筛管冲蚀磨损研究综述及预防措施

匡韶华，王宝权

筛管冲蚀磨损研究综述及预防措施

匡韶华，王宝权

中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院(辽宁盘锦124010)

冲蚀磨损是导致油气井防砂完井中筛管失效的重要原因。为了防止或减小筛管冲蚀磨损对油气井生产造成的危害，许多研究者针对筛管冲蚀磨损开展了大量研究工作。结合这方面的研究工作，比较全面地阐述了筛管冲蚀磨损原因、影响因素、实验方法、预测模型，以及防冲蚀筛管方面的内容，并且总结了预防筛管冲蚀磨损的措施。

筛管;冲蚀原因;实验方法;预测措施

冲蚀磨损是指材料受到松散的粒子冲击时，表面出现破坏的一类磨损现象[1]。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[2-4]。筛管是防砂完井的重要井下工具，由于长期受到含砂流体的作用，筛管局部出现冲蚀破坏，导致防砂失败的现象普遍存在。实际生产表明，冲蚀磨损是导致筛管防砂失败的重要原因[5]。因此开展防砂筛管冲蚀磨损研究，对于防止或减小筛管冲蚀磨损造成的危害，提高筛管使用寿命具有重要意义。比较系统、全面地综述了国内外针对筛管冲蚀磨损开展的相关研究，并总结了减小筛管冲蚀磨损的措施。

1 筛管冲蚀磨损原因分析

冲蚀磨损的本质是高速粒子的冲击作用产生的能量传递导致的[6]，因此，对于高产液、气井，由于流体流速非常高，砂粒冲击力强，容易造成筛管冲蚀磨损。

对于大部分油气井，在正常情况下，由于产量不太高，而且筛管的过流能力很强，流体通过筛管的流速很低，因此，一般不会造成冲蚀。但是，当筛管的部分区域出现堵塞后，流体就会从未堵塞的区域通过，从而形成了局部“热点”(图1)[7-10]。筛管堵塞后的过流面积减小了，因此流体通过局部“热点”时的流速增大。当流速超过临界冲蚀速度时，就会对筛管造成冲蚀磨损。这种由筛管堵塞引发的冲蚀磨损现象主要存在于水平井筛管完井中[11]。

在射孔完井中，完井作业的不合理，可能造成严重的地层伤害，导致部分炮眼发生堵塞，使得大量流体从少量未堵塞的炮眼中喷出，从而形成了高速喷砂射流，就像喷嘴喷砂一样直接对筛管表面进行喷射冲蚀[12]。

在砾石充填防砂完井中，如果环空中填充质量差，形成不稳定的砾石层，就可能出现大的流动通道，流体会优先从流动通道中通过，从而形成局部“热点”[11]。地层流体通过局部“热点”时，以较高的流速直接对筛管进行喷射冲蚀[13]。

在水平井砾石充填过程中也存在筛管冲蚀现象。Hamid和Ali[14]通过实验分析了这种冲蚀现象的原理。在水平井砾石充填的中后期，除了筛管的最顶端和最末端外，筛管的大部分被砾石掩埋，流体被迫从筛管两端通过。由于筛管的有效过流面积减小，流体通过筛管两端的流速急剧增大。如果砾石中含有细颗粒，就会对筛管造成冲蚀，而且这种冲蚀磨损非常迅速，在很短的时间内，就能将筛管的两端冲破。

2 筛管冲蚀速率影响因素

筛管的冲蚀速率即受到筛管内部因素影响，如筛管的材质和结构，又受到外部条件影响，重点介绍外部条件对筛管冲蚀速率的影响。

2.1砂粒速度

冲蚀速率主要取决于砂粒的速度，这是因为冲蚀磨损与砂粒的动能有直接的关系。材料发生冲蚀磨损存在一个冲蚀速度的下限(临界冲蚀速度)，砂粒速度低于临界冲蚀速度时，只发生弹性碰撞，高于临界冲蚀速度时，才会对材料造成冲蚀磨损。根据国外试验研究成果[15]，含砂流体速度达到0.09m/s时就可以造成筛管冲蚀磨损。

