CN102146783B - 鼠笼式v形直丝筛管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种鼠笼式V形直丝筛管，用于油气井和煤层气井防砂，特别是具有井液调速和自清洁功能。它是由筛管接箍、基体、环筋、上下环箍以及直丝筛管套组成，基体中间的变截面通道，实现井液流速的一次调节，筛管接箍内部的变截面阶梯回转体通道可减小应力集中并实现井液流速的二次调节；相邻层环筋间形成的缝隙呈梯形，可避免颗粒聚集于缝隙中，具有自冲洗功能；相邻直丝间形成的筛缝呈梯形，可避免颗粒卡死在缝隙内，具有筛缝自清洁作用，不锈钢直丝可有效解决打捞难和绕丝易脱层的问题；直丝筛管套的外环面呈V形，可保证大颗粒及时沉积到井底，具有直丝自清洁作用，同时可有效增大井液通过筛缝的流通面积，减少直丝与套管内壁发生碰撞的概率。

Description

鼠笼式V形直丝筛管

技术领域

本发明涉及一种油气井开采和煤层气井排采中井下机械防砂器具，特别是涉及一种具有滤砂、滤煤粉、调节井液流速和自清洁功能的直丝筛管。 

背景技术

我国及世界上其他国家疏松砂岩油气藏分布广泛，油气井出砂已经成为困扰疏松砂岩油气藏开发的主要因素之一，另外，煤层塑性变形大，煤质较脆，储层不均一性强的特点，造成煤层气井产出煤粉问题严重，油气井出砂和煤层气井出煤粉会引起井壁坍塌而损害套管，并造成井筒举升设备严重腐蚀磨损、砂卡和砂埋，从而缩短检泵周期，增加开采成本。目前，油气井开采和煤层气井排采均使用的是采油采气方面的技术和经验，90％以上的油气井和煤层气井采用的是机械滤砂管进行防砂和防煤粉，通常用的机械滤砂管防砂法有绕丝筛管法、割缝衬管法、机械滤砂管+砾石充填法等，其中，绕丝筛管和割缝衬管防砂法是将滤砂管用管柱和辅助工具悬挂于井下，允许地层井液通过但可以阻挡地层砂和煤粉等固体颗粒，绕丝筛管是将不锈钢绕丝缠绕在钻有防砂孔的钢管上而形成的，其优点是工艺简单，操作方便，工作寿命长，但造价高，是割缝衬管的2～3倍，自清洁性较差，一旦大粒径的颗粒进入通道，便集结在通道内，而且耐腐蚀性差，影响防砂效果和采收率；割缝衬管是直接使用锯片铣刀在铣床上铣削套管而成的，其优点是操作方便，易于施工且成本较低，但最小缝宽仅为0.3mm左右，适用固体颗粒范围较小，且防砂有效期短，效果差，缝眼容易被细颗粒堵塞和磨损。机械滤砂管+砾石充填防砂法是将机械滤砂管下入井内，用一定质量的流体携带地面选好的砾石，充填于筛管和套管之间，形成一定厚度的砾石层，阻止固体颗粒流入井内，这种方法砾石层强度高，防砂时间长，效果较好，但是这种管层预填充方法在阻挡固体颗粒的同时，也增加了井液进入筛管的流动阻力，加大了产能损失，而且成本相对较高，设计和施工相对复杂，防砂后井内留有防砂管柱，打捞难，时间稍长筛管容易产生腐蚀。由此可见这些机械防砂方法都没有从根本上解决油气井出砂和煤层气井出煤粉问题，影响了检泵周期，提高了油气生产成本，也增加了油气田和煤层气田的管理难度。 

发明内容

为了有效解决油气井出砂和煤层气井出煤粉问题并克服现有机械滤砂管防砂技术存在的不足，本发明的目的是提供一种适合油气井和煤层气井防砂使用的鼠笼式V形直丝筛管。该直丝筛管通过特殊的构造和工艺，实现滤砂、滤煤粉、井液调速和自清洁功能，防止套管损坏、砂卡、埋泵和举升设备磨损。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种鼠笼式V形直丝筛管，主要由筛管接箍、基体、环筋、上下环箍以及直丝筛管套组成。直丝筛管防砂是将鼠笼式V形直丝筛管用油管柱和辅助井下工具直接悬挂在井内产出固体颗粒的层位，开采中允许地层产出的井液通过，但利用筛管直丝的桥架作用阻止大于筛缝缝隙宽度部分的固体颗粒随井液携带至井筒，地层产出液必须流经筛管才能进入井筒流到地面。 

