单层金属网布筛网冲蚀磨损规律试验研究

石油机械

—

74

—

CHINA

PETROLEUM

MACHINERY

2021卷

年

第

第6

49

期

V

油气田开发工程

A

单层金属网布筛网冲蚀磨损规律试验研究

*

王典

11

应若蒙

史宝成

1

赵轩康张兴凯

21

伍丽娟

1

蒋子恒

3

(

1.

长江大学石油工程学院

2.

中国石油长庆油田分公司第四采气厂

3.

大连海事大学轮机工程学院

)

王典应若蒙

，，6

，等202149

史宝成 74-81.

，(

.

单层金属网布筛网冲蚀磨损规律试验研究，

.

石油机械

)

:

摘要

：为了明确防砂筛管井下工作时的冲蚀磨损规律

，

采用自制喷射冲蚀试验装置开展了金

属网布筛网堵塞和未堵塞两种工况下的冲蚀磨损规律试验研究

。

利用失质量法分析了固相质量分

数

(

0.3%

、

0.5%

和和和

0.8%

))

、

过流流速

(

1.5

、、

4.0

6.0

m/s

、

颗粒粒径)

(

20

5474

pm

等因素对金属网布筛网冲蚀速率的影响

。：

研究结果表明

未堵塞工况下

，

筛网质量损失随固相质

量分数

、；

过流流速和颗粒粒径的增大而增大

，

且单

、

双层筛网变化规律一致

在不完全堵塞工况

下

，；，，

筛网质量损失随着流量呈指数增长

在完全堵塞工况下

保持筛网出入口压差恒定

筛网平

衡流量随压差的增大而减小，

，

质量损失随压差的增大而增大

；

此外

筛网电镜结果表明未堵塞工

况下筛网受到冲蚀磨损远小于堵塞工况

，

这是因为在堵塞工况下

，

筛网纬丝之间的间隙被粒子堵

塞造成筛网局部过流速度急剧升高，

加速了筛网的局部冲蚀磨损

。

研究结果可以为油田完井过程

中防砂措施的制订提供参考。

关键词

：

防砂筛管

；；

冲蚀

磨损规律

；

金属网布筛网

中图分类号

：

TE358

文献标识码

：

A

DOI

：10.

16082/j.

cnki.

issn.

1001-4578.

2021.06.

011

Experimental

Study

on

Erosion

Wear

Law

of

Single-layer

Wire

Mesh

Screen

Wang

Dian

111 11

Ying2Ziheng3

RuomengZhang

ShiZhaoXuankangWu

Baocheng

Lijuan

Xingkai

Jiang

(

1.Petroleum 〃 of

ofPlant

School Engineering ­

Production Changqing

，

Yangtze

ni©ersityCompa

；Oilfield

2.PetroChina

No.

4Gas

nyEngineering

；

Dalian

3.ni©ersity

Marine

College

ofMaritime

〃

)

Abstract

：ordererosionlawofin­

Inde

to

clarify

the

sanddownholethe

controlscreen

service

，

independently

velopeddevicestudy

jet

erosionerosionof

testwas

usedthethe

towire

carryon

out

experimental

law

mesh

screen

undermethodusedof

theThethethe

conditions

with

andwas

withoutanalyze

blockage.

massfactors

loss

to

effect

like,4.6.

solid

mass ,,

fraction

()

0.velocity

3%

0.0.flow(

5% size

8%

open

(1.5,

0,

0m/s)and

particle

20,

54,

74Theblock-

pm)

onunder

thethecondition

erosionrateofstudy

wire

mesh

screen.