2.2流体性质

在相同条件下，不同流体介质对筛管冲蚀磨损作用是不同的。流体介质为气体时，冲蚀最严重，其次是水，冲蚀作用最小的流体介质是油[12]。所以，在气井中，冲蚀是一个严重的问题，是气井生产的主要约束，而在油井中，含水率越高，筛管冲蚀破坏的可能性越大。

2.3砂粒尺寸

采用不同粒径的石英砂对钢材进行的冲蚀实验结果表明[16]:颗粒尺寸在100μm时，冲蚀作用达到最大，小于100μm时，随着颗粒尺寸增大，冲蚀作用变强，大于100μm后，颗粒尺寸增大，冲蚀作用基本保持不变。这是由于砂粒的动能与砂粒的尺寸有直接关系，尺寸越大动能越大，冲蚀作用越强。但是，当颗粒直径超过100μm后，由于颗粒碰撞被压碎而消耗了能量，从而降低了冲蚀作用[12]。

2.4砂粒含量

在其他条件一定的情况下，材料的冲蚀速率先随砂粒含量增加而增加，达到一定值后，随砂粒含量增加而减小[17]。这是由于砂粒含量较小时，砂粒含量的增加使砂粒冲蚀材料的机率增加，导致材料的冲蚀速率增加。但是，当砂粒含量很大时，由于砂粒之间的相互碰撞以及回弹砂粒的影响，导致材料的冲蚀速率会有所降低。

2.5冲蚀角度

冲蚀角度是指材料表面与入射粒子轨迹之间的夹角。材料的冲蚀速率和冲蚀角度有密切关系[18]:典型塑性材料的最大冲蚀速率出现在15°～30°冲蚀角内，典型脆性材料的最大冲蚀速率出现在冲蚀角为90°时，其他材料一般介于两者之间。对筛管的冲蚀实验研究表明[15]:不同的流体介质中最大冲蚀速率对应的冲蚀角不同，含砂气体冲蚀时，最大冲蚀速率出现在25°～30°之间;含砂液体冲蚀时，冲蚀角为90°时，冲蚀最严重，冲蚀角为40°～45°时，冲蚀速率次之。

3 筛管冲蚀磨损实验装置及实验方法

3.1ASTM标准材料冲蚀实验

ASTM G76-13[19]规定了用于材料冲蚀实验的冲蚀装置(图2)及实验方法。结构原理如图3所示。加砂漏斗中的砂粒通过传送输砂装置以恒定的加砂速率进入混合室中，与空压机注入的气体混合形成高速含砂气流，通过喷嘴喷出对样品进行冲蚀。该装置采用双圆盘旋转装置来确定砂粒从喷嘴喷出的冲蚀速度。实验方法是:使用不同尺寸的干燥石英砂作为磨料粒子;先用丙酮清洗冲蚀样件，烘干后，采用精密电子天平称重;将样件放入冲蚀实验装置的样件座上，用含砂气体对样件冲蚀10min后，再次称重;计算样件的冲蚀失重量，评价其耐冲蚀性能。

3.2 筛管含砂液体冲蚀实验

一种常用的筛管液体冲蚀实验装置[20]由可调速的螺杆泵，砂浆搅拌罐、流量计、差压传感器和一个内径为94.48cm(3.1英尺)的测试单元组成，如图3所示。筛管样件安装于测试单元内部，差压传感器用于测量筛管上下两侧的压差。在筛管样件前面安装一个喷嘴，则可进行砂粒直接喷射冲蚀实验，去掉喷嘴，则可进行砂粒通过筛管孔缝的冲蚀实验，如图4所示。

实验过程中，筛管样件两侧压差上升，表明筛管堵塞，压差下降，表明筛管冲蚀破坏。实验的基本参数[21]是：①流速0.04～0.19m3/min;②最高压力2.1MPa;③固相含量≤0.2%(重量百分比);④喷嘴出口的流速3.4～14.3m/s;⑤测试单元中的流速0.12～0.61m/s;⑥喷嘴直径1.68cm;⑦冲蚀靶距1.27～1.91cm;⑧磨料粒子为金刚砂。

