李效波，李良慶，周歡，滿宗通

（中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

在油田開發(fā)過程中，為了提高油藏的開發(fā)速度和采收率，需要通過專門的注水井將水注入油藏，以保持或恢復(fù)油層壓力，使油藏有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力。在膠結(jié)疏松地層中，為保持井壁穩(wěn)定和注水的正常開展，需要采取防砂措施。目前應(yīng)用最廣泛的是機(jī)械防砂方式，即采用機(jī)械篩管防砂[1-3]。隨著注水開發(fā)的進(jìn)行，儲(chǔ)層巖石顆粒會(huì)在井下聚集，對(duì)篩管形成一定程度的堵塞，從而產(chǎn)生沖蝕“熱點(diǎn)”，進(jìn)而引起篩管的沖蝕損傷或者破壞失效[4-13]，對(duì)油田開發(fā)造成不利影響。疏松砂層油井大量出砂，井下篩管易被沖蝕破壞，將嚴(yán)重影響油田的增產(chǎn)提效及安全生產(chǎn)。

A 井為渤海某油田的一口注水井，該井采用套管射孔完井，對(duì)9 口油井進(jìn)行注水支持。A 井出現(xiàn)了防砂篩管失效的問題，嚴(yán)重影響了該油田的開發(fā)。因此，亟需對(duì)失效原因進(jìn)行分析，并提出應(yīng)對(duì)措施，以保障油田的正常開發(fā)。

1 注水井A 井防砂篩管規(guī)格參數(shù)

A 井采用的6-5/8"優(yōu)質(zhì)篩管，篩管結(jié)構(gòu)如圖1 所示。篩管結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)依次為外保護(hù)套、外過濾網(wǎng)、外泄流網(wǎng)、內(nèi)過濾網(wǎng)、內(nèi)泄流網(wǎng)和基管，其中支撐泄流網(wǎng)材質(zhì)為SS304，過濾網(wǎng)材質(zhì)為 SS316，基管材質(zhì)為N80，擋砂精度為400 μm。基管材質(zhì)符合API RP 5C1《套管和油管維護(hù)與使用推薦作法》要求，支撐泄流層材質(zhì)符合GB/T 5330《工業(yè)用金屬絲編織方孔篩網(wǎng)》要求，過濾網(wǎng)材質(zhì)符合GB/T 21648《金屬絲編織密紋網(wǎng)》要求，外保護(hù)套材質(zhì)符合GB/T 3280《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》要求。篩管產(chǎn)品按照中海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加工和檢驗(yàn)，符合出廠標(biāo)準(zhǔn)后應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 6-5/8"優(yōu)質(zhì)篩管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure chart of 6-5/8" premium screen

2 篩管失效特征觀測(cè)及分析

將A 井的失效防砂篩管進(jìn)行打撈，失效段如圖2所示。針對(duì)圖2 所標(biāo)注的損傷破壞區(qū)域進(jìn)行整體和局部的損傷分析。

將防砂篩管打撈段損傷部位劃分為A、B 面，2個(gè)面位置相差約90°，在該段篩管上共存在6 處破損區(qū)。其中，A 面存在4 處破損，B 面存在2 處破損。將失效篩管的破損點(diǎn)依次編號(hào)為1#—6#，對(duì)應(yīng)圖2的編號(hào)，各破損點(diǎn)形貌如圖3 所示。

圖2 失效篩管損傷區(qū)Fig.2 Damaged area of failed screen

圖3 失效篩管整體A 面和B 面破損區(qū)Fig.3 Damaged area on the A side and B side of the failed screen

通過觀察發(fā)現(xiàn)，6 處破損區(qū)域均體現(xiàn)出典型的沖蝕損壞特征。以3#區(qū)域?yàn)槔ㄟ^宏微觀形貌及EDS能譜成分等手段對(duì)篩管6 處破損區(qū)的局部損傷部位和關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行分析，查找篩管損傷失效的原因。

3#破損區(qū)的局部形貌如圖4 所示，可以發(fā)現(xiàn)，外保護(hù)套與金屬絲破壞斷口較為平齊，且沒有毛刺，均呈現(xiàn)較明顯的射流機(jī)械損傷特點(diǎn)。裸露在外的基管表面凹凸不平，有明顯的減薄區(qū)，也呈典型的沖蝕損傷特征。用體視顯微鏡觀察微觀觀察區(qū)發(fā)現(xiàn)，破壞區(qū)邊緣的內(nèi)外層保護(hù)套、內(nèi)外層泄流網(wǎng)、金屬網(wǎng)布減薄趨勢(shì)完全一致，均呈現(xiàn)出由外向內(nèi)的依次減薄特點(diǎn)。3#破損區(qū)各部件由外層向內(nèi)層損壞面積依次減小，也呈現(xiàn)明顯的由外向內(nèi)損傷的特征。外觀破壞區(qū)底部為孔眼，該破損區(qū)中心基本處于基管孔眼位置。同時(shí)，不同破損部位損傷程度亦存在差異，與流體沖蝕相關(guān)。

