多流道旁通筛管性能实验评价

2022-06-11满宗通周欢庞明越董严冰王圣虹蔡普利

石油化工高等学校学报 2022年2期

关键词：筛管旁通砾石

满宗通，周欢，庞明越，董严冰，王圣虹，蔡普利

多流道旁通筛管性能实验评价

满宗通，周欢，庞明越，董严冰，王圣虹，蔡普利

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459）

多流道旁通筛管；砾石充填；亏空段；输送能力；旁通性能

随着海上油田的开发，在井槽资源有限的情况下，为了增大泄油面积、提高产量、降低作业成本，水平井应用越来越多[1⁃4]。在水平井砾石充填作业过程中，由于地层或设计原因，水平井出现充填亏空。现场作业表明，30%的水平裸眼井在砾石充填作业中因泥岩垮塌导致充填失败[5⁃7]。长水平段砾石充填会因工艺参数设计不合理、α波正向充填或者β波逆向充填没有到达水平井末端等原因而提前砂堵[8⁃9]。对于未充填的井段，多流道旁通筛管能够在常规充填结束后，通过输送管及旁通管继续进行充填，提高充填效率。

为了解决长水平段砾石充填提前砂堵或其他砾石充填过程中产生的砂桥、井壁垮塌导致充填效率低或充填失败情况的发生[10]，本文对多流道旁通筛管进行了设计和研发，对研发的新型多流道旁通筛管产品的旁通性及输送性能进行了评价检测，以期掌握新型功能筛管产品的性能特点，更好地保障海上油田防砂效果和油田长效开发。

1 新型多流道旁通筛管设计

1.1 原理及特点

多流道旁通筛管带有3根输送管和2根砾石充填管将其作为二次充填通道，使筛管接头的设计结构形成环流空间，管道连通。管内多流道旁通筛管内充填防砂。由于旁通管的流通面积较小，携砂液一般先充填筛管与井筒的环空，当筛管与井筒的环空中充满砾石时，旁通管成为阻力最小的携砂液通道，携砂液进入旁通管，并从旁通管的喷嘴流出，逐点对下部未充填密实或亏空井段进行二次充填，直到充填压力上升到一定值及整个井段充填密实为止。充填时井筒环空和筛管的旁通管构成一个整体通道，当有井筒塌陷、黏土膨胀和砂堵等情况时，筛管的旁通管起桥接作用，构成循环通道，保证整个井段得到有效充填。

多流道旁通筛管外护套采用冲孔方式，能够有效保护内部的输送管、旁通管与过滤体，同时能够便于砾石充填进入到外护套与过滤体之间的空隙，提高防砂效果。

在旁通管安装连接方面，上下接头结构简单，没有复杂的紧固件，不需要额外应用手工操作，连接快速简单，没有安装风险。在上接头、下接头、盖板、旁通管及输送管组成的旁通输送充填流道中，每个接头能使携砂液得到混合，并将其重新分配到5条管路，提高携砂液流动的可靠性。

多流道旁通筛管优化了输送与旁通设置，3根输送管流通面积达到基管流通泄流面积的22.5%，2根旁通充填管在筛管连接时，保证有1根充填管的充填口不被井壁堵塞，从而大大提高充填效率。

1.2 结构

新型多流道旁通筛管主要由基管、过滤体、外保护套、端环、转换体、旁通管、喷嘴、输送管、盖板、上接头、下接头、接箍构成。

新型多流道旁通筛管内部为基管，其尺寸为127 mm。基管外侧为过滤体，基管的两端为上接头与下接头，其螺纹尺寸为168 mm。在过滤体外侧为3根输送管和2根旁通管，5根管均采用扁管的方式，既能增大过流面积，又能减小工具的外径。旁通管整体由短管和喷嘴依次连接组成，喷嘴开口的后端为一个斜面，有利于携砂液向外喷出。输送管和旁通管通过两端的转换体固定于过滤体外侧，上转换体、下转换体通过环焊的方式固定在基管的接箍上（见图1）。多流道旁通筛管的外侧为外保护套，外保护套上对应旁通管的喷嘴位置开有两排孔，便于旁通管喷嘴的安装。

