李 中，王爾鈞，郭永賓，孟文波，武洪鑫，尹玉超，孔 洋，顧海瑞

1中海石油(中國)有限公司湛江分公司 2東營市瑞豐石油技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司

0 引言

篩管的抗內(nèi)外壓強(qiáng)度是評判篩管使用性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，在篩管的使用過程中，不論是礫石充填過程還是生產(chǎn)采油過程，都有可能產(chǎn)生來自內(nèi)部或外部的壓力，特別是在地層砂堵塞防砂層時，液體流經(jīng)篩管防砂層可能會產(chǎn)生一定的節(jié)流壓差，此時對篩管防砂層的強(qiáng)度是一個很大的考驗(yàn)，如果篩管防砂層承受不住壓力而破裂，地層砂將通過破裂處進(jìn)入油管，即宣告防砂失敗[1-2]。

多流道旁通篩管是針對深水油氣田礫石充填及大位移長水平井段礫石充填容易產(chǎn)生砂橋及堵塞的問題而設(shè)計(jì)的一種帶有旁通管結(jié)構(gòu)的防砂篩管，其結(jié)構(gòu)是在金屬編織網(wǎng)過濾層的外部帶有旁通管，在礫石充填過程中，一旦出現(xiàn)砂橋或堵塞，攜砂液可通過旁通管繞過堵塞部分繼續(xù)向下充填，以確保充填可靠[3-4]。在多流道旁通篩管的測試過程中，發(fā)現(xiàn)多流道旁通篩管的金屬網(wǎng)布過濾層抗內(nèi)壓強(qiáng)度較低，不能滿足使用要求。

為了提高多流道旁通篩管的金屬網(wǎng)布過濾層的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，對多流道旁通篩管的不同金屬網(wǎng)布過濾層結(jié)構(gòu)、不同加工工藝方面進(jìn)行了多次試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同的金屬網(wǎng)布過濾層結(jié)構(gòu)和焊接加工工藝是影響多流道旁通篩管抗內(nèi)外壓強(qiáng)度的主要因素。通過對多流道旁通篩管的試驗(yàn)研究，以優(yōu)化篩網(wǎng)類型選擇和結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高金屬網(wǎng)布型篩管的抗內(nèi)外壓強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

以配制好的試驗(yàn)液體(內(nèi)含比篩管過濾精度大和比篩管過濾精度小的固體顆粒)分別從篩管內(nèi)側(cè)和篩管外側(cè)流經(jīng)篩管過濾層，試驗(yàn)液體中的固體顆粒會慢慢封堵住篩管過濾層，導(dǎo)致流量慢慢減小，壓力慢慢上升，繼續(xù)加壓使篩管破裂[5-8]。

1.2 試驗(yàn)方法

抗內(nèi)壓試驗(yàn)液體走向見圖1。用柱塞泵從篩管內(nèi)部泵入試驗(yàn)液體，待入口出現(xiàn)壓力顯示時，繼續(xù)泵注液體，當(dāng)入口壓力突降或提高排量壓力不再上升時，停止泵入試驗(yàn)液體，此時判斷篩管破裂。拆出篩管并解剖，觀察篩網(wǎng)情況。

圖1 抗內(nèi)壓液體走向示意圖

抗外壓試驗(yàn)液體走向見圖2。用柱塞泵從篩管外部泵入試驗(yàn)液體，待入口出現(xiàn)壓力顯示時，繼續(xù)泵注液體，當(dāng)入口壓力突降或提高排量壓力不再上升時，停止泵入試驗(yàn)液體，此時判斷篩管破裂。拆出篩管并解剖，觀察篩網(wǎng)情況。

圖2 抗外壓液體走向示意圖

該試驗(yàn)方法參考中國海洋石油總公司的標(biāo)準(zhǔn)Q/HS 6007.3—2011《篩管技術(shù)規(guī)范第3部分：金屬網(wǎng)布篩管》,參考抗內(nèi)壓值為≥6.5 MPa，抗外壓值為≥27.5 MPa。

2 試驗(yàn)過程

2.1 使用不同金屬編織網(wǎng)篩管的抗內(nèi)壓試驗(yàn)

國內(nèi)金屬網(wǎng)布篩管常用平紋編織網(wǎng)作為篩管的過濾層，其優(yōu)點(diǎn)是整體制造成本較低，但強(qiáng)度較低；國際上常用的還有斜紋編織網(wǎng)、逆向斜紋編織網(wǎng)等，這兩種編織網(wǎng)編織密實(shí)，空隙均勻，但成本較高，不同編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 不同編織網(wǎng)示意圖

