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石油割缝筛管及其防砂技术研究 魏新芳( 机械电子工程) 指导教师：刘永红( 教授) 摘要 油气井出砂是困扰疏松砂岩油气藏开采的一个主要问题，现有的防砂 工艺和工具大都难以适应中后期出砂严重和粉细砂油井的防砂作业要求， 存在防砂费用高、寿命短、采收率低等问题，如何有效地防止和控制油气 井出砂是当今各石油开采国竞相研究的课题。本文结合油田防砂中最为常 用的防砂工具音0 缝筛管及其防砂技术开展了较为系统深入的研究工作， 并取得了一些创新成果。 针对矩形缝筛管易产生砂堵，梯形缝筛管的缝口易被磨损扩大，影响 防砂效果和使用寿命等问题，借鉴流体力学和机械防砂技术的理论和最新 研究成果，研究开发出了新型复合缝腔割缝筛管。 利用流体仿真软件对矩形缝、梯形缝和新型复合缝在不同情况下的流 阻进行分析，总结出了相应的规律关系，并优化了新型复合缝腔的结构形 状，该种新型缝具有流阻小、抗磨损能力强等优点，相应的割缝筛管已在 胜利、中原等油田得到推广应用，取得良好的防砂工艺效果。 割缝表面的耐腐蚀性能对防砂效果和筛管的使用寿命有很大影响。国 内外学者主要借鉴油套管的腐蚀理论来评估割缝的抗腐蚀性能，因为切割 后缝的表面物理化学性能通常有较大的变化，所以其评估结果往往存在较 大的偏差，针对此问题，本文系统开展了割缝表面的耐腐蚀性的实验研究 工作，并总结出了相应的工艺规律关系，给出了提高割缝表面抗腐蚀性能 的措施。 实验研究了原油流速、携砂粒径、浓度和冲蚀角等对割缝筛管抗冲蚀 性能的影响关系，总结出了相应的规律关系，给出了提高抗冲蚀性能的措 施。 针对适度出砂防砂法，运用多相流理论，建立了出砂周期预测模型， 并用v b 编写了相应的软件实现出砂周期计算及出砂过程的仿真，取得了 较好的结果。 关键词：防砂，流阻分析，腐蚀，冲蚀，冲砂周期预测 r e s e a r c ho ns l o t t e ds c r e e na n di t ss a n d c o n t r o lt e c h n o l o g y w e ix i n f a n g ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i uy o n g - h o n g a b s t r a c t s a n dp r o d u c t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tt o o l st h a tb o t h e rl o o s es a n do i l r e s e r v o i re x p l o i t a t i o n s a n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt o o ld o n ta d a p ts e r i o u ss a n d p r o d u c t i o ni nm i d d l ea n dl a t e rs t a g eo fo i l f i e l dd e v e l o p m e n ta n dp o w d e r ys a n d p r o d u c t i o n p r o b l e m ss u c ha sh i g hs a n dc o n t r o lc o s t 、s h o r ts e r v i c el i f e 、l o w r e c o v e r yr a t i oe m e r g e h o w t op r e v e n ta n dc o n t r o ls a n dp r o d u c t i o ne f f e c t i v e l yi s t h eh o t s p o tt h a ti sb e i n gi n v e s t i g a t e da l lo v e rt h ew o r l d d e e pi n v e s t i g a t i o nh a s b e e nd o n et ot h em o s tp o p u l a rs a n dc o n t r o lt o o l - - s a n ds c r e e na n di t ss a n d c o n t r o lt e c h n o l o g y c r e a t i v ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e ng o t t e n a i m i n ga tp r o b l e mt h a tp a r a l l e l s i d e ds l o ba r ee a s i l yb l o c k e da n do p e n i n g s o ff e a t h e r e ds l o t sa r ee a s i l ye r o d e da n de n l a r g e d ，w h i c hh a v ei n f l u e n c eo ns a n d c o n l r o le f f e c ta n dd u r a t