筛管抗挤毁强度测试装置研制及试验研究

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）



筛管抗挤毁强度测试装置研制及试验研究

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）

筛管的抗挤毁强度是防砂工艺技术研究和应用中非常重要的技术参数。为了准确测试出不同类型筛管的抗挤毁强度，研制出了一套筛管抗挤毁强度测试装置。该装置采用泥砂封堵与清水打压相结合的方式，对筛管表面施加均匀的挤压力，测试结果更加合理。利用该装置对不同类型的筛管进行了抗挤毁强度测试试验，得到了不同筛管的抗挤毁强度值，以及挤压破坏形态。

防砂筛管；抗挤毁强度；试验装置

在石油开采技术领域，特别是针对疏松油气藏开采时，由于在开采过程中普遍出砂，需要采取防砂工艺进行开采，防砂筛管是机械防砂工艺技术中使用最普遍、最重要的一种工具[1]。在油井开采过程中，由于防砂筛管堵塞，或井眼坍塌、变形、缩颈，造成筛管外部挤压载荷升高。当外挤压力大于筛管的抗挤毁强度时，就会导致筛管出现变形、破坏[2-6]。现场实践表明，筛管出现挤毁变形（破坏）是筛管防砂失效的重要原因[7]。筛管挤毁变形（破坏）严重影响了油井的正常生产，增大了油井的开发成本。因此，筛管的抗挤毁强度是防砂工艺技术研究和应用中非常重要的技术参数。为了准确测试出不同类型筛管的抗挤毁强度，本文研制出了一套防砂筛管抗挤毁强度测试装置，并测试出了多种常用筛管的抗挤毁强度。

1　试验装置

1.1试验装置结构

防砂筛管抗挤毁强度测试装置结构如图1所示。该装置主要由高压筒、筛管、泥砂封堵层、包裹层、出口堵头、扶正堵头、压力表、泄压阀、高压柱塞泵和供水装置组成。扶正堵头上具有多个通孔作为水流通道。高压筒体耐压为50MPa，内径为300mm，长度为3m。高压柱塞泵的排量为0～102L/ min，最高工作压力28MPa，通过变频器可以调节高压泵的排量大小。

图1　筛管抗挤毁强度测试装置结构示意图

1.2筛管抗挤毁强度测试原理

采用不同粒径的固体颗粒、膨润土以及聚合物溶液混合均匀配制成黏状的泥砂封堵物。将黏状物体均匀涂抹在筛管表面，封堵筛管过滤材料。利用塑料薄膜包裹在泥砂封堵层外，再用胶带缠绕在塑料薄膜外，对泥砂层起到支撑包覆作用，防止泥砂层脱落或被水冲散。将包裹好的筛管样件放进高压筒中，利用高压柱塞泵将清水注入高压筒中。由于泥砂层封堵了筛管的过滤孔缝，高压筒中的压力会逐步上升，当压力达到试验要求值，或者观察到筛管失效时的压力值，即为筛管抗挤毁强度试验测试值。

2　试验方法

利用筛管抗挤毁强度测试装置进行试验的具体操作方法如下：

1）将膨润土、0.1 mm石英砂、0.15 mm石英砂和0.27 mm石英砂按照1：1：1：1的重量比混合，再加入聚阴离子纤维素HV的水溶液，搅拌均匀，配制成泥砂封堵物。

2）将泥砂封堵物均匀涂抹在筛管表面，形成泥砂封堵层，泥砂封堵层的厚度约为10～20mm。用塑料薄膜包裹在泥砂封堵层外，再用胶带缠绕在塑料薄膜外，形成包裹层。

3）连接筛管样件堵头，将包裹后的筛管样件装入高压筒中，连接高压柱塞泵与高压筒之间的高压管线。

4）启动高压柱塞泵，通过控制变频器的频率调节高压柱塞泵的排量，控制压力缓慢上升。如果压力达到高压后，没有出现回落现象，则将压力保持在高压范围内，稳定一段时间；如果压力冲高后，迅速回落，且无法重新起高压，则表明筛管已经被挤毁破坏，记录最高压力值，作为该筛管的抗挤毁强度。

5）打压结束后，卸掉高压筒的内部压力，取出筛管样件，清除包裹层和泥砂封堵层，观察筛管变形及破坏情况。

3　测试装置的技术特点

筛管抗挤强度测试装置具有如下技术特点：

1）采用液体从筛管外围均匀施加外挤压力，相对于压力试验机直接挤压，这种方式更加符合筛管的实际挤压情况，测试结果更加合理、准确。

2）采用泥砂层直接封堵筛管过滤孔缝，封堵效果更好，不会出现封堵不住、起不了高压的情况。

3）采用直接注入清水打压，对高压泵的性能要求降低，减小了试验装置的制作成本。

4）该装置结构简单，试验操作方便，制作成本低，便于推广应用。

4　筛管抗挤毁强度测试试验

采用筛管抗挤毁强度测试装置对4种不同类型的筛管进行了抗挤毁强度测试试验。将这4种筛管加工成试验样件（图2）。筛管试验样件的主要参数见表1。

图2　不同筛管加工成的试验样件

表1　不同类型筛管样件主要参数

用泥砂封堵物将筛管试验样件涂抹封堵，再用塑料薄膜包裹，如图3所示。将包裹后的筛管试验样件装入试验装置中，进行试验，测试结果见表2。由于试验装置的高压柱塞泵的最高工作压力为28 MPa，所以，试验压力均未超过28 MPa。试验结束后试验样件的状态如图4所示。

