防砂筛管冲蚀试验装置及方法

王宝权，匡韶华

中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院 (辽宁 盘锦 124010)

防砂筛管冲蚀试验装置及方法

王宝权，匡韶华

中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院 (辽宁 盘锦 124010)

为了开展防砂筛管冲蚀试验研究和评价，研制出了一套防砂筛管冲蚀试验装置，并确定了试验方法。该装置能够准确控制磨料粒子冲蚀速度和粒子含量，可进行筛管的喷射冲蚀和过流冲蚀试验。测试试验表明，该装置性能稳定，试验结果重现性好。利用该试验装置和试验方法能够更加合理地开展筛管冲蚀试验研究和评价。

防砂筛管;冲蚀;试验装置;试验方法;喷射冲蚀;过流冲蚀

冲蚀现象在油气开采过程中大量存在，从钻井到采油(气)再到集输，冲蚀磨损是造成设备损坏、事故发生的主要原因之一。实际生产表明，筛管长期在油井高速含砂流体的作用下，局部冲蚀现象普遍存在，尤其是筛管的过滤单元，在冲蚀作用下，过滤介质容易发生破坏，导致防砂失败，缩短了筛管的防砂寿命［1-2］。因此，为了防止筛管冲蚀破坏现象的发生，需要针对筛管开展冲蚀试验研究以及评价试验。目前，冲蚀试验装置的类型很多，但是这些装置都是针对各自实际工况研制的，不满足筛管冲蚀试验的要求。因此，研制防砂筛管冲蚀试验装置，用于筛管冲蚀试验研究以及筛管耐冲蚀性能评价非常有必要。

1 冲蚀试验装置

1.1试验装置要求

考虑材料冲蚀影响因素，以及筛管的实际工况，防砂筛管冲蚀试验装置的设计应该满足以下几点要求［3-4］:①精确控制和测量粒子冲蚀速度;②精确控制粒子含量;③能够用不同粒子进行试验;④既可进行含砂气体冲蚀试验，又可进行含砂液体冲蚀试验;⑤能够模拟筛管的冲蚀破坏方式;⑥试验重现性能好、性能稳定。

1.2试验装置组成

防砂筛管冲蚀试验装置由砂罐、搅拌器、加砂器、混砂器、加速管、喷嘴、空压机、高压柱塞泵、压力表、流量计、试验样室、激光多普勒测速仪、样件夹具、支架等组成(图1)。启动空压机，可进行含砂气体冲蚀试验;启动高压泵，可进行含砂液体冲蚀试验。激光多普勒测速仪的激光发射器和接收器分别安装在喷嘴出口的两边，通过试验样室的透视窗，可以测量喷嘴出口处磨料粒子的冲蚀速度。通过调节空压机或高压柱塞泵的排量，并结合激光多普勒测速仪所测量的磨料粒子速度，可将磨料粒子的冲蚀速度调节到试验要求值。通过调节加砂器的转速来控制流体中的粒子含量，保障粒子含量的稳定性。

1.3样件夹具结构

防砂筛管的冲蚀破坏主要存在2种方式［5-8］:喷射冲蚀和过流冲蚀。喷射冲蚀是指筛管外未形成砂层时，高速流体携带砂粒从炮眼中直接喷射到筛管表面，将筛管冲破;过流冲蚀是指由于筛管部分过滤单元出现堵塞，过流面积减小，形成流动“热点”，流体携带细粉砂通过“热点”时的流速增大，从而对过滤介质的网孔内壁进行冲蚀磨损，导致网孔尺寸变大，防砂失效。为了模拟筛管的不同冲蚀破坏方式，设计了2种样件夹具。