i o na n ds oo n , n e wc o m p o u n ds l o tc o n f i g u r a t i o ns 田啪 h a sb e e nd e v e l o p e dw i t hl e s s o n so f h y d r o d y n a m i c sa n dm e c h a n i c a ls a n dc o n t r o l t h e o r ya n d r e s e a r c ha c h i e v e m e n t s w i t ht h er e f e r e n c eo ff l u i dd y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ，f l o wr e s i s t a n c e o f p a r a l l e l - s i d e ds l o t 、f e a t h e r e ds l o ta n dn e w s l o th a sb e e na n a l y z e di nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t c o r r e s p o n d i n gl a wh a sb e e ns u m m a r i z e d n e ws l o tc o n f i g u r a t i o n h a sb e e no p t i m i z e d t h en e ws l o th a sa d v a n t a g e so fl o wf l u i dr e s i s t a n c ea n d l l i s ha n t i - c o r r o s i o n t h i sk i n do fs a n ds c r e e n sh a v eb e e np r o m o t e di ns b e n g j i 、 z h o n g y u a no i lf i e l d sa n dg e tf a v o r a b l er e s u l t s a n t i - c o r r o s i o no fs l o ts u r f a c eh a sm u c hi n f l u e n c eo ns a n dc o n t r 0 1d u r a t i o n a n ds e r v i c el i f eo fs g i e e n s a n t i - c o r r o s i o no fs l o t si sm a i n l ye s t i m a t e dw i t h r e f e r e n c eo fc o r r o s i o nt h e o r yo ft u b i n g sa n dc a s i n g s b e c a u s ep h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t yo fs l o ts u r f a c eh a sc h a n g e d , i t se s t i m a t i o nr e s u l tu s l l a l l yh a s d e f l e c t i o n r e f e r r i n gt ot h i s ，a n t i - c o r r o s i o ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c hh a sb e e n c a r r i e do u t c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nh a sb e e ns u m m a r i z e d m e a s u r e m e n t st o h n l 竹 o v ea n t i - c o r r o s i o no f s l o ts u r f a c eh a v e b e e ng i v e n ， i n f l u e n c eo f o hv e l o c i t y 、s a n dd i a m e t e r 、s a n dc o n c e n t r a t i o n 、a t t a c ka n g l e o ne r o s i o no fs l o t t e ds c 口o h a sb e e ne x p e r i m e n t a l l yr e s e a r c h e d c o r r e s p o n d i n g r e l a t i o nh a sb e e ns u m m a r i z e d m e a s u r e m e n t st oi m p r o v ea n t i - e r o s i o nh a v eb e e n g i v e n r e f e r r i n gt of a c tt h a tm o d e r a t ep r o d u c t i o ns