陳　磊

(中油遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)①

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·試驗研究·

割縫篩管力學(xué)性能試驗研究

陳磊

(中油遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)①

目前，國內(nèi)外普遍使用的割縫篩管的縫為矩形縫及梯形縫，前者容易產(chǎn)生砂堵，后者的縫隙存在耐磨蝕性差的缺陷。綜合吸取矩形縫和梯形縫各自的優(yōu)點，研制出新縫型結(jié)構(gòu)的割縫篩管，即，組合縫篩管。對石油套管、矩形縫篩管、組合縫篩管進(jìn)行力學(xué)性能試驗，證明組合縫篩管具備優(yōu)良的性能，能夠替代傳統(tǒng)的矩形縫和梯形縫篩管，滿足完井工程實際工況要求。

割縫篩管；力學(xué)性能；試驗

油、氣井出砂是石油開采遇到的重要問題之一。如果砂害得不到治理，油、氣井出砂會越來越嚴(yán)重，致使油、氣田不能有效開發(fā)[1]。

過去，為了防止油井出細(xì)粉砂，多使用彈性篩管和濾網(wǎng)篩管等空隙類篩管，因其最小縫隙可達(dá)0.10 mm，能最大限度地滿足油井擋砂精度的要求。

截面形狀為矩形的割縫篩管，最小縫隙只能加工到0.25 mm，不能很好地防細(xì)粉砂，其縫隙的自潔能力差，容易被砂礫堵塞，從而影響油井產(chǎn)量，嚴(yán)重時會造成篩管變形或破損，導(dǎo)致油井大修或報廢。對于梯形縫篩管，縫眼的剖面呈對稱梯形。梯形兩斜邊的夾角與篩管的承壓大小及流通量有關(guān)，一般為12°左右[2]。梯形縫隙外窄內(nèi)寬并呈擴(kuò)散形，有利于縫隙自潔，不容易被砂礫堵塞。但是，靠近篩管外緣形成鋒利刃口，容易被流砂磨蝕、變寬，影響濾砂精度。

組合縫篩管截面的縫型是矩形縫和梯形縫的組合。如圖1～2[3]。

圖1　組合縫篩管截面縫型

圖2　組合縫篩管端剖面照片

組合縫篩管靠近外壁是窄的矩形縫段，保留了矩形縫管壁強(qiáng)度高的優(yōu)點，可以提高耐砂礫沖蝕磨損的能力；靠近內(nèi)壁是寬的呈擴(kuò)散狀的梯形縫段，保留了梯形縫“過濾自潔”的優(yōu)點。整個縫隙外窄內(nèi)寬。

外矩形縫的縫寬可達(dá)0.10 mm，縫深可達(dá)1.0～2.5 mm；內(nèi)梯形縫錐度為6～12°[3]。組合縫篩管縫隙尺寸范圍廣，可替代繞絲篩管防細(xì)粉砂。

石油套管的割縫會降低管體強(qiáng)度，截面形狀不同，對管體強(qiáng)度的影響也不同。在深井采油過程中，割縫篩管要承受的載荷主要有井底外擠壓力(井眼不規(guī)則、井壁粗糙或大斜度井完井，管體下入過程中遇阻)、內(nèi)部液體的壓力、軸向拉力、溫度應(yīng)力。其中，軸向拉力和溫度應(yīng)力很小，可以忽略[4]。

本文首先研究壓縮載荷對管體強(qiáng)度的影響，對幾種不同截面縫型割縫篩管與石油套管進(jìn)行壓力比較模擬試驗，宏觀分析塑性應(yīng)變[5]，模擬試驗采用縮短長度尺寸法[6]。還應(yīng)該進(jìn)行擋砂精度、過流能力、抗堵塞能力、抗沖蝕能力等影響防砂效果的試驗[7]。

1　API石油套管的拉伸性能要求

目前，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的石油割縫篩管制造和檢驗標(biāo)準(zhǔn)。本文參考美國石油學(xué)會(American Petroleum Institute)關(guān)于割縫篩管加工的毛坯基管—石油套管標(biāo)準(zhǔn)，即API套管和油管規(guī)范(API SPECIFICATION 5CT NINTH EDITION)標(biāo)準(zhǔn)之一的“拉伸性能”標(biāo)準(zhǔn)。如表1。

