翁成开1 翟晓鹏1,* 施霖钏1 张凤1 江枫1
1.长江大学石油工程学院，湖北武汉，430100
摘要：含砂流体的冲蚀是导致金属筛管筛网致使防砂失效的主要原因之一，目前筛管冲蚀破坏的机理尚不明确，本实验采用自行研制的防砂筛管冲蚀实验装置，对金属网布席状网试样进行冲蚀破坏模拟，通过恒定流量条件下金属网布冲蚀实验，得到筛管堵塞-破坏规律，确定含砂流体对筛网冲蚀破坏防砂失效机理。实验发现：（1）筛管冲蚀破坏是一个局部重复着破坏、堵塞、再破坏再堵塞、在破坏过程，其直至筛网局部完全破坏；（2）筛网在冲蚀前期阶段由于过流流体对筛网丝的冲击，造成网孔直径显著增大，通过确定网孔直径变化规律是确定筛网失效的有效方法。本研究为机械防砂筛管防护设计提供一定的参考指导意义。
关键词： 防砂；筛网；冲蚀；压差；堵塞
Research on screen blocking mechanism based on pressure difference
Chengkai Weng 1， Xiaopeng Zhai1,*， Shi Linchuan1，Feng Zhang 1，Feng Jiang 1
（1.Petroleum Engineering College, Yangtze University, Wuhan, 430100, China）
Abstract: The erosion of high-speed sand bearing fluid is one of the main reasons for the failure of sand control. In this experiment, the sand control screen tube erosion experimental device developed by the sand control laboratory of Yangtze University was used to simulate the production of sheet mesh samples, and the mechanism of sand control failure caused by sand containing fluid damage to the screen was studied. The results show that: screen pipe plugging is a process of local repeated plugging, destruction, re blocking and re destruction until the screen is partially destroyed; and the screen mesh in the early stage of erosion due to the impact of the flow fluid on the screen wire, resulting in a significant increase in the wire diameter, resulting in the reduction of the flow area, promoting the screen plugging process. Therefore, the research on the screen mesh repeated circulation blockage and the wire diameter change process under the erosion of over-flow fluid has certain reference significance in the mechanical sand control and plug removal.
Keywords:Sand control; Screen; Erosion; Differential pressure; Plugging
0 引言