results

show

that

without

age

，increases

thethethe

massof

lossof，flow

screenwithopen

increase

solid

massvelocity

fraction

andparticle

size

，condition

andofandunderincom

thearethe

variation

lawsconsistentof­

single-layer

double-layer

screens

；

plete lossflow­

blockagewith

，increases；under

thethethethecondition

massofexponentiallyof

screen

rate

com

plete ，of

blockagescreenbalance

，flow

whendifference

the

inletis

andoutletof

pressure

thethethe

constant

screen

decreasesdifferencepressure

withofpressure

thethethe

increaseand

，massincreaseof

loss

increaseswith

differenceshow

；

inerosion

addition

，under

thethethethethe

SEM

resultswear

ofof

screensuffered

that

screen

conditionunder

withoutthanis

blockagemuchlessof

is，

that

with

blockageblockage

whichbecause ，

thecondition

theis

clearance

betweenopen

thewiresthethe

screenvelocity

weft

blocked

by

particles

，local

causing

flow

of

screenacceleratinglocalThestudy

to

increasethus

sharply

andresults

thethescreen.

erosionof­

wear

provide

refer

*

基金项目砂泥岩互层开发井防砂优化技术

：(；

““2016ZX05025-002-03)

十三五

”

国家科技重大专项

”

中海油科研项目

“

井下筛管

冲蚀速率及出砂预测方法适应性研究

”

(

CCL2018RCPS0050RSN)(D20171305)

；

湖北省教育厅计划项目

。

20216

年期

第第

49

卷

王典

，

等

：

单层金属网布筛网冲蚀磨损规律试验研究

—

75

—

ences

completion

for

the

formulationsand

measures

of

controlin

oilfield

process.

Keywords

:

sand

control；；

screen

； mesh

erosion

wear

law

wire

screen

为筛网冲蚀的速度指标

，

该过流流速与只考虑平均

0

引言

油井出砂主要发生在弱固结或者未固结的疏松

值的入口速度相比

，

更接近筛网实际冲蚀速度

。

1

试验装置

研究的金属网优质筛管如图

1

所示

。

该筛管挡

砂介质主要由两层金属平纹网

、

两层金属方孔网和出砂一方面会引起砂埋产

砂岩油藏中

［

1

］

,由于油藏所处地层岩石胶结程度

差

，

在开采过程中油气流体容易将疏松岩石颗粒带

入井筒中造成油井出砂

。

层造成油井减产或停产

，

导致油井报废

；

另一方面

会使井筒及下游过流部件产生冲蚀磨损

，

给下游地

面集输设备埋下重大安全隐患

［］

2-3

°

海上油田出砂问题尤为显著

，

因此防砂成为油

田完井过程中的必要措施

［］

4-5

°

基于上述原因

，

国

内外学者进行了大量试验

，

研究不同因素下防砂筛

管的冲蚀磨损机理

。

J.A.

CAMERON

等

［

6

］

综合前人

各类冲蚀试验结果

，

建立了基于流体类型

、

流量

、

固体载荷和粒度分布的冲蚀模型

，

并可根据具体的

完井设计预测故障时间

。

G.

GILLESPIE

等⑺进行

了多组不同速度和含砂质量分数下的冲蚀试验

，

研

究了绕丝筛管和金属网布筛管冲蚀失效问题

。

M.

S.

A.

ZAMBERI

等

［

8

］

进行了冲蚀试验和计算流体

动力学

（

CFD

）

模拟

，

成功地建立了气固两相

CFD

亚侵蚀模型

，

最大限度地降低了冲蚀风险

。

C.D.MCKEON

等

［

9

］

通过试验研究了传统绕丝筛管

冲蚀破坏区域和冲蚀变化过程

，

结果表明冲蚀破

：

坏区域发生在绕丝与支撑肋筋交接区域

，

单位时间

内的比冲蚀率随着冲蚀时间的延长逐渐下降

；

同时

也研究了不同肋筋支撑方式对绕丝筛管冲蚀的影响

,

为绕丝筛管抗冲蚀设计提供了指导

。

邱浩等

［

10

］

针对

目前筛管冲蚀模型在现场应用困难的问题

，

通过大

量的室内试验数据拟合建立了冲蚀质量损失率的数

学模型

，

并根据油田现场实际生产情况进一步简化

模型

。

S.

