稠油熱采期間篩管沖蝕磨損試驗研究

稠油熱采的開發(fā)方法是將高溫液體注入井底，改變儲層的應力狀態(tài)，加劇井砂的可能性。全世界80%的出砂油氣井采用機械防砂技術,篩管是井下防砂關鍵器材,對防砂質量、成本和油井產量等都有很大影響,一旦篩管失效將導致油井出砂停產,使整個防砂作業(yè)失敗。篩管失效除人為因素外,含砂流體對篩管的沖蝕破壞也是導致其失效的一個重要因素,受含砂流體流速、含砂濃度、砂粒粒徑、沖蝕角度等因素影響。國內外對篩管沖蝕開展的相關研究較少,因此,針對篩管的工作環(huán)境及其結構特點,研究其影響規(guī)律,提出了相應的改進措施。1影響因素：主框架侵蝕1.1含砂流體速度海上油田受平臺空間和井槽等各種條件限制,完井主要采用大位移定向井、水平井和水平分支井等,S井最高產液量為556m3/d,射孔層段長度5.1m,孔密16spm,孔徑為11.68mm。生產過程中,在孔道沒有被堵塞的情況下,理論計算孔道流速為0.72m/s。根據(jù)國外試驗研究成果,含砂流體速度在0.09m/s就可以導致篩管沖蝕破壞。因此,在含砂液流長時間不斷沖擊下,篩管就可能發(fā)生沖蝕破壞。針對水平分支井,雖然油井完善程度高,產量高,但是其流量分布不均,絕大部分流量分布在根部,根部附近的篩管沖蝕破壞的可能性增大,若根部附近有分支存在,可以導致高速流體不斷沖刷篩管,最終導致篩管損壞出砂。1.2粒徑對沖蝕速率的影響根據(jù)產出砂粒度分析,原油攜帶細粉砂流向井筒,細粉砂粒徑大小對篩管的沖蝕影響較大。研究發(fā)現(xiàn):在粒徑小于100μm時,隨著粒徑增大,沖蝕速率成正比增加,當粒徑大于100μm時,沖蝕速率趨于平緩,影響不明顯;國內劉永紅教授研究成果表明:當粒徑在100~200μm時,沖蝕與粒徑大小成正比,當大于200μm時,沖蝕速率有緩慢下降趨勢。1.3含砂沖蝕的部位和沖蝕面為1020時,含砂沖蝕面為10國外沖蝕模型和國內劉永紅教授研究成果表明:在沖蝕角度相同情況下,含砂濃度增大,沖蝕率增大,含砂濃度相同時,隨著沖蝕角度增加,沖蝕率增大,最嚴重的沖蝕發(fā)生在與金屬表面角度為90°時,對于液態(tài)載體的流體,有傾斜角時,邊界潤滑作用會保護金屬免受沖蝕,研究表明角度為40°~50°時出現(xiàn)次峰值。2管道侵蝕實驗2.1砂粒質量及砂粒粒徑針對兩種結構不同的篩管,進行了室內試驗研究,試驗參數(shù)如下:基管外徑?139.7mm,擋砂精度150μm,流速3~20m/s,砂粒粒徑50~200μm,含砂濃度0.1%~0.5%,沖蝕角20°~90°。根據(jù)試驗目的,自行研制了一套實驗裝置,裝置主要包括:磨料噴頭、穩(wěn)流筒、調砂器、試件安裝調節(jié)裝置、收集箱、實驗架、噴嘴及試件等。2.2磨料含量控制高壓泵輸送出高壓水經(jīng)調壓閥門,在驅動壓力作用下,通過噴嘴形成高速水射流,并在混合腔內產生一定的真空度,由于在磨料箱與混合腔之間形成一定的壓力差,磨料在自重和壓力差作用下進入混合腔,并與水射流發(fā)生劇烈紊動擴散與摻混,再通過噴嘴形成磨料射流。磨料含量控制是通過多次調節(jié)調砂器的漏砂口孔徑改變漏砂量,并經(jīng)電子計量器稱重標定來實現(xiàn)。噴射速度由流量和噴嘴直徑?jīng)Q定,低速的射流還要由加設的穩(wěn)流筒和三級噴嘴來調制。噴嘴直徑設計見表1。已知水的排量12.85L/min,設含砂濃度為A(%),磨料用量為X(g/min),計算出磨料用量,A=X12.85×103+X,如表2所示。2.3沖蝕試驗試件(1)連接好高壓水管線、磨料管線。(2)安裝好篩管試件,調節(jié)好角度、噴距,接好收集箱。(3)標定好磨料漏砂量,向磨料箱內加入磨料。(4)啟動高壓水泵,調節(jié)好壓力、排量。(5)連接磨料箱處磨料管線,加砂計時開始,進行沖蝕試驗。(6)斷開磨料箱處磨料管線,加砂計時結束,停止沖蝕試驗,觀察測量試件沖蝕損壞情況。(7)若未發(fā)生沖蝕破壞,按(4)和(5)步繼續(xù)進行試驗。(8)降壓,停高壓水泵,觀測試件,實驗結束。2.4試驗結果的分析2.4.1沖蝕敏感性試驗為了驗證沖蝕破壞的可能性,首先在高速流體作用下,對兩種篩管進行沖蝕破壞性試驗。結果表明:在高于100m/s的高速流體沖擊下,兩種篩管均在較短時間內遭到?jīng)_蝕破壞,由于過濾介質和外護套結構的不同,金屬網(wǎng)篩管耐沖蝕能力更強一些。2.4.2含砂濃度對沖蝕的影響在沖蝕角度60°、磨料粒徑150μm、噴嘴流速10m/s和3m/s下,評價不同含砂濃度對沖蝕的影響。見圖1。結果表明:隨著含砂濃度的增加,沖蝕速率也隨之增加,沖蝕破壞時間減少。因此,含砂濃度對兩種篩管的沖蝕影響顯著,濃度越大沖蝕破壞越嚴重,即篩管使用壽命越短,但當含砂濃度大于0.2%之后,沖蝕速率的增加幅度變緩。2.4.3磨料粒徑對沖蝕的影響在沖蝕角度60°、噴嘴流速10m/s和3m/s、含砂濃度0.2%下,評價不同磨料粒徑對沖蝕的影響。見圖2。結果表明:隨磨料粒徑增加,沖蝕速率增大,破壞時間減少,因此,磨料粒徑對兩種篩管沖蝕均有影響,粒徑增大,沖蝕破壞增強,從試驗破壞實物看,小粒徑表現(xiàn)為均勻沖蝕,大粒徑表現(xiàn)為不均勻沖蝕。2.4.4流速對篩管沖蝕的影響在沖蝕角度60°、磨料粒徑150μm、含砂濃度0.2%下,評價流速對篩管的沖蝕影響,結果表明:流速是篩管沖蝕破壞的主要影響因素,在沖蝕程度接近的情況下,隨著流速的增加,沖蝕速率迅速增大,破壞能力增強。見圖3。2.4.5沖蝕評價試驗在磨料粒徑150μm,噴嘴流速10m/s和3m/s,含砂濃度0.2%下,對沖蝕角度進行沖蝕評價試驗。結果表明:當沖蝕角度變化時,作用在篩管上的有效射流也發(fā)生變化,對于金屬網(wǎng)布篩管,沖蝕角度在30°左右下對篩管的沖蝕速率最大,而對于金屬棉篩管,沖蝕角度在50°左右下沖蝕速率最大。見圖4。3抗沖蝕能力分析井底流速、