(duì)油井產(chǎn)能影響非常微小，因此用滲透率來評(píng)價(jià)篩管的過流能力沒有實(shí)際意義。只有在流速較高時(shí)，由于慣性阻力的產(chǎn)生，篩管過流能力才會(huì)對(duì)油井產(chǎn)能產(chǎn)生影響，而在高流速下，流體通過篩管時(shí)已不符合達(dá)西滲流定律，故采用滲透率評(píng)價(jià)篩管過流能力不準(zhǔn)確。其次，篩管的過流能力不僅與過流面積有關(guān)，還與篩管的縫隙或孔道結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的縫隙或孔道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流動(dòng)阻力是不同的，因此，對(duì)于同類型的篩管可以采用過流面積來比較它們的過流能力，而對(duì)于不同類型的篩管，則不能采用過流面積來評(píng)價(jià)它們的過流能力。對(duì)于過濾介質(zhì)為金屬網(wǎng)、金屬棉、金屬粉末、充填砂等材料的篩管，其過流面積是很難準(zhǔn)確測(cè)量的。文獻(xiàn)［13］認(rèn)為優(yōu)質(zhì)篩管的過流面積應(yīng)該以過濾介質(zhì)的表面積與其孔隙度的乘積為準(zhǔn)。這種觀點(diǎn)存在一定的片面，過濾介質(zhì)孔道是不規(guī)則的，其孔隙度與有效截面積是有偏差的。

Forchheimer［14］給出了流體通過多孔材料時(shí)的流動(dòng)阻力，滿足以下關(guān)系式，即

式中：Δp為流動(dòng)壓降；L為流動(dòng)距離；Q為流量；μ為流體黏度；A為材料表面積；ρ為流體密度；ψv為黏性阻力系數(shù)；ψi為慣性阻力系數(shù)。

它有明確的物理意義，即流動(dòng)阻力由2部分組成：黏性阻力和慣性阻力。當(dāng)流動(dòng)速度較小時(shí)，流動(dòng)阻力主要是黏性阻力；當(dāng)流動(dòng)速度較大時(shí)，流動(dòng)阻力主要是慣性阻力。黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)只與過濾介質(zhì)自身性質(zhì)有關(guān)，而與流體性質(zhì)無關(guān)。因此，筆者認(rèn)為采用黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)來評(píng)價(jià)篩管的過流能力更為合理。

2.3 抗堵塞能力檢測(cè)

防砂篩管堵塞是困擾防砂井正常生產(chǎn)的主要原因之一。導(dǎo)致篩管堵塞的原因主要有2方面：①防砂井生產(chǎn)過程中，含有地層細(xì)砂、機(jī)械雜質(zhì)、泥質(zhì)黏土等固相介質(zhì)的地層流體通過篩管時(shí)，部分固相介質(zhì)會(huì)附著在篩管表面，或者侵入過濾介質(zhì)內(nèi)部，形成堵塞［15］；②篩管在下入過程中與鉆井液接觸，鉆井液中的固相顆粒和聚合物處理劑，可能侵入過濾介質(zhì)內(nèi)部，或在篩管表面形成泥餅，造成篩管堵塞［16］。

篩管堵塞物的主要來源有［15］：①地層粉細(xì)砂；②黏土泥質(zhì)；③鉆完井過程中污染物；④原油中的膠質(zhì)瀝青質(zhì)；⑤有機(jī)垢和無機(jī)垢。篩管的堵塞過程和堵塞程度受到固相堵塞物成分、油井產(chǎn)量、出砂速度、原油黏度等因素的影響。

建立篩管抗堵塞能力檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，首先應(yīng)該根據(jù)堵塞原因和堵塞物來源確定標(biāo)準(zhǔn)的堵塞物和試驗(yàn)條件，再用標(biāo)準(zhǔn)堵塞物在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下對(duì)不同防砂篩管進(jìn)行檢測(cè)，從而得出可對(duì)比的檢測(cè)結(jié)果。

2.4 抗沖蝕能力檢測(cè)

篩管長(zhǎng)期處于油氣井高速含砂流體的作用下，局部沖蝕破壞的現(xiàn)象普遍存在，尤其是篩管的過濾介質(zhì)容易被沖蝕破壞。沖蝕破壞是導(dǎo)致篩管防砂失敗的重要原因之一。文獻(xiàn)［17］利用自制的沖蝕磨損試驗(yàn)裝置對(duì)割縫篩管的過濾單元進(jìn)行了沖蝕試驗(yàn)，將粒徑為0.1～0.6mm的石英砂與10mPa·s的原油混合，用輸砂泵把含砂原油泵出，通過噴嘴噴射到篩管試樣上進(jìn)行沖蝕，試驗(yàn)結(jié)果表明：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，當(dāng)流速達(dá)到15m／s時(shí)，沖蝕磨損率達(dá)到了100 mg／h。

由于影響篩管沖蝕磨損的試驗(yàn)條件因素有很多，主要有：砂粒沖蝕速度、砂粒粒徑、砂粒濃度、沖蝕角度、溫度等［18］。此外，防砂篩管在油井中還處于腐蝕環(huán)境，而腐蝕和沖蝕起到一個(gè)相互促進(jìn)的作用，其交互作用將加劇篩管的破壞［19］。因此，需要研制出能夠調(diào)節(jié)砂粒沖蝕速度、砂粒粒徑、砂粒濃度、沖蝕角度、試驗(yàn)溫度和腐蝕條件的抗沖蝕能力檢測(cè)裝置，來綜合檢測(cè)評(píng)價(jià)篩管的抗沖蝕能力。

