龐明越

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459）

渤海地區(qū)的油田大部分為稠油油田，隨著以多元熱流體為代表的海上熱采技術(shù)的實(shí)驗(yàn)成功和逐步推廣，稠油熱采方式正越來越多地應(yīng)用[1，2]。在高溫環(huán)境中工作的篩管會(huì)因高溫產(chǎn)生變形，所以篩管過濾層的金屬網(wǎng)布可能會(huì)產(chǎn)生變化，從而可能導(dǎo)致篩管的過濾精度也會(huì)隨之發(fā)生變化[3-5]。惡劣的環(huán)境和下入過程中復(fù)雜的受力情況導(dǎo)致篩管使用壽命嚴(yán)重縮短，因此需要模擬熱采井下環(huán)境條件對(duì)篩管過濾精度的影響，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比和敏感性分析，研究熱采環(huán)境篩管過濾精度受到的影響規(guī)律[6，7]。

本文進(jìn)行了熱膨脹對(duì)金屬網(wǎng)布篩管過濾體過濾精度影響的理論計(jì)算和分析研究，在金屬網(wǎng)布過濾體測(cè)量基礎(chǔ)上，根據(jù)物體受熱膨脹理論進(jìn)行計(jì)算得到了金屬網(wǎng)布過濾體在25～300 ℃溫度范圍內(nèi)的過濾精度值，并與實(shí)際測(cè)量計(jì)算得到的過濾精度進(jìn)行了對(duì)比，此外也對(duì)不同溫度下多元熱流體實(shí)驗(yàn)后的篩管精度進(jìn)行了測(cè)量，得到了溫度對(duì)金屬網(wǎng)布篩管過濾精度的影響規(guī)律。

1 金屬網(wǎng)布過濾精度計(jì)算模型

1.1 金屬網(wǎng)布過濾精度理論計(jì)算模型

金屬網(wǎng)布篩管的過濾層采用金屬絲編織密紋網(wǎng)，其過濾精度計(jì)算模型（見圖1）。

如圖1 建立過濾體直角坐標(biāo)系，x 坐標(biāo)軸垂直于網(wǎng)平面，y 坐標(biāo)軸沿經(jīng)絲平面垂直于經(jīng)絲軸線方向，z坐標(biāo)軸沿經(jīng)絲軸線方向，原點(diǎn)o 位于交叉緯絲的接觸點(diǎn)。設(shè)經(jīng)、緯絲直徑分別為Dx、Dy，相鄰經(jīng)絲間距為a，緯絲和y-z 平面的夾角為α，由文獻(xiàn)[8]中得到金屬網(wǎng)布的過濾精度Ds計(jì)算公式：

圖1 金屬網(wǎng)布篩管過濾體過濾精度計(jì)算模型

1.2 原始金屬網(wǎng)布過濾精度計(jì)算

25 ℃條件下，通過顯微鏡測(cè)量和圖像分析軟件得到原始金屬網(wǎng)布過濾精度計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，a=1 302 μm，Dx=301.5 μm，Dy=197.5 μm，α=16.978°。

將25 ℃條件下，金屬網(wǎng)布數(shù)據(jù)代入到金屬網(wǎng)布過濾精度計(jì)算公式（1）中得到，25 ℃金屬網(wǎng)布過濾精度：

2 金屬網(wǎng)布篩管受熱膨脹后過濾精度的理論計(jì)算

2.1 不同溫度下金屬網(wǎng)布過濾精度及變化

對(duì)于平紋編制密紋濾網(wǎng)，可近似看做四方網(wǎng)格，并計(jì)算其網(wǎng)絲的受熱膨脹量。金屬網(wǎng)布網(wǎng)絲為實(shí)心均勻圓柱，25 ℃條件下，通過顯微鏡觀察得到其緯絲網(wǎng)絲直徑Dy=197.5 μm，緯絲網(wǎng)絲間隙C=199 μm。

金屬網(wǎng)過濾體緯絲材質(zhì)為316L 不銹鋼，在300 ℃下其線膨脹系數(shù)為γ=1.75×10-5/K，緯絲均勻管柱受熱后徑向膨脹，其膨脹示意圖（見圖2）。

圖2 均勻管柱緯絲受熱徑向膨脹示意圖

計(jì)算緯絲管柱受熱徑向膨脹量δR，由公式：

面膨脹系數(shù)γ′為單位面積上面積對(duì)溫度的變化率，即：

式（4）積分得到：

式中：F-原始面積；γ′-面膨脹系數(shù)；ΔT-溫度變化，溫度由25 ℃升到300 ℃。通過式（3）與式（5）聯(lián)立得到：

金屬膨脹系數(shù)中查得的全部為金屬的線膨脹系數(shù)γ，無面膨脹系數(shù)γ′。

面膨脹系數(shù)與線膨脹系數(shù)關(guān)系：

假設(shè)有一塊很薄的矩形平板，其各向的膨脹系數(shù)均不相同，兩個(gè)主方向（x、y）的膨脹系數(shù)分別為α 和β，推導(dǎo)它的面膨脹系數(shù)γ′。

