匡韶華 柳燕麗

（遼河油田鉆采工藝研究院，盤錦 124010）

機(jī)械濾砂管是油氣井防砂工藝技術(shù)最重要的工具之一。濾砂管擋砂精度也稱作為濾砂管防砂粒徑，是指通過濾砂管的最大顆粒粒徑值，它是影響濾砂管防砂效果重要的技術(shù)參數(shù)之一［1］。但是，一直以來，生產(chǎn)過程中缺乏測試評價濾砂管擋砂精度的標(biāo)準(zhǔn)方法。不同廠家測試濾砂管擋砂精度的試驗方法和試驗條件各不相同，導(dǎo)致測試的數(shù)據(jù)不能進(jìn)行直接對比，給濾砂管的選擇判斷帶來很大困難，影響了最終的防砂效果。因此，有必要尋求一種能夠真實準(zhǔn)確測試出篩管擋砂精度的方法。

濾砂管屬于過濾器的一種，目前關(guān)于過濾器過濾精度的評價已有比較成熟的方法和標(biāo)準(zhǔn)［2，3］。因此，有必要分析過濾精度的測試評價方法，結(jié)合濾砂管的特點(diǎn)，探索適合于濾砂管擋砂精度檢測評價的方法。

為此，本文分析過濾器過濾精度的測試方法，結(jié)合濾砂管防砂機(jī)理，探討適合評價濾砂管擋砂精度的方法。

1 濾砂管擋砂精度測試方法概述與分析

1.1 測試方法概述

濾砂管過濾通道的結(jié)構(gòu)主要有2種類型：一種是縫隙型，如繞絲篩管、割縫篩管等；另一種是孔道型，如金屬網(wǎng)濾砂管、金屬棉濾砂管和金屬纖維燒結(jié)氈濾砂管等。目前，測試濾砂管擋砂精度的主要方法有以下3種：

（1）直接測量法。利用塞尺或游標(biāo)卡尺直接測量篩管的縫寬，并以縫隙寬度值作為濾砂管的擋砂精度。

（2）標(biāo)準(zhǔn)砂篩析法。將標(biāo)準(zhǔn)試驗砂放于篩網(wǎng)表面上，震動篩網(wǎng)，使小于篩管孔徑的砂粒落入篩網(wǎng)下面的收集器中，對收集器中的砂粒進(jìn)行粒度分析，確定通過篩網(wǎng)的最大顆粒粒徑，并以該粒徑值作為由該篩網(wǎng)加工成的濾砂管的過濾精度。

（3）填砂模型試驗法。濾砂管填砂模型裝置如圖1所示。該法模擬了油井出砂狀況和濾砂管實際防砂狀況，先將濾砂管安裝在模擬井筒中，再向井筒中填入一定粒度分布的地層砂，以一定流量注入流體。收集通過篩管流出來的砂粒，對砂粒進(jìn)行粒度分析，確定最大砂粒粒徑，并以此粒徑值作為該濾砂管的擋砂精度［4，5］。

圖1 濾砂管填砂試驗?zāi)Ｐ脱b置示意圖

1.2 分析討論

直接測量法操作簡單，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高。但是該方法只能用來測試縫隙型濾砂管的擋砂精度，不能用于測量孔道型濾砂管的擋砂精度。

標(biāo)準(zhǔn)砂篩析法能測量出篩網(wǎng)的最大孔徑，但是該方法不能作為濾砂管擋砂精度的檢測方法。其主要原因是：一是篩網(wǎng)加工成濾砂管后，孔徑會發(fā)生一定變化；二是該方法只能用于測試過濾介質(zhì)為編織密紋網(wǎng)的濾砂管，不能用于其他過濾介質(zhì)的濾砂管。

填砂模型試驗法模擬了濾砂管油井防砂的實際工況。該方法適用于針對某一區(qū)塊或某口油井進(jìn)行不同篩管的優(yōu)選，但是不適用于篩管擋砂精度的檢測。一方面，填砂模型試驗中，通過篩管的顆粒粒徑不僅受篩管孔徑的影響，同時還很大程度上受到充填砂粒徑、粒度分布、砂粒形狀、流量、黏度等因素的影響。目前關(guān)于填砂模型試驗還沒有標(biāo)準(zhǔn)的試驗評價方法，同一濾砂管在不同試驗條件下測試的結(jié)果是不同的。另一方面，填充在濾砂管外的砂層，由于“架橋”作用，自身形成了一層擋砂屏障，使得所測試的擋砂精度值更大程度地取決于砂層性質(zhì)而不是濾砂管的性質(zhì)。