MONDAL［

等

11

］

提出一种新的方法

，

确定了

金属优质筛网和绕丝筛网之间的固砂差异

。

国内外冲蚀磨损研究结果表明

［

12

］

,防砂筛管

的冲蚀磨损主要与携砂流体的速度

、

固相质量分

数

、

砂粒粒径

、

冲击角度以及冲蚀材料性质有关

。

同时

，

筛管防砂失效由堵塞和侵蚀共同造成

，

而当

前的研究结果大多基于筛网未堵塞工况下获得

，

其

结果与实际生产工况不一致°

因此

，

本文在不同冲

蚀影响因素下对筛网堵塞与未堵塞两种工况下的冲

蚀磨损机理和影响因素规律进行了试验研究

，

研究

中充分考虑网孔堵塞的影响

，

引进筛网过流流速作

支撑网组成

，，

其中方孔网不起挡砂作用

因此在物

理试验中进行简化

，

主要研究金属平纹网的冲蚀磨

损情况

°

图

1

金属网优质筛管

Fig.

1screen

High-quality

pipe

of

wiremesh

筛管冲蚀试验流程如图试验采用自制

2

所示

。

的防砂筛管喷射冲蚀试验装置

［

13-14

］

,该装置由混

砂系统

、、

隔膜混输泵

冲蚀主体装置

、

砂液分离系

统和数据传输系统组成

。

其中混砂系统包括螺旋桨

搅拌器和液位控制水箱

；

砂液分离系统包括振动筛

和收集池

；

数据传输系统包括质量流量计

、

压力传

感器

、

伺服系统和数据采集系统

；

冲蚀主体装置包

括装置入口

、

喷嘴

、

冲蚀试样夹具

、

装置出口和安

全阀

，

如图

3

所示

。

1

——

隔膜混输泵安全阀

;23

；

——

流量计

；

4

入口压力传感

器

;67

5

——

冲蚀装置

；；

出口压力传感器

；8

——

振动筛

—

76

—

1

石油机械

2

34

2021 6

年

第第

49卷

期

筛网堵塞时

，

过流流速难以测定且不稳定

，

故通过

给定流量来确定筛网冲蚀速度

。

试验方案如表

2

和

表

3

所示

。

表

1

未堵塞工况下试验方案

1

—3

装置入口

；—；；

2—5

喷嘴冲蚀试样夹具

安全阀

；

4——

装置出口

。

Table1

Testing without

programunder

the

condition

blockage

固相质量

分数

/%

图

3

冲蚀主体装置示意图

过流速度

//

挡砂精

砂砾密度

Fig.device

3

Main

erosion

(m

-s)-)

-1

粒径

/

pm

度

/

pm

(kg

m

-3

冲蚀试样夹具主要包括密封橡胶垫

、

支撑网

、

0.3

0.5

1.5

、

4.0

、

6.0

1.5

、

4.0

、

6.0

20

、

54

、

74250

20

、

54

、

74250

1

550

1

550

平纹网试样和夹具

。

电子秤采用

FA2004B

型电子

秤

，

测量范围测量精度

0~200

g,

0.000

1

go

试验中采用防砂精度为

250

pm

的金属平纹

网

。

分别在不同过流流速

、

不同固相质量分数以及

不同粒径下进行了

27

组未堵塞工况下的试验

；

在

恒定压差和恒定流量条件下分别进行了

9

组未堵塞

工况下的试验

；

并根据失质量法测得筛网试验后的

质量损失

，

以探寻造成金属筛网冲蚀的主要原因

，

同时进行筛网冲蚀机理分析

。

2

试验步骤与方案

2.

