CN108344651B - 筛管抗冲蚀能力评价实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种筛管抗冲蚀能力评价实验装置及方法，该装置包括：实验装置主体、供液系统、供砂粒系统、喷嘴、收集系统、实验架以及测试系统；纵向设置的实验装置主体从上到下依次为砂粒注入器、固定套、稳流筒、喷射组件、喷嘴体、喷嘴以及试件安装装置等部分；喷嘴与上部装嘴体相连接，可以通过调整上部装嘴体和/或试件安装装置来调整喷嘴的倾角以及与试件间的距离。本发明利用磨料射流的冲蚀原理，能够模拟不同生产条件下含砂流体对防砂筛管冲蚀破坏，研究携砂流体速度、含砂浓度、粒径、冲蚀角度、距离等参数对防砂筛管抗冲蚀性能的影响规律，评估地层携砂流体对防砂筛管的冲蚀特性与机制，可为筛管的挡砂介质材质选取、结构设计等提供依据。

Description

筛管抗冲蚀能力评价实验装置及方法

技术领域

本发明涉及石油开采设备技术领域，具体地说是涉及一种用于测试防砂筛管抗冲蚀特性的实验装置及方法。

背景技术

油井出砂已经成为困扰疏松砂岩油藏开采的重要问题之一。机械防砂是当今油气田最为常用的一种油井防砂方法，防砂筛管作为机械防砂的核心部件被广泛使用，对防砂效果和油井的产量具有重要影响。目前常用的防砂筛管种类多样，包括绕丝筛管、割缝筛管、金属棉筛管、金属网布筛管以及其他多种防砂筛管。由于在井下的工作环境非常恶劣，防砂筛管的损坏失效往往导致设备损坏降产停产甚至全井报废。携砂流体对防砂筛管的冲蚀磨损是导致防砂筛管损坏失效的一个主要原因。

油田生产中，当砾石填充不均匀或筛管表面为填充砾石，防砂筛管会直接面对含砂流体的冲击，地层携砂流体会对防砂筛管产生冲蚀作用，严重情况下会导致筛管破坏失效。通常防砂筛管具有特定的防砂精度，使用时间长，更换困难。因此，冲蚀会引起挡砂精度降低，造成防砂失效；严重时会出现掉块现象，导致防砂筛管失去挡砂作用，开采过程中大量出砂。因而，防砂筛管的抗冲蚀性能在油气田防砂过程中十分重要。

目前，防砂筛管的选择主要由防砂初期的产量和出砂特性决定，未考虑长期生产过程中防砂筛管损坏问题及损坏后的防砂效果变化。防砂筛管在不同条件下的使用寿命及其失效后的影响未被充分的考虑进来。对防砂筛管的抗冲蚀能力进行评价是解决上述问题的关键，但目前报道较少。对于一些现有室内实验装置，多采用前混式，结构复杂，管线磨损严重；只能对一些小型试件进行试验，无法直接对全尺寸防砂筛管进行冲蚀实验；而且直接采用与砂混合好的冲蚀液，由于沉降作用导致含砂量不均匀。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种筛管抗冲蚀能力评价实验装置及方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种筛管抗冲蚀能力评价实验装置，包括纵向设置的主体、供液系统、供砂粒系统、试件安装装置和收集系统；

所述主体包括砂粒注入器、稳流筒、喷射组件和喷嘴，在砂粒注入器上设置有液体接口和砂粒接口，稳流筒连接在砂粒注入器的底端，稳流筒通过喷射组件和喷嘴连接；

所述供液系统包括水箱，水箱通过水管线与液体接口连通，在水管线上设置有泵和流量计；

所述供砂粒系统包括砂粒箱，砂粒箱通过砂粒管线与砂粒接口连接；

所述试件安装装置包括用于安装全尺寸筛管试件的装置和用于安装筛管片试件的装置；用于安装全尺寸筛管试件的装置包括一号安装套、连板和U型板，主体插入一号安装套中，一号安装套通过第一螺栓固定在连板的顶端，在一号安装套和连板之间设置有套垫，连板的底端通过第二螺栓和第三螺栓与U型板的顶端连接，通过调节第二螺栓和第三螺栓可控制U型板相对于喷嘴在竖直平面内转动，全尺寸筛管试件放入U型板中，在U型板的底部设置有第四螺栓，通过第三螺栓和第四螺栓可将全尺寸筛管试件紧固于U型板中；