為了研究不同金屬編織網(wǎng)過濾層對篩管抗內(nèi)外壓強(qiáng)度的影響，分別對采用平紋編織網(wǎng)和采用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管進(jìn)行了抗內(nèi)壓測試，測試結(jié)構(gòu)為基管+金屬網(wǎng)布過濾層+旁通管+外護(hù)管結(jié)構(gòu)(見圖4)，篩網(wǎng)搭接焊接工藝為自動電阻焊。

圖4 旁通篩管結(jié)構(gòu)簡圖

測試結(jié)果為：使用平紋網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為1.9 MPa，使用逆向斜紋網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為2.6 MPa，均小于標(biāo)準(zhǔn)參考值6.5 MPa，篩網(wǎng)破裂點(diǎn)均在篩網(wǎng)焊接處[9-10]。分析原因是篩網(wǎng)卷制焊接時，自動電阻焊焊點(diǎn)處的金屬絲熔化降低了整體強(qiáng)度。

2.2 改善焊接工藝的篩管抗內(nèi)壓試驗(yàn)

在對使用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管和使用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管進(jìn)行的抗內(nèi)壓測試結(jié)果分析中，焊點(diǎn)處的金屬絲熔化降低了整體強(qiáng)度是導(dǎo)致篩管抗內(nèi)壓能力低的一個重要原因，因此在不改變篩管結(jié)構(gòu)的情況下，對篩網(wǎng)焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化，主要目的是為了減少編織網(wǎng)金屬絲的熔化對篩網(wǎng)強(qiáng)度的影響，加工工藝由原來的自動電阻焊改為手動點(diǎn)焊工藝，手動點(diǎn)焊相對于自動電阻焊的優(yōu)點(diǎn)在于焊接面積小，焊接熔融對篩網(wǎng)的影響小。首先對采用手動點(diǎn)焊工藝，使用逆向斜紋編織網(wǎng)篩網(wǎng)的篩管進(jìn)行了試驗(yàn)。

測試結(jié)果為：使用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為3.7 MPa，抗內(nèi)壓強(qiáng)度依然小于標(biāo)準(zhǔn)參考值6.5 MPa，篩網(wǎng)漏點(diǎn)不是因?yàn)楹Y網(wǎng)破裂，而是因?yàn)槭謩狱c(diǎn)焊處的焊接強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致焊接處開焊。雖手動點(diǎn)焊工藝制作的篩管的抗內(nèi)壓能力優(yōu)于自動電阻焊工藝制作的篩管，但抗內(nèi)壓能力仍不滿足標(biāo)準(zhǔn)參考值的要求。試驗(yàn)證明不論是自動電阻焊還是手動點(diǎn)焊，都是由于過濾套的強(qiáng)度不足而使篩管產(chǎn)生漏點(diǎn)。

2.3 改善篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的篩管抗內(nèi)壓試驗(yàn)

逆向斜紋編織網(wǎng)已經(jīng)是市面上強(qiáng)度很高的金屬網(wǎng)布，但是采用自動電阻焊和手動點(diǎn)焊的上述結(jié)構(gòu)的篩網(wǎng)仍不能滿足要求，因此在篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了兩種方案:① 增加金屬網(wǎng)布的層數(shù)來提高篩管的抗內(nèi)壓能力;② 緊貼金屬網(wǎng)布過濾層增加一層外護(hù)套，在篩網(wǎng)承受內(nèi)壓時給予篩網(wǎng)一個外部支撐。

2.3.1 增加一層篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的篩管抗內(nèi)壓試驗(yàn)

對增加一層編網(wǎng)的篩管進(jìn)行抗內(nèi)壓試驗(yàn),測試結(jié)果為：使用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為3.1 MPa，使用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為6.2 MPa，抗內(nèi)壓強(qiáng)度依然小于標(biāo)準(zhǔn)參考值的6.5 MPa，原因是篩網(wǎng)強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致篩網(wǎng)刺漏。

增加金屬編織網(wǎng)的層數(shù)確實(shí)可以增加篩網(wǎng)的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，但不能使篩管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度提高到標(biāo)準(zhǔn)參考值以上。此方案不僅增加了成本和加工難度，還會增加篩管外徑，因此不是最佳選擇。

2.3.2 增加一層外護(hù)套結(jié)構(gòu)的篩管抗內(nèi)壓試驗(yàn)

篩網(wǎng)本身的強(qiáng)度相對于同厚度的金屬板強(qiáng)度較低，若緊貼金屬網(wǎng)布過濾層增加一層外護(hù)套(見圖5)，由于外護(hù)套是由金屬板沖孔制成的，其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于金屬網(wǎng)布，在篩網(wǎng)承受內(nèi)壓時，在篩網(wǎng)外部提供一個高強(qiáng)度的支撐，對篩管的抗內(nèi)壓能力的提高會比增加金屬網(wǎng)布層數(shù)更好一些，而且成本要低于繼續(xù)增加金屬網(wǎng)布層數(shù)。