a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yn e e d s p e r i o d i c a ls a n dw a s h i n gi nw e l lc a s i n g ，p r e d i c t i o nm o d e lo f s a n dw a s h i n gc y c l e i se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt om u l t i p h a s ef l o wt h e o r y c o r r e s p o n d i n gs o r w a r ei s p r o g r a m m e dt oc a l c u l a t es a n dw a s h i n gc y c l ea n ds i m u l a t es a n dp r o d u c t i o ni n v b l a n g u a g e k e yw o r d s ：s a n dc o n t r o l ，a n a l y s i so f f l o wr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o n , e r o s i o n , p r e d i c t i o no f s a n dw a s h i n gc y c l e 中国石油大学( 华东) 硕士论文主要符号表 主要符号表 符号意义符号 意义 m 冲击粒子总质量 d p第二相颗粒直径 v 粒子冲击速度 口 第二相粒子加速度 o i材料的屈服强度 z缝的湿周 v 砂粒沉降末速 a ， 割缝入口面积 d l球形砂粒直径d h 水力直径 p l砂粒密度 r e 雷诺数 p i冲砂液密度 v c维持层流最大流速 g重力加速度 v f平均腐蚀速率 r s球形砂粒半径w o试片原始质量 q冲砂液粘度w i试片腐蚀后的质量 q f m冲砂所需最低排量a t试样面积 t腐蚀时间 b e按深度计的腐蚀率 e筛管缝宽 p金属材料的密度 d s o地层砂粒度中值h最小砾石直径 h缝长 最大砾石直径 d x n 割缝数量 s 缝的开口总面积 ux 轴方向分速度 砂粒自身重力 w 。 1 y 方向分速度 浮力 t f z 方向分速度 f 磨擦阻力 h狭缝宽度 原油的密度 p o 中国石油大学( 华东) 硕士论文主要符号表 符号意义符号意义 p 压力c d 阻力系数 d 割缝筛管直径 t 冲砂周期 p m 混合密度 s原油含砂量 w 冲蚀失重 f 每米筛管外表面积 l 防砂管长度 v砂粒下沉速度 v l液体上返速度 b缝宽 v o原油的运动粘度 k临界流速系数 d s o砾石孔喉直径q 原油日产量 v m质量平均速度 v 曲砂粒自由降落速度 0 4 , 第k 相的体积分数i i m 混合粘性 流量肛 原油粘度 q 相数 一 n o口粒子的加速度 修正后砂粒沉降速一 第二相k 的飘移速 j 度 度 可被带出井筒的砂不规则形状综合校 d m “ a o 正系数粒的最大直径 冲砂液上返流动时 保持砂粒上升的最 av i m 的最大截面积 低速度 直径为d 的砂粒 半对数筛析曲线上 s d在筛析曲线上所占 d j o 累积质量1 0 对应 质量百分数的砂粒直径 直径为d l 的砂粒在 修正后的砂粒沉降 s 山筛析曲线上所占质v 泓 末速 量百分数 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：煎堑基 聊年4 月艿日 导师签名：三丑j k 址叼年尹月 矽日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题背景 本课题为中国石油天然气集团公司石油科技中青年创新基金项目：“双 层预充填可膨胀筛管防砂技术基础及应用研究”的子课题。 随着油田开发的进行，原油的含砂量逐渐增加，对采取的防砂措施要 求也越来越高。防砂方式分为机械防砂、化学防砂及复合防砂，其中机械 防砂是现今应用最广泛的防砂方式。割缝筛管是机械防砂的重要设备，在 机械防砂中占据重要地位。现在对割缝筛管的研究主要集中在割缝尺寸、 角度、排列方式等方面，并取得了一定的进展。割缝缝型方面的研究也有 开展但并不完善。设计并优选割缝缝型成为研究的热点之一。 割缝筛管在井下服役时，一直处在高温、高压及高流速的环境中，且 采油过程中注水量大，水中含有大量的矿物质，对筛管有较强的腐蚀作用。 由于地层砂的存在，筛管受冲蚀造成的质量损失也很大。割缝部位如不能 加强抗腐蚀及磨损的能力，极易造成割缝尺寸的扩大，影响防砂效果，最 终造成防砂失效。研究割缝筛管在实际情况下的腐蚀冲蚀速率，分析形成 这些现象的机理，可以为采取合理的防护措施提供依据，进而指导如何拟 定井下设备防护方案。 粉细砂出砂防砂方法在油田中后期的开发中起到了重要作用，由于其 允许部分砂粒随油流进入井筒内，较好的解决了砂粒堵塞流道，降低采收 率的问题，但砂粒在井筒内逐渐沉积会渐渐挡住射孔炮眼，造成油井减产 直至停产，增加修井费用。开展冲砂洗井周期预测研究，可以及时清理井 筒内的沉积砂，减少修井费用，实现油田的持续开发。