將此矩形平板加熱，設(shè)溫度為t ℃時(shí)，矩形的面積F（t），矩形兩邊長(zhǎng)分別為x（t）及y（t），則F（t）=x（t）y（t）。

面膨脹系數(shù)γ′是指單位面積上面積對(duì)溫度的變化率，則：

假設(shè)平板為x=y=1 的單元體，可得：

面膨脹系數(shù)是線膨脹系數(shù)之和，對(duì)于各向同性體而言，是線膨脹系數(shù)的2 倍，即γ′=2γ，代入?yún)?shù)至式（6）得到：

間隙總縮進(jìn)量為2δR（見圖3）。

圖3 均勻管柱徑向膨脹半徑與間隙縮進(jìn)量示意圖

緯絲間隙總縮進(jìn)量δC為：

加熱后緯絲間隙C'為：

緯絲間隙變化率為：

同緯絲的膨脹類似，計(jì)算經(jīng)絲徑向膨脹變化量δR′：

式中：Dx-經(jīng)絲直徑；F-原始面積；γ′-面膨脹系數(shù)；ΔT-溫度變化，溫度由25 ℃升到300 ℃。

將式（5）與式（13）聯(lián)立：

將金屬網(wǎng)布過濾網(wǎng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)代入式（14）：

則加熱后經(jīng)絲間隙總縮進(jìn)量δC'為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到膨脹后的緯絲與經(jīng)絲的直徑：

經(jīng)絲直徑為：

緯絲直徑為：

得到膨脹后的過濾精度計(jì)算數(shù)據(jù)：

將以上數(shù)據(jù)代入到金屬網(wǎng)布過濾精度計(jì)算公式（1）中得到：

由25 ℃加熱到300 ℃，溫度變化前后過濾精度變化量：

過濾精度變化率為：

2.2 不同溫度下的過濾精度理論計(jì)算值

根據(jù)上述的計(jì)算方法，依次可計(jì)算不同溫度下的過濾精度Ds，具體（見表1）。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，金屬網(wǎng)布過濾精度隨著溫度的升高而稍有降低。

表1 不同溫度下金屬網(wǎng)布過濾精度理論計(jì)算值

3 金屬網(wǎng)布過濾精度實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)用材料為金屬網(wǎng)布篩管，試樣為直徑86 mm的圓片試樣（見圖4）。金屬網(wǎng)布篩管由外護(hù)套、金屬網(wǎng)布、泄流網(wǎng)、金屬網(wǎng)布、泄流網(wǎng)和內(nèi)護(hù)套組成。

圖4 金屬網(wǎng)布篩管樣片示意圖

實(shí)驗(yàn)用溶液模擬生產(chǎn)階段地層產(chǎn)出水水質(zhì)，采用3 L 高溫高壓磁力驅(qū)動(dòng)CO2反應(yīng)釜（見圖5），進(jìn)行金屬網(wǎng)布篩管的多元熱流體實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)前將試樣放入盛有丙酮的燒杯中，在超聲波清洗儀內(nèi)清洗10 min，除掉試樣表面油污，用酒精清洗并用冷風(fēng)吹干。實(shí)驗(yàn)溶液倒入反應(yīng)釜后，用滿足分壓要求的CO2和O2混合氣除氣3 h 后升溫。溫度升至120 ℃后，調(diào)整壓力至實(shí)驗(yàn)設(shè)定的混合氣壓力值，開始計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為120 h。每組實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)平行試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出試樣，經(jīng)清水、酒精沖洗除去浮銹后，冷風(fēng)吹干并拍照。

圖5 高溫高壓釜示意圖

3.2 金屬網(wǎng)布過濾體尺寸變化

金屬網(wǎng)布過濾精度計(jì)算模型，其中過濾精度計(jì)算見式（1），對(duì)觀測(cè)到的不同溫度金屬網(wǎng)布過濾體的經(jīng)絲Dx、緯絲Dy以及相鄰經(jīng)絲間距a 分別進(jìn)行測(cè)量，其中夾角α 值為16.978°，可計(jì)算出不同溫度下的過濾精度。對(duì)不同溫度下的金屬網(wǎng)布過濾體進(jìn)行尺寸的測(cè)量，具體數(shù)據(jù)（見表2）。