1

未堵塞工况下的试验方案与步骤

通过对前人现有的研究成果进行分析

，

无论是

喷射冲蚀还是过流冲蚀

，

试验都采用进入流速作为

筛网影响因素来进行研究

，

但是针对筛网防砂失效

而言

，

采用进入流速研究具有很强的局限性

。

这是

因为防砂筛网冲蚀失效是伴随着堵塞一并进行的,

当筛网堵塞

、

防砂失效

，

其过流流速会随着筛网堵

塞程度的变化而变化

，

但进入流速为定值不会受到

筛网堵塞程度的影响

，

从而不能准确地反映防砂筛

网冲蚀失效的问题

。

因此本文采用过流流速来作为

金属网筛冲蚀的影响因素

。

不适当的挡砂精度和砂砾粒径会造成筛网严重

堵塞

［［

15-16

］

。

依据

“

三分之一

”

架桥规则

17

］

,即试

验砂粒粒径大于挡砂精度的

％

时

，

防砂筛网便会逐

渐发生堵塞

，，

因此在未堵塞试验工况下

试验砂粒

粒径不能大于

100

pm

。

采用筛析仪逐层筛分选出

3

个砂粒粒径

：

20

、

54

和

74

pm,

共进行

27

组试

验

，

试验方案如表

1

所示

。

2.2

堵塞工况下的试验步骤与方案

在油田实际防砂过程中

，

冲蚀伴随着堵塞共同

发生

，

因此需要通过试验进一步探究堵塞工况下的

冲蚀机制

［

18-19

］

。

试验用砂采用工业石英砂

，

采用

激光粒度分析仪测得粒度中值

D

5113

0

=

pm,

粒度

范围

0

〜

235

pm,

低于

100

pm

占比为

32%

。

由于

0.8

1.5

、

4.0

、

6.0

20

、

54

、

74250

1

550

表

2

堵塞条件下恒定流量试验方案

Table

2

Constant

ratetesting

flow

program

under

thecondition

of

blockage

固相质量

恒定流量砂砾密度

//

D

50

/

挡砂精

分数

/%

(L

・

h

-1-3

)-)

pm

度

/

pm

(kg

m

0.3

850950

、、

11

050550

113250

0.5

850950

、、

11

050550

113250

0.

8

850950

、、

11

050550

113250

表

3

堵塞条件下恒定压力试验方案

Table

3

Constantprogram

pressuredifference

testing

under

thecondition

of

blockage

固相质量

恒定压

D

50

/

挡砂精

砂砾密度

/

分数

/%

力度

/MPa

pm

/

pm

(kg

-)

m

-3

0.3

1.0

、

1.4

、

2.0

113250

1

550

0.5

1.0

、

1.4

、

2.0

113250

2021

年第卷第

49

6

期

王典

，

等

：

单层金属网布筛网冲蚀磨损规律试验研究

—

77

—

图

4

为单

、

双层金属筛网不同过流速度和固相

质量分数下的质量损失图

。

从图

4

可以看出

，

单

、

双层金属筛网随着固相质量分数和过流速度的增

大

，

金属筛网质量损失也增大

。

图、

4

单

双层金属网布筛网不同过流速度和

固相质量分数下的质量损失图

Fig.

4lossdouble-layer

Massof

single-layer

and

wire

mesh

screensflow

at

different

open

velocitiesfractions

and

solid

mass

图

5

为不同条件下双层金属网布筛网的质量损

失图

。

从图

5a

可以看出

，

金属网布筛网过流速度

一定时

，，

随着固相质量分数的增大

筛网质量损失

增大

；，

固相质量分数一定时

随着过流速度的增

大

，

金属网布筛网质量损失增大

。

图

5b

可以看出

,

当粒径小于挡砂精度时

％

，

随着粒径的增大

，

金属

网布筛网质量损失增大

。

试验过后

，，

第

1

层筛网无明显变化

第

2

层筛

网产生了圆形的金属抛光区域

，

如图

6

所示

。

图

7

为筛网试样未堵塞工况下的冲蚀电镜图

。

由图

7

可

以看出

，,

筛网正反面都受到一定程度的冲蚀磨损

但筛网整体挡砂结构未发生破坏

，

冲蚀大多发生在

筛网经丝与纬丝交汇处

，

且交汇纬丝出现对称倾斜

冲蚀凹槽

。

3.