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 研究现状综述 1 2 1 割缝筛管研究现状 机械防砂方法可以分为两类1 卅，第一类是仅下入机械防砂管柱的防砂 方法，如绕丝筛管、割缝衬管、各种滤砂管等。这种方法简单易行，施工 成本低。缺点是防砂管柱容易被地层砂堵塞，只能阻止地层砂产出到地面 而不能阻止地层砂进入井简，有效期短，只适用于油砂中值大于o 1 m m 的 中、粗砂岩地层。 第二类机械防砂方法为管柱砾石充填，即在井筒内下入绕丝筛管或割 缝衬管等机械管柱后，再用砾石或其它类似材料充填在机械管柱和套管的 环形空间内，并挤入井简周围地层，形成多级滤砂屏障，达到挡砂目的。 这类方法设计及施工复杂，成本较高；但挡砂效果好，有效期长，成功率 高，适应性广，可用于细，中、粗砂岩地层，垂直并、定向并、热采井等 复杂条件。砾石充填防砂的主要缺点是施工复杂，一次性投入高；若砾石 尺寸选择不当，地层砂侵入砾石层后会增加流入井的阻力，影响防砂后的 油井产能。 割缝筛管1 是在套管或油管上割开一些缝隙，以使油流通过，并将一 定直径的砂粒阻止在筛管外，从而防止砂粒磨损泵和卡泵。割缝筛管最早 是直接利用锯片铣刀在铣床上铣削套管而成，割缝尺寸受铣刀的宽度影响。 其优点是：取材容易，直接以套管为原材料；成本低，通常为绕丝筛管的 3 0 。在油田应用十分广泛。但存在的问题有：矩形割缝的砂堵现象严重， 使用较短时间就可能出现砂堵现象，使用周期短：割缝尺寸受加工工艺的 影响，不能保证与任何砾石匹配，主要应用于砂粒直径较大的地层防砂； 加工外窄内宽的割缝时，费时耗资成本剧增。 随着激光加工【m 1 2 】及新型等离子加工工艺的出现，割缝筛管的加工工 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 艺和成本发生了很大的变化。首先改进了割缝的设计，出现了梯形割缝； 其次，割缝的加工质量得到了提高；割缝筛管的性能得到了提高，成本进 一步降低，其加工精度已超过绕丝筛管，因而应用也更加广泛。 中国石油大学的黄仁美等【”】对割缝筛管在防砂井中受的外挤力作用进 行了分析，计算了井底压力( 包括流体流经砾石层和割缝筛管的压降) ，建 立了筛管割缝参数与割缝条幅弯曲强度及刚度之间的关系式。根据油井产 量、产出液的粘度、筛管强度和刚度条件，分析了割缝筛管的受力，建立 了割缝条幅的受力计算模型，优化设计了合理的缝型参数。存在的问题是： 割缝的几何结构考虑较少，未考虑梯形割缝等特殊形状；所有的计算均以 筛管的一个条幅为计算单元，未考虑割缝间的相互影响问题；未考虑割缝 筛管的布缝方式对筛管强度的影响。 西南石油大学的李宾元等【1 4 1 1 1 5 】采用实验方法研究了割缝的缝腔体积对 原油流经割缝筛管流动阻力的影响。将覆盖砂拱的各种类型的割缝筛管置 于流动实验架上，用柱塞泵使液体流经割缝进入筛管内。在液流出口处， 置有压力传感器，测定流体流经筛管的压力损失。其实验结果表明：缝的 入口宽度、出口宽度、缝腔长度和容积大小对流阻均有影响，其中缝腔容 积对流动阻力影响较大；随着泵入液体的压力升高，各个特征值也随之增 加，但其规律不变；最佳缝型对边界层流的利用达到最佳。 1 2 2 油管钢腐蚀研究现状 随着油田的开发，注水量逐渐增大，油井含水率将不断升高，腐蚀愈 加严重【1 6 】。油田开发中出现了越来越多的深井、超深井，油层埋深达到几 千米，地下的地质条件复杂，油井中含有大量的溶解盐类。含盐量增加， 盐水导电性增大，腐蚀性增大，溶解盐类也可能降低所形成的腐蚀产物的 保护性能。文献【1 刀中提到油田水中存在的矿物质及含量见表1 1 ，油井中 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 p h 值在4 5 之间，井底温度1 2 0 c 1 4 0 。c ，易出现严重的局部腐蚀，腐 蚀速率很高。研究割缝筛管的腐蚀机理，可以得到腐蚀速率，进一步预测 其寿命，为采取适当的防腐措施提供参考。 表i - i 部分油田水体性质 总矿化度 c i 。 油田水型 ( m g l )( r a g l 1 ) 大庆油田n a h c 0 36 0 0 0 9 0 0 0 1 6 0 0 3 5 0 0 胜利油田 n a h c 0 3 、c a c | 21 5 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 4 0 0 0 1 2 8 0 0 0 辽河油田n a h c 0 31 5 0 0 0 2 0 0 0 0 01 4 0 0 0 1 2 8 0 0 0 中原油田 c a c l ，3 0 0 0 0 1 8 0 0 0 0 1 3 0 0 0 1 0 0 0 0 0 江苏油田 n a l - i c 0 3 4 8 0 0 3 3 0 0 01 8 0 0 1 5 0 0 0 克拉玛依油田n a h c 0 3 、c a c h 7 0 0 0 4 9 0 0 02 0 0 2 0 0 0 0 吉林油田n a h c 0 3 6 1 0 02 3 0 0 大港油田n a h c 0 3 、c a c h 3 5 0 0 4 6 0 0 0 华北油田 n a h c 0 3 、c a c l 2 1 3 0 0 1 9 0 0 04 9 0 l l o 青海油田 c a c l ，1 0 0 0 1 7 0 0 0 06 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 玉门油田c a c h 、n a 2 s 0 4 9 0 0 0 江汉油田 n a 2 s 0 4 3 1 0 0 01 8 0 0 0 0 现有的腐蚀研究主要是针对油管钢的高温高压及电化学腐蚀研究。