图1 防砂筛管冲蚀试验装置示意图

1)喷射冲蚀样件夹具。筛管喷射冲蚀试验中要求监测冲蚀破坏时间，因此设计了特殊的样件夹具及音频采集系统来监测筛管过滤单元的冲蚀破坏时间，其结构如图2所示，计算机中安装音频采集软件。采用大于筛管过滤介质网孔尺寸的磨料粒子进行喷射冲蚀，在样件还未冲破之前，粒子不能穿过样件，金属片产生的声音较小，当试样被冲破后，大量粒子将撞击到金属片上，产生的声波迅速变大。试验过程中，观察音频图像，当音频图像峰值迅速变大(图3)，并保持一定时间时，则可判断筛管样件已冲破，峰值变大时对应的时间点，即可作为筛管过滤介质的冲蚀破坏时间。

2)过流冲蚀样件夹具。在筛管过滤单元过流冲蚀试验中，为了保证磨料粒子顺利通过过滤单元，样件后面应尽量保持通畅，其样件夹具结构如图4所示。

2 筛管冲蚀试验方法

2.1喷射冲蚀试验方法

图2 喷射冲蚀样件夹具及音频采集系统结构示意图

图3 监测冲蚀破坏时间的音频图像

图4 过流冲蚀样件夹具结构示意图

①将筛管过滤介质样件安装于样件夹具中，样件的冲蚀面要正对喷嘴出口，调节冲蚀样件的角度和位置;②启动空压机，接通压缩空气;③将角状不规则石英砂颗粒(粒径范围0.38～0.75mm)加入砂罐中，启动加砂器，以稳定的加砂速率均匀地加入压缩空气中;④采用激光多普勒测速仪，测量喷嘴出口处石英砂粒子的冲蚀速度，调节气体排量，使粒子的冲蚀速度达到要求;⑤采用音频采集系统监测过滤介质的冲蚀破坏时间，过滤介质冲破后，停止冲蚀;⑥通过对比筛管过滤介质在相同冲蚀条件下的冲蚀破坏时间来评价其耐冲蚀性能，冲蚀破坏时间越长，耐冲蚀性能越好。

2.2过流冲蚀试验方法

①采用玻璃微珠通过法测试过滤介质冲蚀前的原始网孔尺寸;②将筛管过滤介质样件安装于样件夹具中，样件的冲蚀面要正对喷嘴出口，调节冲蚀样件的角度和位置;③启动空压机，接通压缩空气;④将F320号白刚玉微粉(粒度范围19～52μm)加入砂罐中，启动加砂器，以稳定的加砂速率均匀地加入压缩空气中;⑤采用激光多普勒测速仪，测量喷嘴出口处白刚玉微粉的冲蚀速度，调节气体排量，使粒子的冲蚀速度达到要求;⑥连续冲蚀一段时间后，停止冲蚀，取出冲蚀样件，清洗干净，干燥后，采用玻璃微珠通过法测试过滤介质冲蚀后的网孔尺寸;⑦按照下式计算筛管过滤介质冲蚀前后网孔尺寸的变化率，通过对比筛管过滤介质在相同冲蚀条件下冲蚀前后的网孔尺寸变化率来评价其耐冲蚀性能，网孔尺寸变化率越小，耐冲蚀性能越好。

式中:Sd为网孔尺寸变化率，%;d0为筛管冲蚀前的网孔尺寸，mm;d1为筛管冲蚀后的网孔尺寸，mm。

3 冲蚀试验装置测试试验

3.1喷射冲蚀试验

按照喷射冲蚀试验方法对弹性筛管和整体烧结滤网筛管进行试验，主要试验参数:冲蚀速度12m/s，加砂速率270g/min，冲蚀角度90°，冲蚀靶距45mm。2筛管各进行3次平行试验，每次试验中监测到的过滤介质冲蚀破坏时间见表1。2种筛管过滤介质经喷射冲蚀后，过滤介质被严重破坏，出现了大的冲蚀孔洞，筛管失效，如图5所示。

从试验结果中可看出，测试结果最大偏差值小于5%，说明该试验装置具有较好的重现性;弹性筛管的冲蚀破坏时间大于整体烧结滤网筛管的冲蚀破坏时间，说明在喷射冲蚀方式下，弹性筛管的耐冲蚀性好于整体烧结筛管。