筛管接箍位于鼠笼式V形直丝筛管的最上部，其外环面采用圆柱体形结构而内部通道采用变截面的阶梯回转体结构，材料选用中碳结构钢45钢，整体采用正火加回火的调质处理，使其达到预期的机械性能，能够承受变动载荷的作用，而且热处理后的筛管接箍表面进行磷化处理，使其表面产生残余压应力。筛管接箍由上下内螺纹接头、接头过渡区和卸载槽组成，上内螺纹接头主体采用环形构造，中间加工有密封性圆锥管螺纹，与抽油泵固定阀支撑短节下端的圆锥外螺纹联接；接头过渡区采用锥形结构，作用是避免筛管接箍截面和刚度的急剧变化，减小应力集中，同时调节筛管接箍通道中的井液流速，其上端连接上内螺纹接头，下端连接卸载槽；卸载槽采用环形构造，用来减轻由于内螺纹和截面变化引起的应力集中，提高筛管接箍的疲劳强度；下内螺纹接头位于筛管接箍的最下部，主体采用环形构造，中间设置有内螺纹孔，与基体上端的外螺纹台肩联接。 

基体是主体采用变截面阶梯回转体结构的圆管，材料选用中碳结构钢45钢，基体内外表面喷焊处理，喷焊层与基体金属牢固结合。基体由上下外螺纹接头、卸荷槽、推承面台肩、基管和管体过渡区组成，上外螺纹接头位于整个基体的最上端，外环面加工有外螺纹，中间加工有流道，流道截面呈圆形，与筛管接箍下端的内螺纹孔联接；基体包括卸荷槽，卸荷槽的上下两端分别连接上外螺纹接头和推承面台肩，采用截面为环形的结构，中间加工有圆形流道，用来减轻由于螺纹和基体端面变化引发的应力集中现象，提高基体的疲劳强度，同时作为车制上外螺纹接头螺纹的退刀槽；推承面台肩中间加工有上粗下细的变截面圆形通道，用于调节筛管通道中的井液流速，而且推承面台肩与筛管接箍联接时，推承面台肩上端面与筛管接箍下端面结合处产生足够大的应力，防止井液对螺纹产生腐蚀和工作中V形直丝筛管的脱扣；卸载槽和推承面台肩上端以及基管和推承面台肩下端的端面结合处均采用圆弧过渡，避免基体截面和刚度发生急剧变化，以减小应力集中；基管采用截面为环形结构的等径圆管，其上钻有一定密度和孔径大小的圆孔，每层面的钻孔孔眼均匀分布，孔数取6～10个，孔径取6～12mm，层面间距相等，相邻层面间距取35～50mm，各层面间的孔眼交错排列，为井液通过直丝缝隙流入基管提供通道；管体过渡区的外环面直径介于基管外径和下外螺纹接头 螺纹大端直径之间，作用是避免基体截面和刚度的急剧变化，减小应力集中，同时为加工下外螺纹接头螺纹提供退刀空间；下外螺纹接头位于整个基体的最下端，外锥面加工有圆锥管螺纹，中间加工有圆形流道，与尾管接头的内螺纹孔联接。 

环筋是用来支撑直丝的部件，材料选用中碳结构钢45钢，表面磷化处理。环筋分层均匀布置，相邻层间距取70～100mm，即基管上每两层钻孔设置一个环筋，每层环筋上均匀分布三个大小相同的横筋，每个横筋两端面间的夹角为100°左右，层间横筋交错排列，环筋的剖面呈等腰梯形，梯形两斜边夹角为24°左右，梯形小的一端环绕置于基管外表面，相邻两层环筋间形成缝隙的剖面也呈梯形，并且该缝隙梯形外窄内宽，在流动井液的冲刷作用下，可以避免砂粒和煤粒等聚集在缝隙中，具有环筋自冲洗功能。 