中 国石油管材研究所、北京科技大学、西北工业大学等对油管钢的研究取得 了一定的成果。李建平等【】【1 9 1 利用高温高压釜研究了j 5 5 、n 8 0 、p 1 0 5 等 常用油套管钢在9 0 时的腐蚀速率，发现：随着流速的增加，腐蚀速率先 升后降，流速为1 5 m s 时，材料的腐蚀速率达到最大值；流速为1 s m s ， c r 浓度达到8 8 9 l 时，腐蚀速率达到最高；原油含水率对油管内壁腐蚀速 率影响很大，含油能大大降低材料的腐蚀速率；p h 值对腐蚀速率的影响不 大；随着时间的延长，平均腐蚀速率降低；合金中c r 的含量增加对腐蚀有 一定的抑制作用。 吕祥鸿等【2 0 】对p 1 1 0 、n 8 0 钢的腐蚀电化学行为进行了研究，涉及高温 高压成膜，常压电化学特性的测量等，并分析了实际条件下电极表面反应 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 过程，探讨了高温高压反应机理。主要研究结果：钢试样表面生成的腐蚀 产物膜与金属的腐蚀电位有关；腐蚀反应初期，电极反应受活化控制；腐 蚀反应时间超过4 8h 后，扩散传质过程的影响增大，电极反应由活化和扩 散共同控制；随着反应的进行，腐蚀产物不断在电极表面沉积，腐蚀电动 势逐渐降低，电流密度越来越小，时间超过7 2h 后，腐蚀反应基本稳定， 此时，反应受活化和扩散共同控制。 1 2 3 冲蚀研究现状 冲蚀是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨 损现象。造成冲蚀的因素有很多，一般分为内在因素和外在因素两种。内 在因素主要是材料的硬度、弹性模量及属于脆性材料还是塑性材料，外在 因素有冲击角、粒子尺寸、粒子速度等。各种因素如何影响冲蚀及影响大 4 , f 3 题，研究人员对此持不同的观点【2 l 删。 内在因素的影响： ( 1 ) 硬度 脆性材料具有非常高的硬度，但其耐冲蚀性并不高，仅在冲击动能非 常小时才有较好的耐冲蚀性能。对于韧性材料，一般来说硬度增加，耐冲 蚀性能增加。但也有例外，如钢铁，其硬度在金属材料中比较高，而且通 过热处理提高钢铁硬度对其耐冲蚀性没有效果。因此，用硬度来判断材料 的耐冲蚀性是不准确的。 ( 2 ) 弹性模量 根据f i n n i e 的微切削理论口5 1 ，韧性材料的冲蚀失重量可由下式表示 形( c m 2i t r , ) f ( a 彬” ( 1 - 1 ) 式中，w 为冲蚀失重，c 、n 为常数，m 为冲击粒子的总质量，a ) 为 与冲蚀角有关的函数，v 为冲击速度。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 变量中只有钒( 表示材料的屈服应力) 与材料性能有关，说明在材料 的各种物理量中只有流变应力是决定材料耐冲蚀性能的内在因素。材料的 流变应力是材料开始发生塑性变形时所承受的最小应力，微观上是指临界 切应力。而切应力与材料的弹性模量成正比，因此，推论材料的弹性模量 越高，材料的抗冲蚀性越好。 环境因素的影响： ( 1 ) 冲蚀角 f i n n i e 的实验结果c 2 6 l 揭示了韧性材料和脆性材料在冲蚀过程中随冲蚀 角的变化表现出不同的冲蚀规律，塑性金属材料在小冲蚀角时，冲蚀率有 一峰值。随着冲蚀角的增大，冲蚀率下降。而脆性材料的冲蚀率随冲蚀角 增大而增大，冲蚀角为9 0 。时达到最大值。 ( 2 ) 粒子速度 粒子速度对材料冲蚀率的影响是研究冲蚀机理的重要内容。文献口1 1 认 为 彤= k 矿”( 1 - 2 ) 式中，w 为冲蚀失重，v 为冲击速度，k 和n 均为常数。 冲蚀率与粒子速度呈指数关系，不因粒子种类、材料类型和冲击角大 小而变化，这表明，粒子动能是造成材料冲蚀的主要原因。 ( 3 ) 粒子尺寸 文献【2 刀认为，冲击粒子的粒径降低到一定程度后，材料的冲蚀机制也 发生了变化，即冲击粒子的冲击动能降低将导致冲蚀机制由冲击破碎机制 转变为划伤机制。因此，用动能来描述对脆性材料冲蚀的影响更加确切。 1 2 4 冲砂洗井水力计算研究现状 对于采用水力冲砂洗井的方法清除井内砂粒，正确计算砂粒的下沉速 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 度和冲砂液排量是确保快速、安全、彻底地冲砂洗井的关键。如何正确计 算砂粒的下沉速度是一个长期困扰人们的问题，国内外已经进行了相当长 时期的研究。 ( 1 ) 牛顿一雷廷格计算法【勰】 砂粒的密度与冲砂液的密度不同，因而由于重力的作用，砂粒就会在 垂直方向上产生相对运动，即所谓的沉降运动。砂粒在冲砂液中作沉降运 动时，同时受到重力w 。、浮力t f 和液体阻力f 的作用。众所周知，砂粒在 沉降过程中开始是加速运动的，当阻力、重力和浮力三者达到平衡时，砂 粒的沉降速度将不再增加，这时的沉降速度称之为沉降末速，用v t 表示。 