2

堵塞工况下的试验结果分析

试验过程中压差变化如图

8

所示

。

从图

8

可以

看出试验压差呈周期性起伏变化

。

试验开始时

，

筛

网堵塞程度较低

，

堵塞增幅较为缓慢

。

随着试验时

间推移

，，，

筛网堵塞砂桥形成

筛网两侧压差不断

增大

。

随着筛网堵塞加剧

，

筛网两侧压差不断上

升

，

最终将一部分砂砾从网孔挤出

，

形成新的过流

通道

，

使得筛管试样压差快速下跌

。

而后携砂流体

携带新的砂粒不断流入

，

逐渐形成新的砂桥堵塞,

压差又缓慢升高如此循环

，

。

在压差周期性变化的

过程中

，

压出的砂粒与筛网网孔产生切削磨损

，

也

芒

张

聖

*

抵

过流速度

/(m

•

s'

1

)

a.

不同过流速度与质量分数下的质量损失

皿

、

张

聖

*

抵

b.

不同粒径与质量分数下的质量损失

图

5

双层金属网布筛网质量损失图

Fig. mesh

5

Mass

losswire

of

double-layer

screen

图

6

试验后金属网布筛网式样

(

左为第1

层右为第

，

2

层

)

Fig.

6

Wire

meshpattern

screen

after

test

(thethe

1right

st

layer2

on

lefton

，

nd

layer

)

会加剧筛网冲蚀破坏

。

以试验初期压差和流量变化曲线

(

见图

9)

为

—

78

—

石油机械

2021 6

年

第第

49卷

期

累积

，

后期堵塞程度快速增加

。

这种堵塞方式造成

后期筛网过流流速急剧增加

，

过流热点形成

，

筛网

冲蚀加剧

。

3.

2.

1

堵塞条件恒流工况下试验数据分析

依据试验方案进行了

、

850

950

和

1

050

L/h

恒

定流量试验

，

试验所测流量和压差随时间的变化曲

线如图

10

所示

。

金属网布筛网在恒流工况下的质

图

7

未堵塞工况下的筛网冲蚀电镜图

Fig.

7

the

SEM

of

screenerosion

under

condition

without

blockage

图试验过程中压差变化

8

Fig.of

8

Variation

pressuredifference

during

test

图

9

试验初期压差和流量的变化曲线

Fig.9of

Variation

curves

pressuredifference

and

flow

rate

at

earlystage

of

test

试样发生堵塞

，

砂桥形成

。

从图

9

也可以看出

，

试验在

1

000

s

之前压差

变化缓慢

，

堵塞缓慢增加

，

直至

1

000

s

以后

，

堵

塞大幅增加

，

直至试验到达恒压稳定阶段。

由此可

以看出

，

金属网布筛网的堵塞过程是一个前期缓慢

量损失如表

5

所示

。

6

1400

5

1200

4

e

d

w

3

、

糊

m

0

-----------------------------------------------------------------—

—

0

04

2 000

000000000000000

6

8

12

10

时间

/s

a.

流量

850

L/h

1400

7

1200

1000

(

e

1

d

800

.

w

、

糊

m

600

400

200

0

0

200000000000010000

412

68

000

时间

/s

b.

流量

950

L/h

12

10

1400

9

1200

8

7

1000

r

q

6

800

.

5

4

600

3

400

2

1

200

0

0

200000000000010000

412

68

000

时间

/s

c.1L/h

流量

050

图

10

恒流工况下压差与流量的变化曲线

Fig.of

10

Variation

curves

pressuredifference

and

flowflow

rate

under

constant

condition

2021

年第卷第

49

6

期

王典

，

等

：

单层金属网布筛网冲蚀磨损规律试验研究

—

79—

表

5

恒流工况下的双层金属网布筛网冲蚀试验结果

Tableof

5

Erosion

test

results

mesh

double-layer

wire

明显看出

，

金属网布筛网堵塞严重

，

颗粒堆积在筛

网缝隙处

。

由图

13a

可以看出筛网部分堵塞

，

过流

screen

under

constant

flow

condition

固相质量

分数

/%

通道形成

，

过流通道使得这些区域产生过流热点

,

恒定流量

//

D

50

/

密度

(L

・

hm

-1

)- )

8500.