为了确保实验过程中，磨料粒子能够顺利通过筛管样件，而不造成堵塞，一般采用2种规格的金刚砂，粒径参数见表1。

3.3筛管含砂气体冲蚀实验

筛管的直接喷射冲蚀实验，一般采用气体作为携砂介质，因为气体的密度低、黏度低，没有粘性的边界层，从而减小了流体介质对砂粒冲蚀速度和冲蚀角度的影响[12]。筛管气体冲蚀实验装置[12]的基本结构如图5所示。砂粒与高速气体在混合器中混合后直接喷射到筛管样件表面上。该装置也是采用双圆盘旋转装置来确定砂粒的冲蚀速度。筛管样件后面安装一个冲蚀监测器，通过测量电压的变化能够记录筛管被冲破的时间。利用筛管被冲破的时间，可以评价筛管的耐冲蚀性能。

气体喷射冲蚀实验的基本参数是:①喷嘴直径0.64cm;②砂粒冲蚀速度21.3m/s(0.07MPa);③加砂速率6～7g/s;④冲蚀角度90°;⑤冲蚀靶距2.54cm;⑥磨料粒子为金刚砂或石英砂。

3.4水平井砾石充填筛管冲蚀模拟实验

为了研究水平井砾石充填过程对筛管的冲蚀作用，Hamid和Ali[14]采用大型的水平井砾石充填模型(图6)模拟了水平井砾石充填过程。把一根长1.4m，外径11.58cm的筛管安装于一个内径为15.24cm的套筒中，将其水平放置。采用不同粒径的砾石与清水混合配制成砂浆，将其充填到模型的环空中。通过监测压力变化来判断充填过程中筛管是否被冲破。当砾石中不含细粉砂时，筛管没有出现冲蚀现象;当砂浆中含有75～150μm的细粉砂(粒径小于筛管的孔缝值)时，筛管出现了冲蚀破坏现象。

4 防冲蚀筛管研究

为了提高筛管的耐冲蚀性能，目前一般采用具有冲缝结构的保护罩来防止筛管过滤层冲蚀，图7为防冲蚀金属网筛管的结构。这种保护罩具有弯曲流道，从理论上避免了砂粒直接冲蚀过滤层。但是研究表明[12]这种结构只对直接喷射冲蚀有效，对于堵塞引起的孔缝冲蚀，反而会加剧过滤层冲蚀破坏。

国外威德福公司研制一种自调控筛管，该筛管由多个重复单元组成，每一个单元包括一级筛管、二级筛管、分流挡环和外壳，如图8所示。一级筛管的内层是未钻孔的基管，二级筛管的内层是钻孔的基管，分流挡环安装在一级筛管和二级筛管之间，外壳安装在二级筛管外面，避免二级筛管与地层直接接触。地层流体进入一级筛管后，由于基管上没有孔眼，流体轴向流动，经过分流挡环均匀进入二级筛管，然后通过基管的孔眼进入油井内。如果一级筛管的过滤层被冲蚀破坏，地层砂就会通过冲蚀孔眼进入外壳与二级筛管之间的环空中逐渐堆积，将二级筛管完全堵塞，阻止流体通过该单元。流体只能从其他没有被冲破的单元通过，从而防止了地层砂进入油井，延长了筛管的使用寿命。

5 预防筛管冲蚀磨损的措施

1)采用清洁完井液，并且防砂前应采取合理的洗井措施，清除井眼中残留的固相颗粒和聚合物，防止筛管堵塞，避免形成局部流动热点，减小筛管冲蚀的风险。

2)优化筛管设计参数，进行适度防砂，在满足挡砂要求的前提下，尽可能增大筛管的挡砂精度，提高筛管的过流能力，从而降低筛管堵塞的风险，降低流体通过筛管时的流速。

3)研制新型耐冲蚀筛管。新型耐冲蚀筛管的研制，应该从提高筛管抗堵塞能力、增大筛管过流能力和采用耐冲蚀过滤材料的思路出发。

4)采用砾石充填防砂或膨胀筛管防砂。砾石充填防砂和膨胀筛管防砂能够有效地阻止细粉砂进入筛管中，并且可防止井壁坍塌，从而大大降低了筛管堵塞的风险，避免形成局部流动热点，减小筛管冲蚀磨损。但是对于砾石充填防砂，必须保证充填质量，对于膨胀筛管防砂，必须保证井眼规则，才能有效防止筛管冲蚀。

