油井濾砂管擋砂精度測試方法探討

匡韶華 柳燕麗

（遼河油田鉆采工藝研究院，盤錦 124010）

機械濾砂管是油氣井防砂工藝技術最重要的工具之一。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準方法。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，導致測試的數(shù)據(jù)不能進行直接對比，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，目前關于過濾器過濾精度的評價已有比較成熟的方法和標準［2，3］。因此，有必要分析過濾精度的測試評價方法，結合濾砂管的特點，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，結合濾砂管防砂機理，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構主要有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）標準砂篩析法。將標準試驗砂放于篩網(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 濾砂管填砂試驗模型裝置示意圖

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。

標準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為編織密紋網(wǎng)的濾砂管，不能用于其他過濾介質的濾砂管。

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。目前關于填砂模型試驗還沒有標準的試驗評價方法，同一濾砂管在不同試驗條件下測試的結果是不同的。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而不是濾砂管的性質。

2 過濾機理和擋砂機理

2.1 過濾器過濾機理

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

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

2.2 濾砂管擋砂機理

濾砂管的擋砂機理，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 過濾介質過濾機理

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，一般β取1 000對應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的過濾機理，其評價方法科學合理，已成為液壓過濾技術的通用標準。

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微珠的懸浮液通過過濾器，小于過濾介質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。

3.3 氣泡法

國內(nèi)外不少企業(yè)把過濾介質的孔徑作為過濾精度，用氣泡法［8，9］檢測過濾介質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)重復性好的特點。

氣泡法測試孔徑大小是基于毛細管原理，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到飽和，然后以另一種流體（一般為壓縮氣體）驅替浸入孔隙中的液體，當驅替壓差大于毛細管力時，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）即可計算出對應的孔隙半徑：

式中：r—過濾介質的孔隙半徑，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，滲透介質的流量也逐漸增大，記錄不同壓力下對應的流量值。

將壓力P和流量Q的對應關系繪成Q-P曲線（見圖 5）。

圖5 壓差—流量關系曲線圖

依據(jù)式（1），由曲線的起始點對應的壓力（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對應的壓力（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。孔徑按體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)而設計，適合依靠吸附攔截方式進行過濾的過濾介質評價，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的毛細管等效最大孔徑，而非實際的幾何孔徑，濾砂管過濾介質的孔道大多是不規(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的防砂篩管 （如金屬棉篩管、金屬纖維燒結篩管等），由于金屬纖維層富有彈性，砂粒在一定的驅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行模擬。懸浮液過濾法適合作為測試篩管擋砂精度的標準方法，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理和實際使用情況相似，測試結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準尺寸的規(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，測試結果重復性和再現(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準儀器設備，需要結合濾砂管的結構特點，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)過程中的質量控制不嚴格，過濾介質孔徑可能出現(xiàn)偏差，導致孔徑大小分布不均勻。此外，在濾砂管的運輸過程中，過濾介質可能發(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果出現(xiàn)誤差。因此，在擋砂精度測試之前，應該對濾砂管的孔縫質量進行檢測，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行擋砂精度的測試。

5 結 論

目前，缺乏測試油井濾砂管擋砂精度的規(guī)范方法，應該盡快確定標準的測試方法，制定出檢測評價標準，為濾砂管的質量檢驗和現(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，測試結果準確，且該方法測試結果重復性和再現(xiàn)性好，可作為標準的檢測方法。

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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