圖4 3#破損區(qū)及附近區(qū)域形貌Fig.4 Morphology of 3# damaged area and nearby area

對(duì)3#破損處附著物取樣，進(jìn)行SEM 掃描電鏡微觀形貌觀察和EDS 電子能譜成分測(cè)量，如圖5 所示。該附著物組成元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：C 42.27%，O 26.18%，F(xiàn)e 17.95%，Si 2.92%，未檢測(cè)到Cr 元素。該附著物為原油、腐蝕產(chǎn)物和地層砂組成的混合物，說明該區(qū)域附著物為沖蝕產(chǎn)物，損傷破壞由沖蝕引起，無材質(zhì)腐蝕特征。

圖5 3#破損處附著物SEM 微觀形貌及EDS 能譜成分分析Fig.5 Analysis of SEM microscopic morphology and EDS energy spectrum composition of the attachment on the 3# damaged area

3 篩管沖蝕模擬測(cè)試及分析

進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)是研究篩管沖蝕特性的重要方法[13-19]，通過比較現(xiàn)有沖蝕試驗(yàn)裝置[20-23]，自主設(shè)計(jì)了一套針對(duì)篩網(wǎng)的沖蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用篩管，利用自主研發(fā)的篩管沖蝕評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行了沖蝕模擬測(cè)試，與打撈篩管的沖蝕損傷特征進(jìn)行對(duì)比分析，篩管沖蝕裝置結(jié)構(gòu)流程如圖6 所示。

圖6 篩管沖蝕裝置結(jié)構(gòu)流程Fig.6 Structure flow chart of screen erosion device

基于能譜分析結(jié)果，試驗(yàn)不考慮腐蝕因素影響，設(shè)定試驗(yàn)流體為清水，試驗(yàn)流量2 m3/h。試驗(yàn)后對(duì)原始樣件和試驗(yàn)后樣件進(jìn)行宏微觀形貌分析，并對(duì)沖蝕速率和篩管壽命進(jìn)行計(jì)算。

3.1 宏、微觀形貌分析

原始和沖蝕試驗(yàn)后金屬網(wǎng)布過濾體宏、微觀形貌分別如圖7—9 所示。

圖7 金屬網(wǎng)布過濾體沖蝕試驗(yàn)前后宏觀形貌對(duì)比Fig.7 Comparison of the macro morphology before and after the erosion test: a) before test; b) after test

圖8 為過濾體沖蝕試驗(yàn)前后150 倍的微觀形貌，圖9 為過濾體沖蝕試驗(yàn)前后1 000 倍的微觀形貌。觀察圖8 和圖9 發(fā)現(xiàn)，原始過濾體表面無明顯損傷，經(jīng)過恒流量沖蝕試驗(yàn)后，在過濾體金屬絲表面出現(xiàn)了方向較為雜亂的沖蝕損傷。這種雜亂的損傷痕跡是由于含砂流體在過濾體表面形成混亂流向的結(jié)果。

圖8 過濾體金屬絲沖蝕試驗(yàn)前后150 倍微觀形貌Fig.8 150 times micro-morphology before and after erosion test: a) before test; b) after test

圖9 過濾體金屬絲沖蝕試驗(yàn)前后1 000 倍微觀形貌Fig.9 1 000 times micro-morphology before and after erosion test: a) before test; b) after test

從微觀形貌可看出，沖蝕試驗(yàn)后，在過濾體金屬絲的邊緣部位清晰可見與流體方向一致沖蝕劃痕。含砂流體進(jìn)入網(wǎng)孔間隙后的單一流向?qū)е滦纬闪嗣黠@方向性的沖蝕痕跡特征。觀察發(fā)現(xiàn)，在過濾體孔隙處存在較多的實(shí)驗(yàn)砂，從而減小了流體通過過濾體的面積，即實(shí)驗(yàn)砂在過濾體孔的填充減小了過濾體對(duì)流體的過濾面積，如圖10 所示。

圖10 恒流量工況沖蝕試驗(yàn)后過實(shí)驗(yàn)砂堵塞過濾體的宏觀形貌Fig.10 Macroscopic morphology of the filter body blocked by the experimental sand after the erosion test under constant flow conditions

對(duì)過濾體金屬絲劃痕進(jìn)行掃描電鏡SEM 微觀形貌觀察和三維共聚焦激光顯微鏡測(cè)量，如圖11 所示。由圖11 可知，過濾體金屬絲表面存在損傷程度明顯不同的沖蝕痕跡特征，可分為均勻沖蝕區(qū)和局部苛刻沖蝕區(qū)。

圖11 恒流量工況過濾體金屬絲沖蝕痕跡Fig.11 Erosion marks of metal wire of filter body under constant flow conditions: a) scanning electron microscope SEM microscopic appearance; b) three-dimensional confocal microscope measurement chart

3.2 沖蝕速率及防砂壽命計(jì)算分析

針對(duì)金屬網(wǎng)布過濾體的壽命預(yù)測(cè)，目前多以腐蝕裕量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展物模試驗(yàn)或數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行評(píng)價(jià)[24-26]。本文采用金屬網(wǎng)布過濾體網(wǎng)絲直徑的減薄量來衡量，以過濾體金屬絲沖蝕斷裂為過濾體壽命計(jì)算判據(jù)。直徑D的過濾體有效壽命計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：T為有效服役壽命，a；D為過濾體金屬絲直徑，mm；V為過濾體金屬絲損傷損率，mm/a。