图1　旁通管、输送管示意图

在外保护套的两侧为上盖板和下盖板，2个盖板均插入到转换体上，将5根管子盖住，通过环焊的方式进行固定。通过短节、上接头、上盖板、旁通管及输送管、下盖板、下接头及短节的结构，形成了砾石充填旁通的路径，所设计的多流道旁通筛管总装图如图2所示，实物图如图3所示。

1接箍；2上接头；3上盖板；4上转换体；5喷嘴； 6外保护套；7输送管；8过滤体；9旁通管；10基管； 11下转换体；12下盖板；13下接头；14短节；15 O型圈

图3　多流道旁通筛管实物图

2 多流道旁通筛管测试实验方案设计

2.1 实验目的

多流道旁通筛管应用于长水平段的充填，因此需要对多流道旁通筛管流动摩阻进行验证分析，验证现有多流道旁通筛管结构的适用性，为现场作业提供指导。通过实验模拟现场工况条件下多流道旁通筛管砾石充填效果，结合整体实验分析多流道旁通筛管的5根输送管及旁通管的流量分布，验证旁通充填性能和输送性能[11]。

2.2 实验方案

2.2.1防砂参数及评价指标排量为0.9 m3/min，砂比为0.059 9 g/cm3，砾石采用普通陶粒，粒径为20～40目，携砂液使用清水。

评价指标包括压力（摩阻）的变化、返出流量（流量的分配）及充填效率。

2.2.2实验设备及流程

（1）无砂桥实验设备及流程。自研一套大型全尺寸水平井砾石充填实验模拟系统（见图4），该系统包括主体模拟井筒、加砂装置、泵、储液罐、输送玻璃管、控制面板、数据采集系统、流量计、压力传感器、管路与开关控制阀等。

图4　无砂桥整体实验设备

清水实验：首先，关闭输送玻璃管，以0.2 m³/min为1个阶梯，逐渐增大排量至2.0 m³/min，待每个排量点压力稳定，记录压力、流量数据。然后排量归零，打开输送玻璃管，再次逐步增大排量至2.0 m³/min，每个排量点待压力稳定，记录压力、流量数据。

无砂桥多流道旁通筛管实验：首先，关闭输送玻璃管，用0.059 9 g/cm3的携砂液、0.9 m³/min的排量充填至出现脱砂压力，后打开输送玻璃管，直至完成充填，出现脱砂压力后结束实验。在实验过程中实时记录压力、流量数据，并计算充填效率。

（2）有砂桥实验设备及流程。有砂桥实验设备在多流道旁通筛管筛套的1/3及2/3处设置2个挡板，从而形成2个亏空段，有砂桥整体实验设备如图5所示，性能评价实验现场如图6所示。

图5　有砂桥整体实验设备

图6　有砂桥实验设备性能评价实验现场

有砂桥多流道旁通筛管实验：首先，关闭输送玻璃管，用0.059 9 g/cm3的携砂液、0.9 m³/min的排量充填至出现脱砂压力，后打开输送玻璃管，观察输送玻璃管的充填情况，直至充填完全至脱砂压力后结束实验。实验装置整体耐压2 MPa，因此实验过程中的脱砂压力均未进行到实际的脱砂压力。拆开工装，观察第一段及两段亏空段的充填效果，实验过程实时记录压力、流量数据，并计算各段的充填效率。

3 多流道旁通筛管实验过程及结果分析

3.1 清水实验

清水的流量分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m3/min，记录未连接输送玻璃管与打开输送玻璃管后各流量梯度下的实验数据，结果如表1、2所示。由表1可知，对于未连接输送玻璃管和连接输送玻璃管的清水实验，在流量阶梯上升的过程中，注入口总压力、远端旁通管压力和近端旁通管压力始终较小，流体从四通注入口进入，经过套管和筛管环空，最后从旁通管出口排出，整个过程压力监测点监测数值变化不大，说明清水在该排量下整个流动过程难以起压。由表2可知，在连接输送玻璃管的清水实验中，从输送玻璃管分流的流量随着排量的增大呈阶梯状上升，输送玻璃管返出流量较小，主要流量都是从基管出口处返出。