圖5 增加護(hù)套的旁通篩管結(jié)構(gòu)簡圖

對增加外護(hù)套的篩管進(jìn)行了抗內(nèi)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)測試結(jié)果為：使用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力8.8 MPa，使用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗內(nèi)壓能力為12 MPa，抗內(nèi)壓強(qiáng)高于標(biāo)準(zhǔn)參考值6.5 MPa。緊貼金屬網(wǎng)布過濾層增加一層外護(hù)套對篩管的抗內(nèi)壓能力提升了3～4倍，是提高篩管抗內(nèi)壓能力的直接有效措施。

2.4 篩管抗外壓試驗(yàn)

對采用手動點(diǎn)焊工藝并在金屬網(wǎng)布外側(cè)增加一層外護(hù)套的旁通篩管進(jìn)行抗外壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品分別是采用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管和采用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管。

測試結(jié)果為：采用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗外壓試驗(yàn)加壓31.5 MPa，篩網(wǎng)未出現(xiàn)破損，緊貼篩網(wǎng)的外護(hù)套出現(xiàn)變形，但不影響防砂效果；采用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管抗外壓試驗(yàn)加壓38.5 MPa，未出現(xiàn)破損，緊貼篩網(wǎng)的外護(hù)套出現(xiàn)和平紋編織網(wǎng)的旁通篩管一樣的變形，但不影響防砂效果。抗外壓能力均高于參考標(biāo)準(zhǔn)參考值27.5 MPa。

試驗(yàn)結(jié)果分析：由于篩管的金屬網(wǎng)布過濾層內(nèi)側(cè)是緊貼基管的，所以在篩管承受外壓時，基管給予過濾層一個支撐作用，以防止篩網(wǎng)因擠壓變形而發(fā)生破裂。不論是采用平紋編織網(wǎng)的旁通篩管還是采用逆向斜紋編織網(wǎng)的旁通篩管均能達(dá)到抗外壓能力的要求。

2.5 繞絲篩管抗內(nèi)外壓試驗(yàn)

在對旁通篩管的抗內(nèi)外壓試驗(yàn)過程中，對同等過濾精度的繞絲篩管也進(jìn)行了抗內(nèi)外壓試驗(yàn)，為旁通篩管的抗內(nèi)外壓能力的改進(jìn)提供參考，其抗內(nèi)壓強(qiáng)度可達(dá)10～11 MPa，抗外壓強(qiáng)度可達(dá)30 MPa以上。

2.6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比(見表1)可以看出：相同結(jié)構(gòu)類型和焊接工藝的金屬網(wǎng)布篩管，使用逆向斜紋編織網(wǎng)的金屬網(wǎng)布篩管抗內(nèi)壓能力高于使用平紋編織網(wǎng)的金屬網(wǎng)布篩管；改善焊接工藝，減小焊接對篩網(wǎng)的破壞可提高金屬網(wǎng)布篩管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度；增加篩網(wǎng)層數(shù)或增加護(hù)套可顯著提高金屬網(wǎng)布篩管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，且金屬網(wǎng)布外側(cè)增加護(hù)套是提高金屬網(wǎng)布篩管抗內(nèi)壓強(qiáng)度非常有效的手段。對比繞絲篩管的抗內(nèi)外壓測試結(jié)果，經(jīng)過優(yōu)化后的金屬網(wǎng)布篩管抗內(nèi)外壓能力均能達(dá)到或超過繞絲篩管。

表1 篩管抗內(nèi)外壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

(1)金屬網(wǎng)布篩管過濾層所采用的金屬編織網(wǎng)是影響篩管抗內(nèi)壓能力的重要因素之一，高強(qiáng)度的逆向斜紋編織網(wǎng)抗內(nèi)壓能力明顯高于平紋編織網(wǎng)。

(2)金屬網(wǎng)布過濾層的焊接工藝是影響篩管抗內(nèi)壓能力的另一項(xiàng)重要因素，自動電阻焊的焊接熔融程度高于手動點(diǎn)焊工藝，對篩網(wǎng)金屬絲的強(qiáng)度影響較大，所以手動點(diǎn)焊工藝的篩網(wǎng)抗內(nèi)壓強(qiáng)度高于自動電阻焊工藝的篩網(wǎng)。

(3)在金屬網(wǎng)布過濾層外部增加一層緊貼的外護(hù)套，可有效提高篩管抗內(nèi)壓能力3～4倍。

(4)篩管的金屬網(wǎng)布過濾層內(nèi)側(cè)是與基管貼合的，在篩管承受外壓時，基管為過濾層提供支撐以防止篩網(wǎng)因變形而破裂。