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石油防砂割缝筛管冲蚀磨损试验研究 油砂矿床开采是松树砂岩油藏开采的主要问题。这不仅容易导致钻井和气压的坍塌，而且会造成严重的损坏和油气浪费。因此，为了确保油田的稳定和高产，应采取有效措施防止油田砂化。 机械防砂是当今油田最为常用的一种油井防砂方法,目前全世界约有80%的出砂油气井采用该种防砂方法.割缝筛管是机械防砂技术的核心部件之一,对防砂的质量、成本和油井的产量等都有很大的影响,一旦筛管失效将导致油井整个防砂作业的失败.含砂原油对筛管的冲蚀磨损是导致筛管失效的一个主要原因,导致筛管冲蚀磨损失效的主要因素有含砂原油的流速、原油的含砂浓度、砂粒的直径、冲蚀角等,目前国内外油田大都采用通常的塑性材料抗冲蚀磨损的理论来分析研究割缝筛管的抗冲击磨损性能问题,由于筛管在井下的工作环境恶劣,以及特殊的结构特点,直接采用塑性材料抗冲蚀磨损的理论来分析研究割缝筛管,其结果的可靠性和准确性通常难以达到满意的效果.针对上述情况本文对含砂原油的流速、原油的含砂浓度、砂粒的直径、冲蚀角等对割缝筛管的抗冲击磨损性能进行了试验研究,总结出了相应的规律关系,为油田现场割缝筛管的应用奠定了良好的理论与工艺基础. 1 实验部分 1.1 砂粒的制备试验 采用自制的石油防砂割缝筛管微细等离子切割设备在外径为?88.9 mm、壁厚6.45 mm、材料为N80的油管上切割出0.20 mm宽的缝.然后,再用电火花线切割机床从割缝筛管上切割出一块80 mm×20 mm的样块,其上中间位置有一条60 mm×0.20 mm的缝.加工好的试样各部位被彻底清洗后,送进烘箱进行烘干,然后采用电子分析天平进行称重,以备试验.试验中原油流速的变化范围是3～15 m/s,砂粒直径变化范围0.1～0.6 mm,砂粒浓度的变化范围是2%～12%,冲蚀角的变化范围是30°～90°. 1.2 试样及测试方法 石油防砂割缝筛管的冲蚀磨损试验在自行研制的试验装置上进行,该装置的结构原理如图1所示.图1中喷嘴的内径为8 mm,喷嘴距试样表面的距离为10 mm,试样通过专用夹具被安装在角度调节器上,试验用原油的黏度为10 mPa·s,所用砂粒为石英砂,原油和石英砂在混合搅拌箱中混合后被泵出,所泵出的含砂原油经过供液管道、流量控制阀、流量计和喷嘴后被喷射到割缝筛管的样件上.由流量控制阀控制流量、流量计测量原油的流量,每次的试样都要通过严格清洗、烘干后才能进行测量,割缝筛管的冲蚀磨损量采用赛多利斯BS224S电子分析天平测量,割缝筛管冲蚀后的形貌通过LW200-4CS数码倒置金相显微镜观察、拍摄. 2 结果与讨论 2.1 含砂原油流速对割缝筛管冲蚀磨损率的影响 图2为原油的流速对割缝筛管冲蚀磨损率的影响关系曲线.由图2可以看出,在其他条件一定的情况下,割缝筛管的冲蚀磨损率随着含砂原油流速的增大成指数关系增加.图3为不同流速下割缝筛管缝入口处的显微镜照片,由图3可以看出,在流速为8 m/s时,缝口的冲蚀作用大于流速3 m/s时的情况. 2.2 砂粒粒径对冲蚀损率的影响. 图4为砂粒的直径对割缝筛管冲蚀磨损率的影响关系曲线.由图4可以看出,在其他条件不变的情况下,割缝筛管的冲蚀磨损率先是随着砂粒直径的增加而增加,达到一定数值后砂粒直径再增加,割缝筛管的冲蚀磨损率反而降低.造成此种现象的主要原因是:流速一定的流体,其携砂能力一定,即其使砂粒具有的最大动能一定,因此,在特定流速下,存在相应的砂粒粒径使其对筛管的冲击作用最大;另外当砂粒直径大于割缝的宽度后,砂粒不能进入割缝中对缝表面进行冲蚀磨损,这些大的砂粒易在缝外形成砂桥,减缓后续砂粒的冲蚀磨损作用.因此,当砂粒的直径增加到一定数值后再增加,割缝筛管的冲蚀磨损率反而下降.图5为不同砂粒直径下割缝筛管缝入口处冲蚀磨损的显微镜照片,由图5可以看出,直径为0.60 mm的砂粒对割缝筛管缝口的冲蚀磨损作用大于直径为0.125 mm的砂粒的作用. 2.3 砂粒浓度不影响 图6为砂粒浓度对割缝筛管冲蚀磨损率的影响关系.由图6可以看出,在其他条件一定的情况下,割缝筛管的冲蚀磨损率先是随砂粒浓度的增加而增加,达到一定值后随砂粒浓度的增加而减小.造成此种现象的主要原因是砂粒浓度较小时,增加砂粒浓度单位时间内砂粒冲蚀磨损割缝筛管割缝的数量增加,因而割缝筛管的冲蚀磨损率增加;流体流速值一定时,流体携带砂粒的能力也一定,砂粒浓度继续增加时,流体不能提供给砂粒足够多的能量,砂粒之间相互碰撞,反而降低砂粒的能量;此外当砂粒的浓度过大时,易在缝外形成砂桥,减缓后续砂粒对割缝筛管的冲蚀磨损作用,上述因素综合作用导致砂粒浓度增加到一定数值后再增加时,割缝筛管的冲蚀磨损率反而减小. 2.4 冲蚀角的影响 地层中原油由射孔炮眼流入割缝筛管割缝,射孔炮眼与割缝的相对角度通常为90°,由于井眼轨迹的变化