2 過濾機(jī)理和擋砂機(jī)理

2.1 過濾器過濾機(jī)理

（1）深層過濾［6］。過濾介質(zhì)孔道彎曲細(xì)長，孔道形狀不規(guī)則。顆粒直徑小于過濾介質(zhì)孔道直徑，顆粒進(jìn)入過濾介質(zhì)內(nèi)部。過濾介質(zhì)攔截顆粒的方式主要是吸附作用，包括重力吸附、靜電吸附、布朗運(yùn)動吸附、慣性撞擊吸附。過濾在介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行，介質(zhì)表面基本無濾餅形成。深層過濾機(jī)理見圖2（a）。

（2）表層過濾［6］。顆粒直徑大于過濾介質(zhì)孔道直徑。固體顆粒聚集于介質(zhì)表面，形成濾餅。濾餅形成后，濾餅對其后的顆粒起主要截留作用。顆粒被過濾介質(zhì)攔截的方式主要是網(wǎng)孔直接攔截。過濾介質(zhì)的孔徑大小是影響過濾精度最關(guān)鍵的因素。表層過濾機(jī)理見圖 2（b）。

2.2 濾砂管擋砂機(jī)理

濾砂管的擋砂機(jī)理，與表層過濾類似，主要是利用網(wǎng)孔或縫隙的攔截作用將大于濾砂管孔縫的地層砂擋在濾砂管外面，形成砂層，砂層進(jìn)一步阻止后面的砂粒通過濾砂管孔道或縫隙，而小于孔縫的地層砂則可通過濾砂管，隨油流流出井口［7］。濾砂管的孔道大小和縫隙寬度對擋砂精度起到?jīng)Q定性影響。

圖2 過濾介質(zhì)過濾機(jī)理

3 過濾器過濾精度測試方法概述

3.1 多次通過法

模擬過濾元件在系統(tǒng)內(nèi)的工作條件，讓試驗油液以額定的流量循環(huán)通過過濾元件，同時連續(xù)不斷地向試驗系統(tǒng)注入規(guī)定的試驗粉末，直到被試過濾元件的壓差達(dá)到規(guī)定的極限值。與此同時，在規(guī)定的間隔內(nèi)從過濾元件的上、下游取樣點(diǎn)同時取樣。用顆粒計數(shù)器測定上、下游油樣中不同尺寸的顆粒數(shù)，上游某尺寸顆粒數(shù)比下游同尺寸顆粒數(shù)，比值為β。依據(jù)β值來確定過濾精度，β值可取20，75，200，1 000作為各企業(yè)評定過濾器水平的指標(biāo)，一般β取1 000對應(yīng)的顆粒直徑定為過濾精度。 多次通過法試驗流程如圖3所示。

圖3 多次通過法試驗流程圖

多次通過法符合深層過濾介質(zhì)的過濾機(jī)理，其評價方法科學(xué)合理，已成為液壓過濾技術(shù)的通用標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 懸浮液過濾法

使混有規(guī)定尺寸范圍的玻璃微珠或其他材質(zhì)微珠的懸浮液通過過濾器，小于過濾介質(zhì)孔徑的顆粒通過過濾器，落入下游的一個分析薄膜上。 收集通過的顆粒，用顯微鏡查找最大球顆粒并測量其尺寸，從而確定通過過濾器的最大顆粒粒徑，并將此粒徑值作為過濾精度。懸浮液過濾法適合于表層過濾原理的過濾介質(zhì)。

3.3 氣泡法

國內(nèi)外不少企業(yè)把過濾介質(zhì)的孔徑作為過濾精度，用氣泡法［8，9］檢測過濾介質(zhì)的孔徑是最常用方法之一。這種方法具有儀器簡單、操作方便、測量數(shù)據(jù)重復(fù)性好的特點(diǎn)。

氣泡法測試孔徑大小是基于毛細(xì)管原理，使用對材料具有良好潤濕性的液體（常用的有水、乙醇、異丙醇、丁醇、四氯化碳等）浸潤試樣，使試樣中的開口孔隙達(dá)到飽和，然后以另一種流體（一般為壓縮氣體）驅(qū)替浸入孔隙中的液體，當(dāng)驅(qū)替壓差大于毛細(xì)管力時，氣體將孔隙中的液體推出而冒出氣泡。測量產(chǎn)生氣泡的壓差值，由方程（1）即可計算出對應(yīng)的孔隙半徑：

式中：r—過濾介質(zhì)的孔隙半徑，m；

σ—浸漬液體的表面張力，N/m；

θ—浸漬液體對被測試樣的浸潤角（接觸角/°），當(dāng)完全浸潤時，θ即為 0°；

ΔP—在靜態(tài)下試樣兩面的壓力差，Pa。

常用的一種氣泡孔徑分布測量儀，其測量系統(tǒng)如圖4示意。

圖4 氣泡孔徑測試系統(tǒng)示意圖

氣泡法的測試方法是，依次增大注入氣體的壓力，測量氣體的流量，隨著壓力的增大，試樣中的孔道由大到小依次被打通，滲透介質(zhì)的流量也逐漸增大，記錄不同壓力下對應(yīng)的流量值。