用于安装筛管片试件的装置包括回转安装体、安装板、角度定位销和固定支架，所述喷嘴安装在固定支架上，安装板和回转安装体通过第五螺栓固定连接，筛管片试件固定在安装板上，回转安装体和角度定位销布置在固定支架的底部，通过回转安装体可带动筛管片试件沿水平轴线转动，当转动至某一位置时通过角度定位销固定；

所述收集系统包括收集箱，收集箱位于试件安装装置的下方，在收集箱的底部设置有出液口，出液口通过出液管线与集液箱连接，在出液管线上设置有固液分离器。

优选的，在砂粒注入器的顶部设置有压力计；在砂粒管线上设置有调砂器，所述调砂器与电子称量计配合使用。

优选的，该装置还包括数据采集系统，数据采集系统通过数据线分别连接压力计、流量计和电子称量计，数据采集系统连接计算机。

优选的，在喷射组件和喷嘴之间设置有用于调整喷嘴与试样间距离以及喷射角度的装嘴体。

优选的，该装置还包括实验架，所述实验架包括立管、水平支撑杆和底座，立管安装在底座上，水平支撑杆的一端与立管相连接，且可以沿着立管上下移动，水平支撑杆的另一端与固定套相连接，所述固定套安装在砂粒注入器的下部外侧。

优选的，所述固定支架包括立杆，立杆的上端连接二号安装套，所述喷嘴穿过二号安装套并通过第六螺栓紧固，立杆的底端连接三号安装套，并通过垫片和螺母与回转安装体相连接。

优选的，所述筛管片试件通过夹紧环和相配合的第七螺栓固定在安装板上。

优选的，在回转安装体上设置有与角度定位销相配合的定位孔。

一种筛管抗冲蚀能力评价实验方法，采用上述的实验装置，步骤如下：

(a)将水箱、泵、流量计以及水管线连接好，水管线连接到液体接口；将砂粒箱、调砂器以及砂粒管线连接好，砂粒管线连接到砂粒接口；将全尺寸筛管试件在U型板内部安装好，通过第三螺栓和第四螺栓固定好，通过调节第二螺栓、第三螺栓和/或装嘴体来调整喷嘴相对于全尺寸筛管试件的喷射角度以及距离，安装好收集箱，将出液口通过出液管线与固液分离器连接好，然后与集液箱相连；

(b)标定好砂粒漏砂量，在砂粒箱内加入砂粒；启动泵，调节好压力、排量；连接砂粒箱处砂粒管线，加砂计时开始，进行冲蚀试验；

(c)断开砂粒箱处砂粒管线，加砂计时结束，停止冲蚀，观察全尺寸筛管试件冲蚀损坏情况；

(d)若未发生冲蚀破坏，重复步骤(b)，继续进行实验，累积计时；

(e)当全尺寸筛管试件见底网与内管时，降压，停泵，一组试验结束；

(f)将下一全尺寸筛管试件重新装入U型板内部，改变试验条件，重复步骤(b)-(e)，完成下一组试验；如此重复，可根据获得的试验数据研究携砂流体速度、含砂浓度、粒径、冲蚀角度、冲蚀距离对防砂筛管抗冲蚀性能的影响规律。

上述方法中，可采用用于安装筛管片试件的装置以对筛管片的抗冲蚀能力进行评价。

与现有技术相比，本发明提供了一种测试防砂筛管抗冲蚀性能的实验装置及方法，利用磨料射流的冲蚀原理，能够模拟不同生产条件下含砂流体对防砂筛管冲蚀破坏，研究携砂流体速度、含砂浓度、冲蚀角度等参数对防砂筛管抗冲蚀性能的影响规律，较为准确的评估地层携砂流体防砂筛管的抗冲蚀性能，可以为采取措施预防和减轻地层携砂流体对防砂筛管的冲蚀破坏程度以及现场防砂筛管的选择提供参考依据。

与现有相关实验装置相比，本发明有如下优点：

1.砂粒含量控制是通过多次调节调砂器的漏砂口孔径改变漏砂量，并经电子计量器称重，可以实现含砂流体的速度和含砂量的精确控制；

2.携砂流体造成防砂筛管破坏的机理与磨料射流对金属等柔性材料的冲蚀切割机理类似，利用磨料射流对试验滤砂管的冲蚀破坏试验可更好地研究携砂液对滤砂管的破坏现象，更接近实际工况。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明设备在实验架上的连接组成示意图；