不锈钢直丝的原料采用1Cr18Ni12Ti的不锈钢丝，通过轧制的方法形成一定尺寸的等腰梯形截面的直丝，直丝梯形剖面的两斜边夹角为30°左右，梯形小的一端朝内放置，并与环筋的外端面接触。直丝沿环筋的外环面均匀排列，个数取15～24个，相邻直丝间形成直丝筛管的筛缝，该筛缝缝隙的剖面也呈夹角为30°左右的梯形，且筛缝梯形外窄内宽，可以避免随井液通过筛缝的砂粒和煤粒等固体颗粒卡死在筛缝内而发生堵塞，具有筛缝自清洁作用。不锈钢直丝和环筋的每一个交叉接触点都用电阻焊按照单面角焊缝的方式焊接在一起，使所有均布的直丝形成具有一定强度的鼠笼式直丝筛管套，每层环筋的高度由上而下依次递减，使得焊接其外环面的直丝筛管套形成一个上粗下细的倒锥形，即呈现V形，锥度取为1∶500～1∶200，可以保证小的固体颗粒随井液顺利通过筛缝流入基管的通道，而沉降速度快的大颗粒会依靠自身重力作用及时沉积到井底，不会卡死在缝隙内而造成筛缝堵塞，具有直丝自清洁作用，同时V形结构也方便于直丝筛管随油管柱一起下入井内，减少直丝筛管套与套管内壁发生碰撞的概率。直丝筛管套的高度取1.0～3.0m，锥度大的取低值，锥度小的取高值，取定高度后，将直丝筛管套的两端切平，上端焊在上环箍上，下端与下环箍焊在一起。 

上下环箍采用变截面阶梯回转体的圆环结构，环箍剖面呈L形，选用1Cr18Ni12Ti不锈钢材料，环箍的内环面与基体中基管的外环面紧密配合。上环箍轴肩的上端面与基体中推承面台肩的下端面连接，并用电阻焊焊接在一起，直丝筛管套的上端与上环箍轴肩的下端面焊接在一起，而其下端与下环箍轴肩的上端面焊接在一起，下环箍采用圆周焊的方式与基体中的基管焊接在一起，从而将整个直丝筛管套固定在基体上。 

本发明所能达到的技术效果是，基体推承面台肩中间加工有上粗下细的变截面圆形通道，实现井液流速进入筛管通道的第一次调节；筛管接箍内部通道采用变截面的阶梯回转体结构，可避免接箍截面和刚度发生急剧变化，减小应力集中，同时实现井液流速在筛管通道中的二次调节；相邻层环筋间形成缝隙的剖面呈梯形，可避免固体颗粒聚集在缝隙中，具有环筋自冲洗功能；相邻不锈钢直丝间形成的筛缝呈夹角为30°左右的梯形，可避免随井液通过筛缝的固体颗粒卡死在缝隙内而发生堵塞，具有筛缝自清洁作用；不锈钢直丝比绕丝的强度高且抗刮擦，可有效解决打捞难和绕丝易脱层等问题；鼠笼式直丝筛管套的外环面呈上粗下细的倒锥形，可保证较大的固体颗粒及时沉积到井底，而不会卡死在缝隙内而造成筛缝堵塞，具有直丝自清洁作用；直丝筛管套外环面的V形结构可以有效增大井液通过筛缝进入筛管通道的流通面积，同时减少直丝筛管随油管柱下入井内时直丝与套管内壁发生碰撞的概率，最终达到防止卡泵和埋泵的目的。 

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明： 

图1是根据本发明所提出的鼠笼式V形直丝筛管的典型结构简图。 

图2是图1的A-A剖视图。 

图3是鼠笼式V形直丝筛管中筛管接箍的结构简图。 

图4是鼠笼式V形直丝筛管中基体的结构简图。 

图中1-筛管接箍，2-基体，3-上环箍，4-直丝筛管套，5-环筋，6-下环箍，7-上内螺纹接头，8-接头过渡区，9-卸载槽，10-下内螺纹接头，11-上外螺纹接头，12-卸荷槽，13-推承面台肩，14-基管，15-管体过渡区，16-下外螺纹接头。 