將壓力P和流量Q的對應(yīng)關(guān)系繪成Q-P曲線（見圖 5）。

圖5 壓差—流量關(guān)系曲線圖

依據(jù)式（1），由曲線的起始點(diǎn)對應(yīng)的壓力（即出現(xiàn)第一個氣泡時的壓力）可計算出篩管最大孔徑rmax，由Q-P曲線尾部呈直線處的拐點(diǎn)對應(yīng)的壓力（即全部孔道穿通時的壓力）可算出篩管的最小孔徑rmin。由Q-P曲線中的非線性部分，可得rmax— rmin不同孔徑大小ri值的百分組成，以及孔徑分布?？讖桨大w積分布的計算公式為：

4 濾砂管擋砂精度測試方法分析

多次通過法主要是針對液壓油過濾系統(tǒng)而設(shè)計，適合依靠吸附攔截方式進(jìn)行過濾的過濾介質(zhì)評價，不適用于濾砂管擋砂精度評價。

氣泡法測量的孔徑是過濾介質(zhì)的毛細(xì)管等效最大孔徑，而非實際的幾何孔徑，濾砂管過濾介質(zhì)的孔道大多是不規(guī)則的，因此氣泡法測量的孔徑不能反映濾砂管過濾介質(zhì)的真實孔徑。此外，孔徑雖然很大程度上決定了擋砂精度，但濾砂管的孔縫形狀比較復(fù)雜，影響擋砂精度測量的因素很多。例如，對于采用金屬纖維作為過濾介質(zhì)的防砂篩管 （如金屬棉篩管、金屬纖維燒結(jié)篩管等），由于金屬纖維層富有彈性，砂粒在一定的驅(qū)替壓力下擠壓金屬纖維，迫使孔道發(fā)生變形，從而使大于原始孔道的砂粒也能通過，因此，濾砂管孔徑大小值并不能完全等于其擋砂精度。

濾砂管擋砂精度的測定與濾砂管的使用最好先進(jìn)行模擬。懸浮液過濾法適合作為測試篩管擋砂精度的標(biāo)準(zhǔn)方法，理由如下：懸浮液中的顆粒在一定的流體壓力下通過濾砂管，其試驗原理和方法與濾砂管擋砂機(jī)理和實際使用情況相似，測試結(jié)果為通過濾砂管的最大顆粒粒徑值，該數(shù)值能夠真實反映濾砂管的擋砂精度；懸浮液中的顆粒為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的規(guī)則圓形小球，清除了通過顆粒尺寸偏差和顆粒形狀的影響，測試結(jié)果重復(fù)性和再現(xiàn)性好。該方法可適用于測試任意類型濾砂管的擋砂精度。

但是目前還沒有利用懸浮液過濾法測試濾砂管擋砂精度的標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備，需要結(jié)合濾砂管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制出能夠測試整體濾砂管擋砂精度的測試裝置，并且要統(tǒng)一規(guī)定玻璃微珠規(guī)格及測試的流體和流量。

有些廠家在濾砂管加工生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制不嚴(yán)格，過濾介質(zhì)孔徑可能出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致孔徑大小分布不均勻。此外，在濾砂管的運(yùn)輸過程中，過濾介質(zhì)可能發(fā)生變形、破壞，網(wǎng)孔出現(xiàn)漏洞，這些情況可能造成擋砂精度測試結(jié)果出現(xiàn)誤差。因此，在擋砂精度測試之前，應(yīng)該對濾砂管的孔縫質(zhì)量進(jìn)行檢測，檢測的方法可以采用前面討論的直接測量法和氣泡法。對用縫隙型濾砂管，采用直接測量法測量濾砂管縫隙尺寸；對于孔道型濾砂管，則采用氣泡法測試其最大孔徑和孔徑分布。計算縫隙和孔徑偏差，判斷濾砂管合格后再進(jìn)行擋砂精度的測試。

5 結(jié) 論

目前，缺乏測試油井濾砂管擋砂精度的規(guī)范方法，應(yīng)該盡快確定標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，制定出檢測評價標(biāo)準(zhǔn)，為濾砂管的質(zhì)量檢驗和現(xiàn)場優(yōu)選提供依據(jù)。

懸浮液過濾法與濾砂管擋砂原理相似，測試結(jié)果準(zhǔn)確，且該方法測試結(jié)果重復(fù)性和再現(xiàn)性好，可作為標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法。

需要根據(jù)懸浮液通過法測試原理，研制出能夠測試整體濾砂管擋砂精度的試驗裝置。

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