图3为本发明中用于安装全尺寸筛管试件的装置结构示意图；

图4为图3的剖面图；

图5为本发明用于安装筛管片试件的装置示意图；

图6为图5的剖面图。

图中：11水箱，12泵，13流量计，14高压水管线，15压力计，21砂粒箱，22调砂器，23砂粒管线，3主体，31砂粒注入器，311液体接口，312砂粒接口，32固定套，33稳流筒，41喷嘴，42喷射组件，43装嘴体，5用于安装全尺寸筛管试件的装置，51一号安装套，52套垫，53第一螺栓，54连板，55第二螺栓，56第三螺栓，57U型板，58全尺寸筛管试件，59第四螺栓，510第六螺栓，511二号安装套，512立杆，513三号安装套，514垫片，515螺母，516角度定位销，517第五螺栓，518回转安装体，519夹紧环，520筛管片试件，521安装板，522第七螺栓，61收集箱，62出液口，63固液分离器，64集液箱，71计算机，72数据采集系统，8实验架，81立管，82水平支撑杆，83底座。

具体实施方式

本发明公开了一种测试防砂筛管抗冲蚀性能的实验装置及方法，该装置包括：实验装置主体、供液系统、供砂砂粒系统、喷嘴、收集系统、实验架以及测试系统；纵向设置的实验装置主体从上到下依次为砂粒注入器、固定套、稳流筒、喷射组件、喷嘴体、喷嘴以及试件安装装置等部分。喷嘴与上部装嘴体相连接，可以通过调整上部装嘴体和/或试件安装装置来调整喷嘴的倾角以及与试件间的距离。本发明利用磨料射流的冲蚀原理，能够模拟不同生产条件下含砂流体对防砂筛管冲蚀破坏，研究携砂流体速度、含砂浓度、粒径、冲蚀角度、距离等参数对防砂筛管抗冲蚀性能的影响规律，评估地层携砂流体对防砂筛管的冲蚀特性与机制，可为筛管的挡砂介质材质选取、结构设计及生产过程工作制度的优化设计等提供依据。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，下文将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要注意的是，在没有冲突的条件下，本发明保护范围并不受到以下公开的具体实施例的限制。

本发明提供防砂筛管抗冲蚀性能评价实验装置，如图1-2所示，包括：纵向设置的主体3，主体3从上到下依次为砂粒注入器31、固定套32、稳流筒33、喷射组件42、喷嘴41以及试件安装装置等部分。所述砂粒注入器31，上部与所述压力计15相连接，下部与所述固定套32相连接，侧面设有液体接口311和砂粒接口312。供液系统，由水箱11、泵12、流量计13、高压水管线14组成，其出液口与所述砂粒注入器31上的液体接口311相连接。供砂粒系统，有砂粒箱21、调砂器22、砂粒管线23组成，其出口与所述砂粒注入器31上所述砂粒接口312相连接。所述喷嘴41，通过装嘴体43和喷射组件42与所述主体3上的稳流筒33相连接。收集系统，包括收集箱61、出液口62、固液分离器63和集液箱64，所述收集箱61位于所述主体3下部，且所述试件安装装置部分位于其中，所述出液口62通过出液管线与所述固液分离器63相连接，分离出的液体进入所述集液箱64。实验架8，由立管81、水平支撑杆82和底座83组成，通过所述水平支撑杆82与所述主体3上所述固定套32相连接。本发明实验装置还包括数据采集系统72，通过数据线连接所述供液系统和所述压力计15，数据采集系统72连接计算机71，将采集数据传送至计算机中。

所述的试件安装装置包括两个，即用于安装筛管片试件的装置和用于安装全尺寸筛管试件的装置。用于安装全尺寸筛管试件的装置5，如图3-4所示，由一号安装套51、套垫52、连板54以及U型板57等部分组成，通过第一螺栓53、第二螺栓55和第三螺栓56固定。一号安装套51，其内侧直接与所述主体3相连接，其外侧与所述垫套52相连接；所述垫套52，其外侧与所述连板54相连接。所述连板54，其内侧与所述垫套52相连接，下部通过第二螺栓55和第三螺栓56与所述U型板57相连接。所述第一螺栓53，用于固定所述连板54、所述套垫52以及所述一号安装套51。所述U型板57，上部与所述连板54相连接，其内侧为全尺寸筛管试件58，与第三螺栓56和第四螺栓59一起固定所述全尺寸筛管试件58。用于安装筛管片试件的装置，如图4-5所示，由立杆512、三号安装套513、垫片514、螺母515、角度定位销516、第五螺栓517、回转安装体518、第六螺栓510、二号安装套511、夹紧环519、第七螺栓522和安装板521等组成。所述立杆512，上部通过所述二号安装套511和所述第六螺栓510与所述装嘴体43相连接，下部与所述安装回转体518相连接，通过所述垫片514、螺母515、第五螺栓517以及角度定位销516相连接。所述安装板521，位于所述安装回转体518上部，其上部为筛管片试件520，所述筛管片试件520由夹紧环519和第七螺栓522固定。