图3　封堵和包裹后的筛管试验样件

金属棉筛管试验过程中，压力逐步上升，在达到21 MPa时，压力迅速下降为零。试验结束后，筛管基管完好，筛管过滤层有明显被破坏的孔洞，如图4(a)所示。从图5中可以看出，金属棉过滤材料出现严重破坏，失去了有效的防砂性能。因此该筛管的抗挤毁强度是21 MPa。

金属网布筛管试验过程中，控制压力基本在26～27 MPa范围内稳定41 min，最高压力达到27.4 MPa。整个试验过程中，没有出现压力急剧下降的现象。试验结束后，仅是筛管外层保护罩有一定的变形，过滤层和基管没有被破坏，筛管仍有效，如图4(b)所示。因此，该筛管的抗挤毁强度大于27.4 MPa。

烧结滤网筛管试验过程中，控制压力基本在26～27 MPa范围内稳定45 min，最高压力达到27.8 MPa。试验结束后，筛管外层保护罩有一定的变形，过滤层和基管没有被破坏，筛管仍有效，如图4(c)所示。因此，该筛管的抗挤毁强度大于27.8 MPa。

膨胀筛管在试验过程中，压力逐步上升，在达到9.5 MPa时，压力迅速下降为零。试验结束后，筛管的基管被挤瘪，筛管完全失效，如图4(d)所示。因此，该膨胀筛管的抗挤毁强度为9.5 MPa。

表2　不同筛管样件的抗挤毁强度测试结果

图4　筛管试验样件试验后的状态

图5　金属棉筛管挤压破坏孔洞微观图

5　现场应用效果

自2008年以来，烧结滤网筛管在辽河油田已应用了数十口井，且大多数在热采井中应用。至今为止，没有出现因该筛管被挤压破坏或基管变形，导致防砂失效的现象。

6　结论

1）研制了一套防砂筛管抗挤毁强度测试装置。该装置结构简单、操作方便，可以对不同类型的筛管进行抗挤毁强度测试。

2）测试出了金属棉筛管、金属网布筛管、烧结滤网筛管和膨胀筛管的抗挤毁强度。其中，膨胀筛管的抗挤毁强度最低，筛管基管被挤瘪；金属棉筛管的抗挤毁强度中等，筛管过滤层被挤毁破坏，出现孔洞；金属网布筛管和烧结滤网筛管抗挤毁强度最高，筛管基管和过滤网完好。

3）所研制的测试装置以及4种筛管的抗挤毁强度值，能够为机械防砂工艺设计和应用提供技术支持和参考。

[1]董长银.油气井防砂技术[M].北京:中国石化出版社，2009：47-60.

[2] Mahmoud Asadi. Sand Control Screen Plugging and Cleanup [C]. SPE 64413,2000：1-14.

[3] J. Arukhe.Horizontal Screen Failures in Unconsolidated，High- Permeability Sandstone Reservoirs：Reversing the Trend[C]. SPE 97299，2005：1-11.

[4] Hamid，Ali. Causes of Sand Control Screen Failures and Their Remedies[C]. SPE 38190，1997:1-14.

[5] Geoge Gillespie. Collapse and Burst Test Methods for Sand Screens[C]. SPE 116094，2008：1-15.

[6]匡韶华，石磊，于丽宏，等.防砂筛管测试技术现状及发展探讨[J].石油矿场机械，2013，42(4)：83-88.

[7] Jonathan Bellarby. Well Completion Design[M]. Amsterdam：Elsevier，2009：174-177.

The anti-collapse strength of the screen is a very important technical parameter for the study and application of sand control technology. In order to accurately test the anti-collapsing strength of different types of screen, a set of screen anti-collapsing strength testing device is developed. The device applies a uniform extrusion force on the surface of the screen by combining mud and sand plug⁃ging with water pressure, which makes testing results more reasonable. To use the device carries out the anti-collapsing strength mea⁃surement tests of different types of sieve tubes and their anti-collapsingstrength and compression damage morphology are obtained.

sand screen; anti-collapse strength; test equipment

匡韶华（1985-），男，硕士，工程师，现从事油井防砂工艺技术方面的研究。

本文编辑：左学敏2015-11-30