具体实施方式

在图1中，鼠笼式V形直丝筛管由上而下依次为筛管接箍1、基体2、上环箍3、直丝筛管套4、环筋5和下环箍6。装配前，各构件应去毛刺并清洗干净，检查各镀层和喷焊层与基体金属是否牢固结合，其表面是否有气泡、麻点、起皮和碰伤等缺陷。装配中，各普通螺纹在最终旋紧时涂厌氧胶，顺次将环筋5、直丝筛管套4、上环箍3和下环箍6焊接成一体后，从基体2下端沿管壁套入，上环箍3轴肩的上端面与基体2台肩的下端面采用角焊缝的方式焊接在一起，下环箍6采用圆周焊的方式与基体2的基管焊接在一起，从而将整个直丝筛管套4固定在基体2上。装配后，应保持各构件的清洁，同时检查各焊缝结合处和各螺纹连接处是否牢固，有无松动、损伤和锈蚀。安装时，将鼠笼式V形直丝筛管用油管柱和辅助井下工具直接悬挂在井内产出固体颗粒的层位。修井时，将直丝筛管与其下端的尾管和上端的抽油泵泵筒随油管柱一起取出；然后，用两个管钳分别放置在直丝筛管基管下端的外环面和尾管上端接头的外环面上，反方向扳动两个管钳，即可旋紧或者松开直丝筛管和尾管间的联接螺纹，实现尾管的安装或拆卸；最后，再将两个管钳分别放置在直丝筛管上端筛管接箍1的外环面和抽油泵固定阀支撑短节的外环面上，反方向扳动两个管钳，即可旋紧或者松开直丝筛管和抽油泵泵筒间的联接螺纹，实现直丝筛管的安装或拆卸。 

在图1和图2中，地层产出井液必须依次流经直丝筛管套4的筛缝、环筋5的缝隙和基体2中基管壁上的圆孔才能进入直丝筛管的通道中，然后通过基体2推承面台肩中间的变截面圆形通道和筛管接箍1内部的变截面阶梯回转体通道的两次井液流速调节后，井液进入油管并流到地面；粒径度小于筛缝缝隙宽度部分的细小固体颗粒在井液的携带下依次通过直丝筛管套4的筛缝、环筋5的缝隙和基体2中基管壁上的圆孔进入直丝筛管的通道中，并最终被井液携带至地面，而较大的固体颗粒则被阻挡在直丝筛管套4的外面，并在颗粒自身重力作用下沉降到井底，达到防砂的目的。 

在图1和图2中，环筋5的剖面呈等腰梯形，梯形两斜边夹角为24°左右，梯形小的一端环绕置于基体2基管的外表面上，二者紧密配合；不锈钢直丝的剖面也呈等腰梯形，梯形的两斜边夹角为30°左右，梯形小的一端朝内放置，与环筋5的外端面接触，每一个交叉接触点都用电阻焊进行焊接，数个不锈钢直丝沿环筋5的外环面均匀排列，形成一个具有一定强度的直丝筛管套4；将直丝筛管套4的上下两端切平，上端面与上环箍3轴肩的下端面进行焊接，而下端面与下环箍6轴肩的上端面焊接在一起。 

在图3中，筛管接箍1由上而下依次为上内螺纹接头7、接头过渡区8、卸载槽9和下内螺纹接头10，上内螺纹接头7与其上部的抽油泵固定阀支撑短节下端的圆锥外螺纹按照一定的预紧力要求进行联接，从而将鼠笼式V形直丝筛管与抽油泵泵筒联接在一起，组合成油管柱下部的一部分；接头过渡区8用来连接上内螺纹接头7和卸载槽9，其中间的锥形结构可调节筛管通道中的井液流速；卸载槽9的内环面直径分别大于接头过渡区8下端环面的直径和下内螺纹接头10的螺纹公称直径；下内螺纹接头10与基体2上端的外螺纹按照一定的预紧力要求进行联接。 

在图4中，基体2由上而下依次为上外螺纹接头11、卸荷槽12、推承面台肩13、基管14、管体过渡区15和下外螺纹接头16，上外螺纹接头11与筛管接箍1下端的内螺纹按照一定的预紧力要求联接在一起，推承面台肩13与筛管接箍1联接时，应保证推承面台肩13上端面与筛管接箍1下端面结合处有足够大的应力，以防止井液对螺纹的腐蚀和直丝筛管的脱扣，下外螺纹接头16与尾管接头的内螺纹按照一定的预紧力要求联接在一起，从而将尾管组合成油管柱最下端的一部分。卸荷槽12用来连接上外螺纹接头11和推承面台肩13，其外环面直径分别小于推承面台肩13的外环面直径和上外螺纹接头11的螺纹公称直径，推承面台肩13中间加工有变截面圆形通道，可调节通道中的井液流速，管体过渡区15用来连接基管14和下外螺纹接头16，其外环面直径介于基管14外径和下外螺纹接头16螺纹大端直径之间。 

Claims (7)