作为对本发明的进一步设计，所述调砂器22与电子称量计配合使用，实现对出砂量的精确控制。砂粒接口312与砂粒管线23之间存在进砂粒组件，起到辅助作用。

更进一步的，如图2所示，水平支撑杆82中间固定于立管81上，两端与主体3相连接，且可以沿着立管81上下移动，可根据需要固定在立管81的某个特定位置。

上述收集箱61位于实验架8上，且位于主体3下方的适当位置。

具体的，如图3所示，与主体3接触，由内而外依次为一号安装套51和套垫52以及连板54，通过第一螺栓53固定在主体3上，从而与主体3连接在一起。第二螺栓55和第三螺栓56一起将连板54与U型板57固定在一起，且通过调控第二螺栓55、第三螺栓56和U型板57可以调整全尺寸筛管试件58角度，可起到辅助调整喷射角度的作用。第三螺栓56、U型板57以及第四螺栓59一起固定全尺寸筛管试件58，使其按照计划改变或保持位置。

具体的，如图5-6所示，第六螺栓510将装嘴体43固定在二号安装套511上；并且可通过调整装嘴体43来调整喷嘴41的喷距和喷射角度的参数。通过调整角度定位销516和螺母515可以调整安装回转体518，进一步调整安装板521和筛管片试件520角度，从而起到多方位调整喷射角度的作用。

上述实验装置中，所述砂粒注入器31为后混式磨料射流喷头，高速水射流进入其混合腔内产生一定真空度，从而形成压力差，使砂粒和水射流发生剧烈紊动扩散与掺混，再通过砂粒喷嘴形成磨料射流。所述调砂器通过控制漏砂口径改变漏砂量，并经电子计量器称重标定来实现。

采用上述实验装置进行防砂筛管抗冲蚀能力评价的方法，大致包括以下步骤：

(a)将水箱11、泵12、流量计13以及高压水管线14连接好，高压水管线14连接到液体接口311。将砂粒箱21、调砂器33以及砂粒管线23连接好，砂粒管线23连接到砂粒接口312。将一号试件(全尺寸防砂筛管)在U型板57内部安装好，通过第三螺栓56和第四螺栓59固定好，通过调节第二螺栓55、第三螺栓56、装嘴体43以及喷嘴41调节好角度、喷距，安装好收集箱61，将出液口62通过管线与固液分离器63连接好，然后与集液箱64相连。

(b)标定好砂粒漏砂量，在砂粒箱21内加入砂粒；启动泵12，调节好压力、排量；连接砂粒箱21处砂粒管线23，加砂计时开始，进行冲蚀试验。

(c)断开砂粒箱21处砂粒管线23，加砂计时结束，停止冲蚀，观察试件冲蚀损坏情况。

(d)若未发生冲蚀破坏，重复步骤(b)，继续进行实验，累积计时。

(e)降压，停泵12，观测试件，一组试验结束。特别地，一组试验完成的判断标准是：防砂筛管试件见底网与内管，网布试件(筛管片试件)见底板。

本实施例中涉及的材料主要有地层砂、刚玉砂以及其他种类砂粒颗粒，适用于各类全尺寸防砂筛管以及防砂筛管片试件。

在此过程中，可以记录的数据有：压力、流量以及时间等。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，上述实施例只是为了说明本发明的技术思路及特点，其目的是让技术人员能够了解本发明的内容和方法并能够顺利实施，并不限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容做出的等效变化或修饰，都涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种筛管抗冲蚀能力评价实验装置，其特征在于：包括纵向设置的主体、供液系统、供砂粒系统、试件安装装置和收集系统；

所述主体包括砂粒注入器、稳流筒、喷射组件和喷嘴，在砂粒注入器上设置有液体接口和砂粒接口，稳流筒连接在砂粒注入器的底端，稳流筒通过喷射组件和喷嘴连接；

所述供液系统包括水箱，水箱通过水管线与液体接口连通，在水管线上设置有泵和流量计；

所述供砂粒系统包括砂粒箱，砂粒箱通过砂粒管线与砂粒接口连接；

所述试件安装装置包括用于安装全尺寸筛管试件的装置和用于安装筛管片试件的装置；

用于安装全尺寸筛管试件的装置包括一号安装套、连板和U型板，主体插入一号安装套中，一号安装套通过第一螺栓固定在连板的顶端，在一号安装套和连板之间设置有套垫，连板的底端通过第二螺栓和第三螺栓与U型板的顶端连接，通过调节第二螺栓和第三螺栓可控制U型板相对于喷嘴在竖直平面内转动，全尺寸筛管试件放入U型板中，在U型板的底部设置有第四螺栓，通过第三螺栓和第四螺栓可将全尺寸筛管试件紧固于U型板中；