表2 金屬網(wǎng)布過濾體不同溫度下實(shí)測(cè)網(wǎng)孔尺寸

從表2 可知，隨著溫度升高，金屬網(wǎng)布網(wǎng)孔橫向長(zhǎng)度和縱向長(zhǎng)度均有變小的趨勢(shì)，25 ℃時(shí)橫向長(zhǎng)度為0.499 mm，300 ℃時(shí)為0.490 mm，二者相差0.009 mm，變化率為1.8%，25 ℃時(shí)縱向長(zhǎng)度為0.199 mm，300 ℃時(shí)為0.190 mm，二者相差0.009 mm，變化率為4.5%。隨著溫度的升高，篩網(wǎng)試樣孔徑橫向和縱向長(zhǎng)度均有下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，金屬絲受熱膨脹使得篩網(wǎng)孔徑減小，但由于受到周圍金屬絲的束縛，導(dǎo)致其變化量較小。

3.3 多元熱流體實(shí)驗(yàn)后金屬網(wǎng)布篩管過濾精度

由金屬網(wǎng)布篩管試樣腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖6）可以看出，外護(hù)套與內(nèi)護(hù)套腐蝕相對(duì)較為嚴(yán)重，且腐蝕產(chǎn)物多富集在開孔處；由于金屬網(wǎng)布為316L 材質(zhì)，腐蝕程度不顯著，但是由于其他部件的腐蝕產(chǎn)物離子在溶液中擴(kuò)散并沉淀或者沉淀后的腐蝕產(chǎn)物移動(dòng)，導(dǎo)致金屬網(wǎng)布或者繞絲局部附著腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物對(duì)金屬網(wǎng)布的網(wǎng)眼或者繞絲的間隙起到一定的阻塞作用。

圖6 實(shí)驗(yàn)后整體照片

使用多元熱流體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)不同溫度下的過濾網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，可得到其過濾精度，具體（見表3）。

3.4 理論與實(shí)驗(yàn)過濾精度對(duì)比分析

通過上述理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算，可得到金屬網(wǎng)布篩管過濾網(wǎng)在理論計(jì)算、實(shí)際測(cè)量及多元熱流體實(shí)驗(yàn)，在25 ℃、60 ℃、90 ℃、120 ℃、160 ℃、200 ℃、240 ℃、260 ℃、300 ℃的過濾精度值，具體（見圖7）。

圖7 金屬網(wǎng)布過濾精度對(duì)比分析

由圖7 可知，不同溫度下的金屬網(wǎng)布過濾精度的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值較吻合。60 ℃時(shí)，理論值為125.376 μm，實(shí)驗(yàn)值為125.224 μm，相差0.152 μm。300 ℃時(shí)理論值為124.879 μm，實(shí)驗(yàn)值為124.170 μm，相差0.709 μm，均在誤差允許范圍內(nèi)。

隨著溫度的升高，實(shí)際測(cè)量、多元熱流體實(shí)驗(yàn)后，金屬網(wǎng)布的過濾精度均下降。實(shí)際測(cè)量，25 ℃時(shí)金屬網(wǎng)布的過濾精度為125.448 μm，300 ℃時(shí)金屬網(wǎng)布篩管的過濾精度為124.170 μm，過濾精度下降1.278 μm，降低了1.02%；多元熱流體實(shí)驗(yàn)，25 ℃時(shí)金屬網(wǎng)布過濾精度為122.116 μm，300 ℃時(shí)金屬網(wǎng)布過濾精度為119.548 μm，過濾精度下降2.568 μm，降低了2.10%。多元熱流體實(shí)驗(yàn)后的過濾精度下降較多，說明過濾精度不僅與溫度有關(guān)也與腐蝕和結(jié)垢有關(guān)。

表3 實(shí)驗(yàn)后單層過濾網(wǎng)不同溫度過濾精度

4 結(jié)論

（1）建立金屬網(wǎng)布篩管受熱膨脹后過濾精度的理論計(jì)算模型，計(jì)算出了25～300 ℃溫度范圍內(nèi)的金屬網(wǎng)布篩管的過濾精度值，25～300 ℃篩管過濾精度變化率為0.454%。

（2）對(duì)井?dāng)?shù)網(wǎng)布篩管過濾網(wǎng)樣片進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，計(jì)算出了不同溫度下的金屬網(wǎng)布篩管的過濾精度值，其結(jié)果與理論計(jì)算值較吻合。

（3）通過多元熱流體實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的金屬網(wǎng)布篩管過濾網(wǎng)樣片，經(jīng)檢測(cè)分析得到其在不同溫度下的過濾精度，與理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值均有較大的降低，說明篩管的過濾精度不僅與溫度有關(guān)，也與腐蝕和結(jié)垢有較大的關(guān)系。