球形砂粒在冲砂液中的沉降末速可用牛顿一雷廷格公式计算，其适用范围 为雷诺数在5 0 0 1 0 5 之间。 v r 一乒警g t ( 1 3 ) 式中，v t 为悬浮于冲砂液中的球形砂粒的沉降末速，m s ；d s 为球形砂 粒直径，m ；p s 为砂粒的密度，g c m 3 ；p i 为冲砂液的密度，g c m 3 ；g 为重 力加速度，取9 8 1 m s 2 。式( 1 - 3 ) 为牛4 卜雷廷格沉降末速计算公式。 ( 2 ) 莫尔计算法 2 9 1 将莫尔沉降末速关系式换算成工程常用单位后，其表达式为 v ，= o 2 9 5 a , 旦刍j n ( 1 4 ) 式中各符号的物理意义同( 1 - 3 ) 式，单位：v t 为r n s ；d s 为c m ；p l 和 p l 为g c m j 。 ( 3 ) 斯托克计算法 3 0 1 半径为r s 的球形砂粒在冲砂液中作沉降运动时，同时受到重力与浮力 的作用，两力之差w 。一t ：4 托t s 3 ( p 。一p 1 ) g 3 ，下沉时所受的阻力f = 6 州r i v 。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 下沉速度v 越大阻力f 也就越大，但砂粒在冲砂液中下沉时不可能无限制 的加速，而是很快的变等速下沉。令w 。一t f - f ，即重力与浮力之差等于阻 力时求出下沉速度，就是该砂粒的沉降末速v 。 u 2 氆产g 。 式中，v t 为砂粒在冲砂液中的沉降末速，c i n s ；r s 为球形砂粒半径，c m ： 1 1 为冲砂液的粘度，p o i s e ：g 为重力加速度，取9 8 i r a s 2 ；其它各符号的物 理意义和单位圊( 1 3 ) 式，( 1 - 5 ) 式称为斯托克定律。 ( 4 ) 刘希圣推导法【3 1 】 砂粒在冲砂液中的下沉速度v t ，可用莫尔提出的公式计算。原公式为 英制单位换算成公制单位后为 三 e ：0 0 7 0 7 生( = 譬z ( 岛玎) 3 ( 1 6 ) 式中，v l 为砂粒在冲砂液中的下沉速度，m s ；t 1 为冲砂液有效粘度， p w m 其它各符号的物理意义和单位同( 1 - 3 ) 式。 ( 5 ) 模拟实验法【3 2 1 冲砂时，为了使液流将砂粒带至地面，液流在井内的上升速度必须大 于最大直径砂粒的自由下沉速度 v i = 1 , 1 - v , o ( 1 - 7 ) 式中，v s 为砂粒上升速度，m s ：v j 为液体上返速度，m s ；v t o 为砂粒在 冲砂液中的自由下沉速度，t r d s 。 玉门油田用石英砂与水所作的模拟实验结果表明：当v l v , o 一- - 1 6 1 7 时，砂粒在上升液流中呈悬浮状态，而当液流上升速度稍增加时，砂粒便 开始上升。因而保证将砂粒带出地面的条件是 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 1 - 8 ) 由表1 - 2 可查得不同直径的砂粒在清水中的自由降落速度v t ，v t 乘以2 便可得出保持砂粒上升的最低速度v l m i n ，从而可求得冲砂洗井所需的最低 排量。 2 3 6 0 0 a v l m ( 1 - 9 ) 式中，q 。i n 为冲砂洗井所需的最低排量m 3 m ；a 为冲砂液上返流动时 的最大截面积( 正冲时为冲砂管柱与套管环空之间的截面积，反冲时为冲 砂管柱内截面积) ，m 2 ；v 晌为保持砂粒上升所需要的最低液流速度，m s 。 表l - 2 密度为2 6 5 的石英砂在清水中的自由沉降速度表 平均砂粒大在水中下降平均砂粒大在水中下降平均砂粒大在水中下降 小( n u n )速度( m s )小( m m ) 速度( m s )小( n a n )速度( m s ) 1 1 90 3 9 31 8 50 1 4 7o 2 0 0o 0 2 4 4 1 0 30 3 6 11 5 50 1 2 7 o 1 5 6 0 0 1 7 2 7 3o 3 d 21 1 9o 】0 30 1 2 6o 0 1 2 0 6 40 2 8 91 0 40 0 9 4o 1 1 60 0 0 8 5 5 50 2 0 7 60 0 7 70 1 1 20 0 0 7 l 4 6o 2 4 00 5 10 0 5 30 0 8o 0 0 4 2 3 50 2 0 90 3 70 0 4 10 0 5 5o 0 0 2 i 2 8o 1 8 l0 3 00 0 3 40 0 3 2o 0 0 0 7 2 30 1 6 7o 2 30 0 2 8 5 o o o l 0 0 0 0 l 为了提高冲砂洗井速度应尽可能提高泵的排量，或减小液流返出截面 积( 为充分利用正循环冲砂洗井的强冲击力和反循环洗井的强携带砂粒能 力，一般采用正冲反洗方式冲砂洗井) ，以保持较高的液流上返速度。 1 3 研究的目的及意义 割缝筛管的缝长、缝宽及缝的排列方式都得到了研究 3 3 “3 7 ，这对割缝 筛管防砂技术的开展有重要意义。割缝筛管缝腔结构受到加工技术的限制， 没有得到深入研究。近来，新加工技术的出现使得割缝筛管缝型的研究有 o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 了更广阔的发展空间。与矩形缝相比，梯形缝对原油的流阻小，且具有“自 洁”作用，摆脱了矩形缝易堵塞的缺点。