5)采用层间分隔和节流喷嘴(ICD)来控制流体速率，使流体沿井眼均匀流动，可以降低筛管冲蚀破坏的风险。

6)为了防止水平井砾石充填的施工过程中筛管的冲蚀破坏，在筛管管柱的最顶端和最末端采用特殊的耐冲蚀筛管。

6 结论与认识

1)冲蚀破坏是造成筛管防砂失败的主要原因之一，应该重点开展筛管冲蚀机理、冲蚀实验方法、冲蚀寿命预测方法，新型防冲蚀筛管以及减少筛管冲蚀措施方面的研究。

2)筛管冲蚀主要存在两种形式:直接喷射冲蚀和堵塞引起的孔缝冲蚀。针对不同的冲蚀形式应采用不同的实验方法进行研究。材料冲蚀失重法并不适合评价筛管的耐冲蚀性能，采用筛管冲蚀冲破时间或者筛管过滤介质冲蚀前后孔径(缝宽)的变化率能够更加合适地评价筛管的耐冲蚀性能。

3)由于影响筛管冲蚀的因素非常复杂，至今还没有一个公认的、普遍适用的模型用于预测筛管在实际工况下的冲蚀程度，应该结合CFD理论计算、实验数据和现场经验对筛管冲蚀模型进行深入的研究。

4)正常作业及生产情况下，筛管一般不会发生冲蚀破坏，筛管堵塞是导致筛管冲蚀破坏的重要原因。因此，要防止筛管冲蚀磨损，重点是要采取一些降低筛管堵塞风险的措施。

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中国石油销售公司进一步严格油品数质量管理

在“3·15”国际消费者权益日前夕，中国石油销售公司专门做出部署，要求各销售企业忠实履行职责，采取强有力措施，进一步严格油品数质量管理，坚决保证销售的油品都质量合格、计量准确，维护中国石油品牌形象。

销售公司强调，要严把采购环节质量关，对直属炼厂资源严格按照必检项目，经分析化验合格后方可入库。外采油品必须按照“三重一大”要求，在入围供应商中采购，采购合同必须明确质量计量条款;除国标全项目分析外，汽油还要化验销售公司增加的8个项目，必须全部合格才可采购。

销售公司要求，必须严格控制外采汽油直接入站。凡直接入站的外采油品，坚决实施封罐运输、化验密度、留样保管等措施;加强运输车船和运输全过程监管，专罐专用、专船专用;积极配合有关部门，开展打击掺杂使假和偷盗油品专项行动，保证油品运输过程中不被污染和替换。

加油站是中国石油的窗口。销售公司重申，各分公司要切实抓好加油站的油品质量管理，所属加油站只能接收销售公司统一配置的油品。各加油站要全面检查地罐含水和杂质情况，确保不违规、不超标;认真搞好加油机检验与测定工作，发现问题及时整改，保证在用的每台加油机都检定合格，计量器、编码器、主板铅封达标完好。

(石监摘自http：//news.cnpc.com.cn 2015-03-09)

Erosion wear is an important cause of screen pipe failure in oil and gas well completion.In order to prevent or reduce the damage of the erosion wear of screen pipe to oil and gas wells，many researchers made a lot of research works in the erosion wear of screen pipe.By reviewing the research works，the erosion causes，influencing factors，experimental methods and prevention models of screen tube are expounded，and the prevention measures to the erosion wear of screen pipe are summarized.

screen pipe;erosion cause;experimental method;prevention measures

学敏

2014-09-17

国家科技重大专项“渤海湾盆地辽河坳陷中深层稠油开发技术示范工程”(编号:2011ZX05053)

匡韶华(1985-)，男，工程师，现从事油井防砂工艺技术方面的研究。