(kg

-3

质量损失/

g

加速筛网冲蚀磨损

。

由图

13b

可以看出金属网布筛

网完全被粒子堵塞

，

堵塞粒子堆积在筛网纬丝之间

区域

，

导致流体几乎无法流通

，

一旦槽孔被比槽孔

0.3

113

1

550009

7

0.3

9505503

1130.025

1

0.3

11

9

050550

113

0.

044

0.5

8501130.025

1

550

9

0.5

9505500

1130.033

1

0.5

11

9

050550

113

0.053

0.8

8500.

113

1

550

031

5

0.8

950550039

1130.

1

4

0.8

11

0505502

113

0.

060

筛网在井下工作时会产生堵塞

，

局部堵塞使得

筛网过流面积减小

，

流速升高

，

局部过流热点产

生

。

从表

5

可以看出

，

局部过流热点的产生加速了

筛网冲蚀

，

筛网质量损失随恒定流量的增大和固相

质量分数的增大而增加

。

从图

10

可以看出

，

恒定流量越大

，

筛网压差

越高

，

压差增加速度越快

。

流量的增加使得砂粒质

量流量提高

，

加速了砂粒在筛网上堆积堵塞的速

度

，

因此筛网试样的压差在相同时间内升高幅度更

大

，

增加速度更快

。

且筛网的质量损失与流量变化

呈现指数关系

，，

流量越大

携砂流体通过筛网局部

过流通道的过流流速越高

，

冲蚀作用更严重

。

3.2

2.

堵塞条件恒压工况下试验结果分析

通过调节入口流量使得入口压力传感器与出口

压力传感器压差维持不变

，

进行了

1.0

、

1.4

和

2.

，

0

MPa

的恒定压差试验

试验所测流量和压差随

时间的变化曲线如图

11

所示

。

恒压工况下金属网

布筛网质量损失如表

63

所示

。

从图可知

11

，

种

压差条件下筛网试样堵塞规律基本一致最终达到

，

一个平衡

。

最终达到平衡时的流量随压差的增大而

减小

，，

且压差越大

筛网质量损失越大

。

这是因为

压差增大使得筛网孔隙过流面积减小

，

流量减小

,

局部流速增大

，

冲蚀质量损失增加

；

且压差增大

,

使得过流颗粒动能增加

，

颗粒冲蚀作用更强

。

图

12

为试验后金属网布筛网试样堵塞情况

。

从图

12

可以看出

，

试验过后第

1

层金属网布筛网

堵塞情况严重

，

且堵塞主要发生在金属网的正面区

域

；

第

2

层金属网基本未发生堵塞

，

即第

1

层防砂

筛网为整个金属网布筛网冲蚀的关键易损部位

。

堵

塞工况下的筛网电镜图如图

13

所示

。可以

从图

13

大的颗粒覆盖

，

出砂就可忽略不计

。

1o

20

1

10

o

1

00

00

O

9

00

00

(

e

8

00

1

d

00

7

00

.

w

糊

、

m

00

6

5

4

—

80

—

石油机械

2021 6

年

第第

49卷

期

表

6

恒压工况下的双层金属网布筛网冲蚀试验结果

Tableof

6results

Erosion

test

mesh

double-layer

wire

screen

under

constant

pressure

condition

固相质量

分数

/%

4

结论

本文通过调研国内外现有试验以及冲蚀影响因

素

，

引进过流流速为金属网布筛网冲蚀影响因素

。

恒定压力

/

D

50

/

密度

/

MPa

pm

(kg

- )

m

-3

质量损失/

g

0.3

0.3

0.3

0.5

1.00.

1.4

2.0

113

113

113

113

1

550

1

550

1

550

1

550

001

1

0.

002