1.一种鼠笼式V形直丝筛管，由上而下依次为筛管接箍、基体、上环箍、直丝筛管套、环筋和下环箍，该直丝筛管用油管柱和辅助井下工具直接悬挂在井内产出固体颗粒的层位，开采中粒径度小于筛缝缝隙宽度部分的细小固体颗粒在井液的携带下依次通过直丝筛管套的筛缝、环筋的缝隙和基体中基管壁上的圆孔进入直丝筛管的通道中，并最终被井液携带至地面，而较大的固体颗粒则被阻挡在直丝筛管套的外面，沉降到井底，其特征是：筛管接箍的内部通道采用变截面的阶梯回转体结构，接头过渡区采用锥形结构，其上端连接上内螺纹接头，下端连接卸载槽，卸载槽的内环面直径分别大于接头过渡区下端环面的直径和下内螺纹接头的螺纹公称直径；基体是主体采用变截面阶梯回转体结构的圆管，基体包括卸荷槽，卸荷槽的上下两端分别连接上外螺纹接头和推承面台肩，其外环面直径分别小于推承面台肩的外环面直径和上外螺纹接头的螺纹公称直径，推承面台肩中间加工有变截面圆形通道，基管上钻有一定密度和孔径大小的圆孔，每层面的钻孔孔眼均匀分布，孔数取6～10个，孔径取6～12mm，层面间距相等，相邻层面间距取35～50mm，各层面间的孔眼交错排列，管体过渡区的外环面直径介于基管外径和下外螺纹接头螺纹大端直径之间；环筋分层均匀布置，相邻层间距取70～100mm，即基管上每两层钻孔设置一个环筋，每层环筋上均匀分布三个大小相同的横筋，每个横筋两端面间的夹角为100°左右，层间横筋交错排列，环筋的剖面呈等腰梯形，梯形两斜边夹角为24°左右，梯形小的一端环绕置于基管外表面，相邻两层环筋间形成缝隙的剖面也呈梯形，并且该缝隙梯形外窄内宽；不锈钢直丝是通过轧制的方法形成一定尺寸的等腰梯形截面的直丝，直丝梯形剖面的两斜边夹角为30°左右，梯形小的一端朝内放置，并与环筋的外端面接触，直丝沿环筋的外环面均匀排列，个数取15～24个，相邻直丝间形成直丝筛管的筛缝，该筛缝缝隙的剖面也呈夹角为30°左右的梯形，且筛缝梯形外窄内宽，直丝和环筋的每一个交叉接触点都用电阻焊按照单面角焊缝的方式焊接在一起，使所有均布的直丝形成具有一定强度的鼠笼式直丝筛管套，每层环筋的高度由上而下依次递减，使得焊接其外环面的直丝筛管套形成一个上粗下细的倒锥形，即呈现V形，锥度取为1∶500～1∶200，直丝筛管套的高度取1.0～3.0m，锥度大的取低值，锥度小的取高值；上下环箍采用变截面阶梯回转体的圆环结构，剖面呈L形，其内环面与基体中基管的外环面紧密配合。 

2.根据权利要求1所述的鼠笼式V形直丝筛管，其特征是：筛管接箍和环筋表面磷化处理，基体内外表面喷焊处理，喷焊层与基体金属牢固结合。 

3.根据权利要求1所述的鼠笼式V形直丝筛管，其特征是：直丝筛管套的上下两端切平，其上端面与上环箍轴肩的下端面进行焊接，而下端面与下环箍轴肩的上端面焊接在一起。 

4.根据权利要求1所述的鼠笼式V形直丝筛管，其特征是：上环箍轴肩的上端面与基体台肩的下端面采用角焊缝的方式焊接在一起，下环箍采用圆周焊的方式与基体的基管焊接在一起，从而将整个直丝筛管套固定在基体上。

5.根据权利要求1所述的鼠笼式V形直丝筛管，其特征是：筛管接箍的上内螺纹接头主体采用环形构造，中间加工有密封性圆锥管螺纹，与其上部的抽油泵固定阀支撑短节下端的圆锥外螺纹按照一定的预紧力要求进行联接，从而将鼠笼式V形直丝筛管与抽油泵泵筒联接在一起。

6.根据权利要求1所述的鼠笼式V形直丝筛管，其特征是：基体上外螺纹接头的外环面加工有外螺纹，中间加工有流道，流道截面呈圆形，与筛管接箍下端的内螺纹孔联接。

7.根据权利要求1所述的鼠笼式V形直丝筛管，其特征是：基体下外螺纹接头的外锥面加工有圆锥管螺纹，中间加工有圆形流道，与尾管接头的内螺纹按照一定的预紧力要求联接在一起。 

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