3.2过流冲蚀试验

按照过流冲蚀试验方法对弹性筛管进行试验，主要试验参数:冲蚀速度50m/s;加砂速率320g/min;冲蚀角度90°;冲蚀靶距20mm;冲蚀时间60min。弹性筛管冲蚀前后的网孔尺寸及网孔尺寸变化率见表2。在过流冲蚀下，过滤介质的编织网线变细，网孔被冲蚀变大，且出现较大的冲蚀孔洞，如图6所示。

表1 不同筛管过滤介质的冲蚀破坏时间

图5 筛管过滤介质冲蚀样件冲蚀后的效果

表2 过流冲蚀前后筛管网孔尺寸变化

图6 筛管过滤介质过流冲蚀冲蚀前后对比图

试验结果表明，该冲蚀试验装置可以实现筛管过流冲蚀试验，在过流冲蚀作用下，筛管过滤网孔尺寸发生变化，可以通过网孔尺寸的变化率来评价筛管在过流冲蚀下的耐冲蚀性能。

4 结论与建议

1)所研制的冲蚀试验装置设计合理，性能稳定，试验结果重现性好，试验结果偏差小于5%，适合用于防砂筛管的冲蚀试验研究及耐冲蚀性能评价。

2)所研制的冲蚀试验装置可准确控制磨料粒子冲蚀速度、磨料粒子含量，可采用不同磨料粒子进行试验，可调节冲蚀角度和冲蚀靶距，能够进行喷射冲蚀试验和过流冲蚀。

3)建议进一步开展防砂筛管的冲蚀试验研究，制订出防砂筛管耐冲蚀性能试验评价规范。

［1］王嘉淮，罗天雨，吕毓刚，等.气井冲蚀产量模型在储气库的应用［J］.特种油气藏，2012，19(1):25-29.

［2］刘永红，张建乔，马建民，等.石油防砂割缝筛管的冲蚀磨损性能研究［J］.摩擦力学学报，2005，29(3):283-287.

［3］王云.气井合理油管直径选择［J］.特种油气藏，2010，17(1): 14-15.

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［8］George，Colin.Sand Control Screen Erosion-When Are You at Risk［J］.SPE122269，2009:1-10.

简讯

大港油田自主研发标准化井场配电装置

截至2015年4月6日，大港油田自主研发的标准化井场配电装置现场应用良好，官3-7井标准化电泵控制柜、西12-12井抽油机井标准化控制柜运行平稳。

井场配电集中了电源切换、分配及计量电能等功能，是油井安全生产和经济运行的关键环节。大港油田从数字化采集出发，以现场需求进行标准化设计，坚持论证试验、攻关改进，成功研发了400V、1 140V和2 500V 3个电压等级，适用于常规抽油机井、防盗电油井、潜油电泵井的7套标准化开关箱和控制柜，获得两项国家实用新型专利。

系列化、标准化井场配电装置的研制和应用，从外观样式、器件选型及结构布局、数据采集、安全防护等方面，有效规范了井场配电系统，进一步增强井场配电的安全可靠性，拓展了动态数据的综合分析功能，助推油田地面工程数字化与标准化建设。

(尉立岗摘自http：//news.cnpc.com.cn 2015-04-22)

In order to carry out the test research and evaluation of sand control screen erosion，a set of device for sand control screen erosion test is developed，and the corresponding testmethod is determined.The device can accurately control the erosion velocity and the content of abrasive particles，and it can implement the jet erosion test and the flow erosion test of sand control screen.The tests show that the device is of stable performance and the good repeatability of test results.To use the device can better carry out the erosion test and the evaluation of sand control screen.

sand control screen;erosion;test device;testmethod;jeterosion;flow erosion

立岗

2015-01-07

辽河油田重大科技攻关项目“新区新领域关键技术研究”(编号:2013ZDIAN-05-03)

王宝权(1966-)，男，高级工程师，现从事油井防砂工艺技术和室内防砂试验技术等方面研究工作。