表1　未连接玻璃管时清水实验的流量及压力

表2　连接玻璃管时清水实验的流量及压力

3.2 多流道旁通筛管输送能力测试

3.2.1多流道旁通筛管常规充填实验柱塞泵的变频调节装置设定频率为45 Hz，流量为0.9 m3/min，关闭工装主体末端输送管阀门，即不连接输送玻璃管的情况下进行加砂循环注入，实时测量并记录清水携砂液压力、流量与时间的关系，结果如图7所示。

图7　未连接玻璃管清水携砂实验压力、流量变化

由图7（a）可知，压力在500 s之后上升，说明砾石充填已经形成了一定的阻力，在注入口压力达到399.852 kPa后上升趋势变缓；当实验进行到1 050 s时，注入口总压力、远近旁通管压力急剧上升，说明充填已经完全完成，流道被堵死。由图7（b）可知，在排量始终为0.9 m3/min的情况下，注入口流量和旁通管输出流量在逐渐降低。

3.2.2多流道旁通筛管输送能力测试实验打开工装末端阀门，在流量、加砂速度不变的情况下，清水携砂液压力、流量随时间的变化如图8所示。由图8可知，在400 s左右脱砂压力迅速升高。

图8　连接玻璃管清水携砂实验压力、流量变化

玻璃管充填过程如图9所示。由图9可知，在玻璃管内可以清晰地观察到清水携砂充填旁通筛管的过程，砾石最先在旁通筛管与玻璃管环空的末端产生堆积，接下来一段时间缓慢向筛管出口处推进，直至将环空充填满，出现脱砂现象。此时，玻璃管入口处压力迅速升高，由于玻璃管承压小，未进行到高脱砂压力。

图9　玻璃管充填过程

工装拆卸后，在四通入口处观测到砾石已经充填满筛管与套管内壁环空，充填状况良好。工装末端套管拆卸后发现，砾石已经堆积充填满环空，充填状况良好，说明充填效果良好（见图10）。拆卸后，测量砾石体积，计算出旁通段充填效率为100.0%，输送玻璃管充填效率为100.0%。

图10　内部充填情况

3.3 多流道旁通筛管砾石充填旁通性能测试

使用内径相当于筛管外径、外径相当于套管内径的圆环形挡板，固定在多流道旁通筛管筛套的1/3与2/3处，中间段和末端段两端不能充填，以此模拟筛管下入井内形成的砂桥。有砂桥多流道旁通筛管充填实验压力、流量变化如图11所示。

由图11可知，在未连接输送玻璃管时开启柱塞泵，将排量设置为0.9 m3/min，直至观察到注入口压力、远端旁通管压力、近端旁通管压力迅速上升，与无砂桥多流道旁通筛管输送能力测试阶段实验特征一致，说明脱砂现象出现，筛管和套管环空充填完成；在450 s时打开连接输送玻璃管阀门，环空流体一部分从输送玻璃管分流，三个压力监测点实时压力下降，输送玻璃管开始充填，直至玻璃管环空被砾石完全充填出现脱砂现象，玻璃管压力开始迅速上升。由于实验工装承压性不好，两次脱砂都未设置较高的脱砂压力。

图11　有砂桥多流道旁通筛管充填实验压力、流量变化

实验结束进行工装拆卸，在加挡板的套管中看到工装起始端和末端充填状况良好，喷嘴及外护套与过滤体之间的环空全部充填了砾石，说明在模拟砂桥的堵塞过程中旁通管的旁通性能良好，过流能力良好（见图12）。

图12　亏空段、喷嘴充填情况

拆卸后，通过测量砾石体积确定旁通段入口端第一段、中间段、末端段充填效率分别为106.0%、91.3%、90.0%，筛管整体充填效率为95.7%，输送玻璃管充填效率为100.0%。若应用普通筛管，中间亏空段及末端亏空段都不能被充填，充填效率仅为33.3%，与多流道旁通筛管相比，常规筛管充填效率提高62.5%。

4 结论

（1）创新设计了新型多流道旁通筛管，通过自研的大型全尺寸水平井砾石充填实验模拟系统进行了实验性能分析。

（5）新型筛管的旁通性测试结果表明，该筛管的旁通性能和输送性能表现良好，砾石充填效率高。

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