梯形割缝因此成为现在应用中的 主要缝型。但其也有一定的缺点：梯形缝抗磨损能力差，缝宽易变大，造 成防砂失效；流阻大，采油能耗较高。开发新型复合缝，增加抗磨损能力， 并进一步改善流阻特性，降低采油的能耗，成为研究的趋势。 割缝筛管的防砂作用主要取决于割缝外宽与地层砂粒粒径的对应关 系，将割缝筛管下入井下后。由于其处于复杂的地质环境中，原油及注入 水流速高且含有溶解氧成分，对割缝部位的腐蚀剧烈。割缝筛管加工工艺 的提升使得割缝表面抗腐蚀能力有了很大的提高，开展相应的腐蚀实验研 究，分析腐蚀机理，评估筛管使用寿命，对防砂方法的筛选和实施有重要 意义。 原油中开采中的携砂液对割缝的冲蚀作用显著。如果不采取适当的防 腐措施，将导致割缝的缝宽逐渐增大，势必缩短筛管的使用寿命，最终造 成防砂失效，影响正常的开发进程，增加开采成本。研究割缝筛管的抗冲 蚀能力就是研究其在复杂情况下的冲蚀速率，对比不同因素对冲蚀速率的 影响，分析冲蚀的机理，对预测其使用寿命起到指导性的作用。分析割缝 筛管的冲蚀行为，可以对比其对不同井况的适应能力，预测服役寿命，降 低修井费用。 防治粉砂的适度出砂技术成为当今防砂技术发展的主要方向之一。由 于适度出砂方法允许部分砂粒进入防砂管柱中心管，部分砂粒在中心管内 沉积，形成砂堵影响生产，因此，准确预测油井的冲砂周期对于减少修井 次数，降低生产成本起着关键性的作用。 1 4 课题主要研究内容 ( 1 ) 开发复合型腔割缝筛管。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 ( 2 ) 利用流体分析软件进行仿真并结合现场应用情况，研究不同情况 下矩形缝、梯形缝和复合缝的流阻特性。 ( 3 ) 实验研究筛管割缝表面的腐蚀特性，寻找其腐蚀规律。 ( 4 ) 实验和理论分析基础上，总结割缝在油田液中的腐蚀机理。 ( 5 ) 实验研究割缝筛管在携砂液作用下的冲蚀特性，总结其冲蚀规律 及其冲蚀机理。 ( 6 ) 建立冲砂周期预测模型，并编写相应软件。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章复合型腔割缝筛管设计 第2 章复合型腔割缝筛管设计 割缝筛管防砂完井是种较为简单、实用的完井技术。它克服了绕丝 筛管防砂施工复杂，斜井防砂有效率低的问题，具有防砂工艺简单，操作 方便，成本低等特点。已在各大油田得到广泛应用。 割缝筛管的防砂机理是允许部分能被原油携带至地面的细小砂粒通 过，而把较大的砂粒阻挡在筛管外面，大砂粒在筛管外堆积形成“砂桥”， 达到防砂的目的。割缝的缝型分布及结构，直接影响到防砂的有效期，是 防砂工艺的重要组成部分。缝型结构的好坏还关系到原油的流阻，影响采 油的能耗，是筛管设计的重要一环。深入研究缝型分布及结构并进行优化， 可以降低采油成本，有重要的现实意义。现有的研究m ”1 主要以获得单井 最大产率，制造成本最低为目标，分析割缝的数量、缝宽、布缝方式等方 面，忽略了对缝腔结构的设计与优化。 2 1 割缝筛管设计 2 1 1 筛管割缝尺寸设计 割缝筛管的宽度必须根据油藏地层砂粒度分析数据进行合理选择。 a b r a m s 在研究地层中颗粒运移时提出了著名的l 3 桥堵原理，即固相颗粒 在地层孔喉处形成砂桥的条件是颗粒尺寸为地层孔喉尺寸的1 ，3 ，并对此用 实验给予了证实。 对于割缝筛管防砂来说，1 3 桥堵原理的实质是颗粒在割缝筛管表面的 沉积，在一定条件下砂砾有可能“跨塌”，并随流体冲走。经过大量实验和 研究，桥堵原理得到了修正和完善，提出了l 3 2 ，3 架桥原理，即固相颗 粒尺寸是孔喉尺寸的l ，3 2 ，3 时，能够形成稳定的砂桥。由于割缝管只能 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章复合型腔割缝筛管设计 阻挡中、粗砂粒而不能防细粉砂，考虑生产后期可能放大生产压差进行开 采，推荐筛管割缝宽度按下述公式设计 b s 3 2 如 ( 2 - 1 ) 式中，b 为筛管缝的宽度，m i n ；d 5 0 为地层砂的粒度中值，m i t t 。式( 2 1 ) 确立了筛管防砂时所需的缝宽和充填砂砾的粒径大小。 2 1 2 筛管割缝缝数的确定 根据断裂力学理论，割缝缝长是依据井下应力状态、管径大小和缝眼 的排列方式而定。由于垂直轴向割缝强度低，因此主要采用的是平行轴向 均布割缝。考虑到弯曲、扭转应力，割缝长度越长，对应力场强度因子值 影响越大，为确保筛管的强度和过流面积。缝长l 一般取8 0 3 0 0 m m 。缝 眼数量应在保证筛管强度的前提下，有足够的流通面积。割缝筛管有效面 积= 日产液量油层速敏临界值。割缝筛管割缝数量一般取割缝开口总面积为 衬管外表面积的2 6 ，通常取2 。 口= b h n i e ( 2 - 2 ) 式中，b 为缝宽度，t o n i ；h 为缝长度，m m ；f i 为每米筛管外表面积， m m 2 m ；n 为割缝数量，条m ；岱为割缝总面积占筛管表面积百分数，。 2 1 3 割缝筛管表面缝型和布缝状态设计 田图国 直线墙 b 折线缝 c 曲线疆 图2 - 1 表面缝型结构示意图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章复合型腔割缝筛管设计 图2 - 2 割缝断面缝型结构示意图 缝型结构设计还要确定表面类型和断面缝型。