用于安装筛管片试件的装置包括回转安装体、安装板、角度定位销和固定支架，所述喷嘴安装在固定支架上，安装板和回转安装体通过第五螺栓固定连接，筛管片试件固定在安装板上，回转安装体和角度定位销布置在固定支架的底部，通过回转安装体可带动筛管片试件沿水平轴线转动，当转动至某一位置时通过角度定位销固定；

所述收集系统包括收集箱，收集箱位于试件安装装置的下方，在收集箱的底部设置有出液口，出液口通过出液管线与集液箱连接，在出液管线上设置有固液分离器。

2.根据权利要求1所述的筛管抗冲蚀能力评价实验装置，其特征在于：在砂粒注入器的顶部设置有压力计；在砂粒管线上设置有调砂器，所述调砂器与电子称量计配合使用。

3.根据权利要求2所述的筛管抗冲蚀能力评价实验装置，其特征在于：该装置还包括数据采集系统，数据采集系统通过数据线分别连接压力计、流量计和电子称量计，数据采集系统连接计算机。

4.根据权利要求1所述的筛管抗冲蚀能力评价实验装置，其特征在于：在喷射组件和喷嘴之间设置有用于调整喷嘴与试样间距离以及喷射角度的装嘴体。

5.根据权利要求1所述的筛管抗冲蚀能力评价实验装置，其特征在于：该装置还包括实验架，所述实验架包括立管、水平支撑杆和底座，立管安装在底座上，水平支撑杆的一端与立管相连接，且可以沿着立管上下移动，水平支撑杆的另一端与固定套相连接，所述固定套安装在砂粒注入器的下部外侧。

6.根据权利要求1所述的筛管抗冲蚀能力评价实验装置，其特征在于：所述固定支架包括立杆，立杆的上端连接二号安装套，所述喷嘴穿过二号安装套并通过第六螺栓紧固，立杆的底端连接三号安装套，并通过垫片和螺母与回转安装体相连接。

7.根据权利要求1所述的筛管抗冲蚀能力评价实验装置，其特征在于：所述筛管片试件通过夹紧环和相配合的第七螺栓固定在安装板上。

8.根据权利要求1所述的筛管抗冲蚀能力评价实验装置，其特征在于：在回转安装体上设置有与角度定位销相配合的定位孔。

9.筛管抗冲蚀能力评价实验方法，采用如权利要求4所述的实验装置，其特征在于步骤如下：

(a)将水箱、泵、流量计以及水管线连接好，水管线连接到液体接口；将砂粒箱、调砂器以及砂粒管线连接好，砂粒管线连接到砂粒接口；将全尺寸筛管试件在U型板内部安装好，通过第三螺栓和第四螺栓固定好，通过调节第二螺栓、第三螺栓和/或装嘴体来调整喷嘴相对于全尺寸筛管试件的喷射角度以及距离，安装好收集箱，将出液口通过出液管线与固液分离器连接好，然后与集液箱相连；

(b)标定好砂粒漏砂量，在砂粒箱内加入砂粒；启动泵，调节好压力、排量；连接砂粒箱处砂粒管线，加砂计时开始，进行冲蚀试验；

(c)断开砂粒箱处砂粒管线，加砂计时结束，停止冲蚀，观察全尺寸筛管试件冲蚀损坏情况；

(d)若未发生冲蚀破坏，重复步骤(b)，继续进行实验，累积计时；

(e)当全尺寸筛管试件见底网与内管时，降压，停泵，一组试验结束；

(f)将下一全尺寸筛管试件重新装入U型板内部，改变试验条件，重复步骤(b)-(e)，完成下一组试验；如此重复，可根据获得的试验数据研究携砂流体速度、含砂浓度、粒径、冲蚀角度、冲蚀距离对防砂筛管抗冲蚀性能的影响规律。

10.根据权利要求9所述的筛管抗冲蚀能力评价实验方法，其特征在于：采用用于安装筛管片试件的装置以对筛管片的抗冲蚀能力进行评价。

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