對(duì)于氣井用防砂篩管還需要檢測(cè)篩管在高速含砂氣體作用下的抗沖蝕能力，因?yàn)楹皻怏w沖蝕不同于含砂液體沖蝕，含砂氣體的沖蝕作用要大于含砂液體的沖蝕作用。

2.5 強(qiáng)度性能檢測(cè)

篩管強(qiáng)度性能能夠反映篩管抗破壞的能力，篩管一旦被破壞，將會(huì)導(dǎo)致油井無法正常生產(chǎn)，甚至造成油井報(bào)廢，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

篩管的破壞主要是由各種載荷引起的，篩管在下入油井及生產(chǎn)過程中可能受到的載荷主要有6個(gè)［20］：

1）拉伸載荷篩管在下入過程中，自身重力和井底溫度應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生拉伸載荷；在下入遇阻時(shí)，上下活動(dòng)篩管也會(huì)產(chǎn)生拉伸載荷。

2）壓縮載荷井眼不規(guī)則和大斜度井、水平井中，篩管在下入過程中，與井壁或套管之間的摩阻會(huì)使篩管承受壓縮載荷；井底溫度應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生壓縮載荷；在下入遇阻時(shí)，上下活動(dòng)篩管也會(huì)產(chǎn)生壓縮載荷。

3）扭轉(zhuǎn)載荷在下入遇阻時(shí)，旋轉(zhuǎn)篩管會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷。

4）彎矩在造斜井段、井斜角或方位角急劇變化的井段，篩管都會(huì)受到彎矩的作用；井底斷層的滑移或巖層下沉也可能產(chǎn)生彎矩。

5）擠壓載荷隨著油藏的開采，孔隙壓力會(huì)逐漸減小，地層會(huì)被逐漸壓實(shí)并下沉，井眼產(chǎn)生縮頸，對(duì)篩管產(chǎn)生擠壓載荷；在油井生產(chǎn)過程中，環(huán)空砂層堵塞或篩管堵塞，導(dǎo)致井眼壓力升高，對(duì)篩管產(chǎn)生擠壓載荷。

6）內(nèi)脹載荷油井完井過程中，篩管內(nèi)部或外部堵塞后，高密度的油井工作液產(chǎn)生的液柱壓力對(duì)篩管內(nèi)部施加內(nèi)脹載荷。

因此，篩管強(qiáng)度檢測(cè)參數(shù)應(yīng)該包括抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗擠強(qiáng)度和抗內(nèi)脹強(qiáng)度。在國(guó)內(nèi)，篩管強(qiáng)度的主要評(píng)價(jià)參數(shù)是抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。國(guó)外公司非常重視篩管抗擠強(qiáng)度和抗內(nèi)脹強(qiáng)度的評(píng)價(jià)，并且已經(jīng)起草了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

檢測(cè)篩管抗擠強(qiáng)度和抗內(nèi)脹強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置［21－23］如圖7所示。

抗擠強(qiáng)度測(cè)試的方法是：將篩管試樣安裝在高壓容器中。篩管試樣一端封堵，另一端與出口相連。泵入含封堵劑的聚合物漿體進(jìn)入膛體環(huán)空，通過篩管，直到篩管堵塞。繼續(xù)泵入漿體，增加壓力，直到達(dá)到要求的抗擠毀壓力，或者漿體發(fā)生漏失，其對(duì)應(yīng)的壓力值即為篩管的抗擠毀強(qiáng)度。

抗內(nèi)脹強(qiáng)度測(cè)試的方法與抗擠強(qiáng)度測(cè)試方法基本相同，不同的是從試驗(yàn)裝置的出口往篩管內(nèi)部注入漿體，向篩管內(nèi)部施加載荷。

圖7 篩管抗擠和抗內(nèi)脹強(qiáng)度測(cè)試裝置

3 篩管選擇流程

結(jié)合篩管性能檢測(cè)方法和模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法，提出篩管選擇的基本流程：

1）采用統(tǒng)一的檢測(cè)方法測(cè)試不同篩管的技術(shù)參數(shù)。

2）根據(jù)技術(shù)參數(shù)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，判斷篩管是否合格。

3）根據(jù)具體油井地層砂特征和篩管成本，從合格的篩管中優(yōu)選出幾種合適的篩管。

4）通過防砂模擬試驗(yàn)對(duì)優(yōu)選出來的篩管進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，評(píng)價(jià)防砂效果，確定出最合適的篩管。

4 結(jié)論

1）國(guó)內(nèi)外通過多年的研究，在篩管模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)方面取得了較多的成果。從總體評(píng)價(jià)效果來看，整體篩管模擬評(píng)價(jià)要好于過濾介質(zhì)模擬評(píng)價(jià)。

2）篩管性能檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)于篩管的優(yōu)選、設(shè)計(jì)和質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義，應(yīng)該給予足夠的重視。要進(jìn)一步明確篩管需要檢測(cè)的性能，針對(duì)每一項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)，并且要研制出準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、測(cè)試簡(jiǎn)單的試驗(yàn)裝置。

3）需要開展對(duì)篩管模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)以及檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)化研究，制定出檢測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4）篩管進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之前，需要通過性能檢測(cè)和模擬試驗(yàn)，優(yōu)選出最適合的篩管，以保障篩管的防砂效果。

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