表面缝型分为直线缝、 折线缝和曲线缝三种。断面缝型分为矩形缝、梯形缝等，表面缝型和断面 缝型的结构设计示意图见图2 1 、图2 2 所示。缝型结构的各参数之间，可 通过优化组合得到最佳的设计方案。对比之下，表面的折线缝和曲线缝性 能比直线缝优良，断面的梯形缝比矩形缝性能优良。在管壁的两点间，折 线缝和曲线缝的缝长要大于直线缝，因而过流面积可以增大。直线缝过流 面积为3 左右，而折线缝、曲线缝可达到1 0 以上。梯形缝有“自洁”作 用，即进入到缝腔中的细砂粒，很容易被油流冲走，不易形成砂堵，可显 著地减少流压的损失。 布缝状态设计要确定缝数、缝轴向距、缝周向距、布缝类型和布缝方 向。布缝类型分为平行布缝、交错布缝和螺旋布缝三种。布缝方向分为轴 向布缝、斜向布缝和周向布缝等，布缝类型、布缝方向示意图如图2 - 3 、2 - 4 所示。 平行布缝 图2 - 3 布缝类型示意图 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章复合型腔割缝筛管设计 田园国 图2 - 4 布缝方向示意图 布缝状态的设计不但要考虑地质情况和产量的要求，还必须满足强度 条件、稳定条件等，以保证筛管的作业安全和使用寿命。如筛管的缝越长， 缝数越多则过流面积越大，产量也越高，但此时筛管的强度要减小，寿命 也降低，发生事故的几率也增大，所以设计时必须权衡利弊，达到最好的 效果。 2 2 狭缝流动问题 割缝缝腔长而窄是典型的狭缝结构，如图2 5 所示。流体力学中对此有 相应的研究 3 8 4 0 1 ，流体动力学理论对优化缝型结构有重要意义。狭缝中流 体发生运动的原因，或是由于缝隙两端有压力差，或是由于组成缝隙的壁 面具有相对运动。在流体力学中，前者称为压差流，后者称为剪切流。有 时这两种使流体流动的因素往往并存。 图2 - 5 狭缝流动示意图 主型盔堂! 兰奎! 堡主堡奎 苎! 童墨鱼型壁壹! 丝堕笪塑堡 若两壁面平行，则h 为常数，狭缝中的流体呈平行的层流流动。流体 流动方向为x 轴方向，其速度为u ，而y 、z 轴方向的分速度1 ) 、均可视为 零。重力场中质量力最= o ，s = 一g ，= o 。设流体有粘性，且是不可压缩 的，流动是定常的，此时，连续性方程简化为 罢=o(2-3) 饼 而粘性流体运动方程可写成 材罢= 一刍罢+ ，( 窘+ 雾+ 窘 c 2 4 ， 材面一万言+ ，【万+ 矿+ 可j q 舢 o ：一! 呈一g ( 2 - 5 ) po y o=1oojp(2-6) 口应 根据“无滑移”条件，y = o 处，u = o ；y = h 处，u = o 。如果形成狭缝 的壁面在z 方向的尺寸比h 大得多，则( o u o z ) 为一微小值，可忽略不计， 再考虑到( 2 - 3 ) 式中( a u a x ) 值近似为零，即u 与x 无关，所以u 仅为y 的函数。将( 2 - 5 ) 式积分，可得压力p ，即 p = 一p g y + ，( 功( 2 7 ) 由于狭缝中h 为微量，所以压力p 在y 方向变化不大。所以，此处p 仅为x 的函数。根据以上分析，( 2 - 4 ) 式可写成 f 如d 2 “ 云2 万 ( 2 8 ) 上式左边只与x 有关，而右边仅与y 有关，其左右两边比等于同一个 常数。这样，对上式进行积分后，可得 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章复合型腔割缝筛管设计 舻z l _ 戤d p y 2 + 砂+ b ( 2 9 ) 式中的a 、b 为积分常数，两固体壁均为静止，根据边界条件可求得 b = 0 ( 2 1 0 ) a - - - - 去搴| j l ( 2 - 1 1 ) 2 “出 把a 、b 之值代入( 2 9 ) 式可得 一l z “e 出p ( h - y ) y ( 2 1 2 ) 上式为压差流式的流速分布规律。 压差流时，流体运动的推动力是压力梯度d p d x ，设流道的单位宽度流 量为q ，则 g = r 咖 ( 2 1 3 ) 把( 2 - 1 2 ) 代入上式并积分可得 g ：一娶_ d p ( 2 - 1 4 ) 9 2 一面石 由此可知，在x 方向的流体出流量是与负的压力梯度相对应的，即在 流动方向上压力是递减的。平行固定壁间的流量与间隙值h 的三次方成正 比，h 稍有增大，即会引起流量的显著增加。 2 3 多相流计算方法 f l u e n t 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的软件【4 1 埘】 它可以模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的各种流动。由于采用了多种 求解方法和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能达到最佳的收敛速度和 求解精度。它提供了完整的网格灵活性，并可以使用非结构网格。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章复合型腔割缝筛管设计 f l u e n t 软件具有以下特点： ( 1 ) f l u e n t 软件采用基于完全非结构