在油田开采生产中，油井出砂普遍存在。砂粒进入井筒会对下流输送管道及部件造成冲蚀磨损，存在严重的安全隐患问题，导致油井减产或者停产，更严重时导致油井报废，直接导致经济效益的降低[1-3]。目前油田普遍应用的防砂技术为机械防砂技术，采用筛管将大于筛管挡砂精度的砂粒挡在防砂管柱之外。但由于筛网在油井含砂流体的作用下发生局部冲蚀破坏且破环严重[4]，筛网的局部破坏导致了筛网的滤砂能力降低，致使防砂失效，减少了筛网的使用寿命。传统的冲蚀磨损的理论及模型中，Finne的微切削理论[5]、Tulsa模型及刘永红模型[6]等理论由于实际环境及考虑冲蚀因素的不同，且由于此类冲蚀磨损理论仅仅从外部条件进行对筛管的影响进行分析（如冲蚀速度、颗粒尺寸、砂粒含量、冲蚀角度和时间参数），未考虑到筛网的实际结构等内因，因此，有一定的局限性且只能在一定条件范围之内解释冲蚀磨损现象[7-9]。但在室内实验中发现，当筛网冲蚀一定时间后，压力突然下降，分析认为此时筛网发生破坏，由此，笔者认为压力变化能够判定筛网防砂失效的临界时间，另从筛网径丝方面对筛网充实失效机理进行研究。
1 实验
1.1 实验材料与介质
席状网试样、夹具、支撑网。砂粒为50目至700目等砂粒，溶液为地层水。
1.2 实验装置
该实验采用长江大学防砂实验室自行研制的防砂筛管冲蚀实验装置，该装置由混砂系统、隔膜混输泵、冲蚀主体装置、砂液分离系统、数据传输系统组成；其中冲蚀主体装置包括装置入口、喷嘴、冲蚀试样、夹具、装置出口、安全阀。
1.3 实验方法
（1）实验前，将所有试样进行扫描电镜测量；随后用电子秤对筛网进行称重,量取三次取平均值；并量取实验所需石英砂备用；将筛网安装至实验装置；接通电源，启动实验装置并打开采集软件采集数据。
（2）初始测试：调节隔膜混输泵的频率，在不加砂情况下采集记录初始压差及流量数据。
（3）①恒定压差实验：实验过程中，通过调节隔膜混输泵的频率控制筛网两侧压差的恒定。②恒定流量实验“实验过程中，通过调节隔膜混输泵的频率控制通过筛网过流流量的恒定
（4）一个实验周期后，保存实验数据，取出筛管试样，清洗，拍照记录，放至烘干箱烘干，再次拍照记录并称重取平均值。
（5）清洗管路设施，重复以上步骤再次实验，将所有试样进行扫描电镜测量。
2 筛网堵塞结果与机理分析
在实验最初的未加砂阶段，筛网没有发生堵塞现象，压差保持着低于0.1MPa状态，加砂后，含砂流体不断地驱替过流，流量逐渐下降，而压差逐渐升高，并且压差呈指数式升高，这说明随着含砂流体的不断过流，砂粒在筛网试样中不断架桥直至发生堵塞，并且此现象说明堵塞过程为砂粒在试样内前期缓慢蓄积，后期急剧累积的过程。
而在筛网试样两侧压差达到1.3MPa时，压差迅速下降，同时其流量也表现为增加，分析认为此时破坏。如图1及图2中在不同流量条件下筛网试样冲蚀质量损失可明细观察，筛网堵塞时，其压差变化一直反复循环着升高、降低、再升高再降低的过程。而分析认为此过程为砂粒在筛网表面反复循环堵塞、破坏、再堵塞、再破坏的过程。
图1控制流量850L/h
图2控制流量950L/h
将实验冲蚀20h的筛网试样进行电镜扫描，如图3，在扫描电镜下可明显观测到，金属丝表面出现明显的“抛光”和明显的变形现象。未冲蚀时，金属丝径平均值为431.80?，冲蚀后，在筛网冲蚀边缘区，其金属丝径平均值为514.43?，在筛网冲蚀中心区金属丝径平均值为553.37?，丝径显著增大19-28％，丝径高度显著降低。分析认为，在冲蚀前期，砂粒冲击在筛网上，打击筛网，促使筛网丝发生塑性形变，其形变结果为筛网丝高度降低，使其丝径增大，导致筛网过流小于挡砂精度的孔径减小，使其过流砂粒的能力减弱，且处于挡砂精度或略小于挡砂精度的砂粒也不能通过筛网，促进了砂粒在筛网内架桥过程。
在实验前期，开始加砂后，砂粒和过流流体具一定的动能撞击筛网，促使筛网丝的高度降低，丝径增大，过流面积减小，其在筛网两侧压差上的反应为压差缓慢升高，随着过流面积的减小，一些略低于挡砂精度的砂粒也无法通过筛网孔径，逐渐在筛网中架桥，故而随着砂粒逐渐架桥，其过流面积越来小，其能够过流的砂粒越来越少，其堵塞程度越来越快。
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图3 冲蚀中心区
3 结论
（1）筛网堵塞过程是一个前期缓慢蓄积，后期急剧累积的过程。
（2）筛管冲蚀是一个动态的堵塞-冲蚀过程，筛网堵塞时，其局部重复着堵塞、破坏形成通道、再堵塞、再破坏的过程，直至局部筛网发生完全破坏。
（3）在初期阶段，由于过流流体对筛网丝的冲击，冲蚀后的丝径显著增大19-28％，致使筛网丝高度降低，丝径增大，导致了过流面积的减小，促进了筛网堵塞的过程。
参 考 文 献
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