表1　API石油套管“拉伸性能”標(biāo)準(zhǔn)

注：按熱處理方式不同，API把石油套管分級，其中，N80Q為全長淬火加回火(包括分級淬火后進(jìn)行控制冷卻)；P110為淬火加回火。

根據(jù)GB/T 246—2007，ISO 8492：1998，金屬管 壓扁試驗方法，在WE-100萬能材料試驗機(jī)及配套設(shè)備上進(jìn)行試驗。

篩管抗壓試驗是檢驗篩管在給定條件下擠壓變形而不出現(xiàn)裂紋缺陷的極限塑性變形能力。原理是垂直于篩管徑線方向?qū)σ?guī)定長度的試樣或篩管端部施加力進(jìn)行擠壓，直至在力的作用下兩壓板之間的距離達(dá)到相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的值。

GB/T 246—2007《金屬管壓扁試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)適用于外徑不超過600 mm，壁厚不超過外徑的15%的金屬管。并且參考GB/T2653—1989《焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗。

2　試樣制備及試驗結(jié)果分析

2.1N80Q組合縫篩管樣管

外徑?177.8 mm，壁厚8.05 mm。外縫寬0.3 mm，外縫深2 mm，錐度6°，縫長45 mm，縫間距30 mm。

2013-08-06，天津市檢測技術(shù)研究所按照GB/T228—2010金屬材料室溫拉伸試驗方法，GB/ T232—2010金屬材料彎曲試驗方法，GB/T246—2007金屬管壓扁試驗方法，在電子拉力試驗機(jī)上對樣管進(jìn)行抗擠壓力學(xué)性能試驗，結(jié)果如表2。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都符合表1所示API石油套管“拉伸性能”標(biāo)準(zhǔn)。

表2　組合縫篩管拉伸性能試驗數(shù)據(jù)

2.2TP110H樣管(外徑?177.8 mm)比較試驗

2014-06-06，遼河油田鉆采工藝研究院稠油鉆采工藝試驗技術(shù)研究中心對4組樣管進(jìn)行抗擠壓力學(xué)性能比較試驗。4組樣管分別是沒有割縫的石油套管、切割矩形縫的篩管、切割縫長為45 mm和縫間距為30 mm的組合縫篩管，切割縫長為30 mm，縫間距為45 mm的組合縫篩管。試驗設(shè)備為WE-100萬能材料試驗機(jī)。該試驗機(jī)能對樣管的拉力、壓力、轉(zhuǎn)矩、密封性等進(jìn)行試驗。最大拉力800 kN，最大承載壓力300 kN，最大扭轉(zhuǎn)力矩6.5 kN·m，試驗壓力25 MPa，行程0～4 m。

圖3　擠壓試驗示意

4組樣管的鋼級為TP110H。具體參數(shù)如表3。

表3　TP110H鋼級樣管幾何參數(shù)

擠壓試驗結(jié)果如圖4。

1-1矩形縫篩管；1-2套管；2-1組合縫縫長30 mm， 縫間距45 mm；2-2組合縫縫長45 mm，縫間距30 mm。圖4　TP110H鋼級樣管壓力變形曲線

由圖4可知：

1)沒有割縫的石油套管，隨著擠壓載荷的增加，管體的變形量也增加。它可以承受較大的擠壓載荷，當(dāng)外載荷超過240 kN后，變形量急劇增大，趨向斷裂。

2)矩形縫篩管，當(dāng)外載荷超過110 kN后，管體變形量急劇增大，趨向斷裂。

3)組合縫篩管(縫長30 mm，縫間距45 mm)，當(dāng)外載荷超過140 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

4)組合縫篩管(縫長45 mm，縫間距30 mm)，當(dāng)外載荷超過120 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

5)力學(xué)性能比較：石油套管>矩形縫篩管>縫長較短、縫間距較長的組合縫篩管>縫長較長、縫間距較短的組合縫篩管。

2.3N80Q樣管(外徑?177.8 mm)比較試驗

試驗設(shè)備為WE-100萬能材料試驗機(jī)，樣管參數(shù)如表4。

表4　N80Q鋼級樣管幾何參數(shù)