針對(duì)恒流量工況均勻沖蝕，在共聚焦激光顯微鏡下的均勻沖蝕區(qū)域，選取10 個(gè)過濾體損傷點(diǎn)，測(cè)量其損傷深度，取平均值。過濾體沖蝕均勻損傷深度的平均值為0.013 μm，其均勻沖蝕速率為0.018 mm/a。在恒流量均勻沖蝕損傷工況下，過濾體網(wǎng)緯絲直徑為456.7 μm，損傷速率為0.018 mm/a，以過濾體絲沖蝕斷裂為過濾體壽命計(jì)算判據(jù)，計(jì)算預(yù)估過濾體的有效服役壽命約為25.4 a。

針對(duì)恒流量工況苛刻沖蝕，在共聚焦激光顯微鏡下的苛刻沖蝕區(qū)域，選取10 個(gè)過濾體損傷點(diǎn)，測(cè)量其損傷深度取平均值，測(cè)得損傷深度平均值為0.890 μm，苛刻沖蝕條件下的沖蝕速率達(dá)到1.299 mm/a。實(shí)測(cè)過濾體金屬絲直徑為 456.7 μm，損傷速率為1.299 mm/a，以過濾體絲沖蝕斷裂為過濾體壽命計(jì)算判據(jù)，按照式（1）計(jì)算預(yù)估過濾體的有效服役壽命約為0.35 a（4.2 個(gè)月），計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際比較吻合。

4 篩管損傷特征及原因綜合分析

防砂篩管破損區(qū)宏微觀檢測(cè)和分析表明，篩管破損區(qū)各部件邊緣大多向內(nèi)凹陷，呈現(xiàn)出在一定方向外力作用下流體機(jī)械損傷特點(diǎn)，篩管各部件破壞程度呈現(xiàn)由外向內(nèi)有逐漸減緩的規(guī)律，外觀破壞區(qū)與基管上孔眼并沒有明顯的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。破損區(qū)損傷特征分析和總結(jié)如下：

1）篩管損傷區(qū)域的斷口平整，尤其外保護(hù)套的斷口較為平滑，未見粗糙、有毛刺的邊緣，呈現(xiàn)典型的射流機(jī)械沖擊破壞特征。

2）破壞區(qū)呈現(xiàn)由外保護(hù)套、外過濾網(wǎng)、外泄流網(wǎng)、內(nèi)過濾網(wǎng)、內(nèi)泄流網(wǎng)、內(nèi)保護(hù)套、基管依次發(fā)展。

3）篩管破壞區(qū)各部件邊緣呈向內(nèi)凹陷，篩管各部件破壞程度呈現(xiàn)由外向內(nèi)損傷程度逐漸減小的規(guī)律，呈明顯由外向內(nèi)射流沖擊損傷特征。

4）破壞區(qū)不同位置的損傷方向性不同，各破損區(qū)是由多方向的射流機(jī)械破壞導(dǎo)致。

5）篩管外觀破壞區(qū)與內(nèi)側(cè)基管孔眼位置無確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，沖蝕破壞并不是由內(nèi)向外發(fā)生。

6）破損區(qū)環(huán)向損傷程度存在差異，呈現(xiàn)射流流體多角度沖蝕特征，該角度與篩管徑向等方向無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

7）破損區(qū)沒有呈現(xiàn)由內(nèi)向外發(fā)展跡象，也未發(fā)現(xiàn)典型的由內(nèi)向外產(chǎn)生射流的損傷特征。

綜合以上特征分析、測(cè)試內(nèi)容及井史資料，篩管損傷原因應(yīng)歸結(jié)為：地層砂在篩管外堆積，造成篩管較大程度堵塞，從而造成注入水的局部高流速和篩管內(nèi)外的高壓差，高流速注入水沖擊篩管外的堆積砂，形成含砂流體在篩管外表面附近區(qū)域的紊流，對(duì)篩管局部反向沖擊形成含砂流體沖刷腐蝕，造成局部沖蝕破壞穿孔，如圖12 所示。為緩解沖蝕破壞對(duì)生產(chǎn)造成的不利影響，需要充分考慮完井方式及后期工作制度變化，并需要對(duì)篩管沖蝕進(jìn)行更深入的研究[27]。

圖12 注水井篩管沖蝕示意圖Fig.12 Screen erosion schematic diagram of water injection well

5 結(jié)論

1）篩管外部損傷是由于其外部含砂流體沖蝕引起的機(jī)械損傷，呈現(xiàn)由外向內(nèi)從外保護(hù)套向基管逐漸發(fā)展的方向性。

2）篩管外地層砂堆積和篩管堵塞造成篩管內(nèi)外高壓差和局部高流速，高速水流沖擊篩管外的堆積砂，形成含砂流體在篩管外表面附近區(qū)域的紊流，造成篩管由外保護(hù)套逐步向內(nèi)發(fā)展的局部沖蝕破壞。