擠壓試驗結(jié)果如圖5。

由圖5可知：

1)沒有割縫的石油套管，可以承受較大的擠壓載荷，當(dāng)外載荷超過220 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

2)矩形縫篩管，當(dāng)外載荷超過150 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

3)梯形縫篩管，當(dāng)外載荷超過110 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

4)組合縫篩管，當(dāng)外載荷超過120 kN后，變形量急劇增大，管體趨向斷裂。

5)力學(xué)性能比較：石油套管>矩形縫篩管>組合縫篩管>梯形縫篩管。

1-1矩形縫篩管；1-2 套管； 2-1 梯形縫篩管；2-2組合縫篩管。圖5　N80Q鋼級樣管壓力變形曲線

從2015年開始，組合縫篩管在遼河油田熱采井現(xiàn)場應(yīng)用3井次，平均單井日產(chǎn)液28.7 t，日產(chǎn)油11.3 t，生產(chǎn)狀況良好，并且避免了以前用矩形縫篩管由于砂卡造成的過流面積變小，滲透阻力增大，從而導(dǎo)致產(chǎn)液量降低及篩管變形的現(xiàn)象發(fā)生。

3　結(jié)論

1)盡管材料鋼級不同，但割縫篩管(無論是矩形縫還是組合縫)斷裂極限強(qiáng)度均低于沒有割縫的石油套管。

2)組合縫篩管比梯形縫篩管斷裂極限強(qiáng)度稍高些，但比矩形縫篩管略低一些。

3)組合縫篩管中，縫間距加大，縫長減小，則斷裂極限強(qiáng)度可提高一些。

4)現(xiàn)場應(yīng)用證明組合縫篩管可以替代傳統(tǒng)的梯形縫篩管和矩形縫篩管。

[1]萬仁溥，羅英俊.采油技術(shù)手冊[K].北京：石油工業(yè)出版社，1991：34.

[2]萬仁溥.現(xiàn)代完井工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000：54-59.

[3]楊賀來.一種組合縫篩管加工裝備：中國，CNZL201010136217.7[P].2010-03-31.

[4]尹飛，高寶奎，高宏.基于ANSYS的割縫篩管應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].石油礦場機(jī)械，2011，40(6)：8-10.

[5]徐灝.疲勞強(qiáng)度[M].北京：高等教育出版社，1988：146.

[6]趙少汴.抗疲勞強(qiáng)度[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994：327.

[7]匡韶華，石磊，于麗宏，等.防砂篩管測試技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展探討[J].石油礦場機(jī)械，2013,42(4)：83-88.

[8]李慶輝，陳靜，高福萬.臺階縫篩管擠縫機(jī)：中國，CN201320086126.6[P].2013-02-26.

Experimental Study on Mechanical Properties of Slotted Screen

CHEN Lei

(Drilling&ProductionTechnologyResearchInstitute，LiaoheOilfield，CNPC，Panjin124010，China)

Currently，rectangular slotted screens and trapezoid slotted screens are widely used both at home and abroad.However，the former are very easy to lead to sand plug，while the latter have the shortcoming of bad corrosion resistance.The merits of both the two slotted screens above mentioned were drawn to research and develop a totally brand-new slotted screen with different structure，which is named combinated slotted screen.And after a series mechanical properties tests for casings，rectangular slotted screens and combinated slotted screens，the combinated slotted screens were proved to have very excellent properties，which can be labeled as high-end products .They can be used to replace both traditional rectangular and trapezoid slotted screens to meet the actual engineering requirements.

slotted screen；mechanical properties；test

1001-3482(2016)09-0022-04

2016-03-14

國家科技重大專項“渤海灣盆地遼河坳陷中深層稠油開發(fā)技術(shù)示范工程(二期)”(2011ZX05053)

陳磊(1981-)，男，河南淅川人，工程師，主要研究方向：油井防砂技術(shù)研究與推廣。

TE925.307

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.005