CN108526814A - 一种油气井防砂用螺旋筛缝夹克 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气井防砂用螺旋筛缝夹克，其通过1、利用绕丝筛管的制造工艺制作精密筛缝；2、绕丝筛管改制为条状筛板；3、拼接带状筛板；4、消除应力处理；5、卷焊螺旋筛缝夹克6、产品精整。本方法加工制造防砂粒径能精确控制、大通量、抗堵塞、反冲洗性能好、机械性能优异、耐腐蚀、使用寿命长、性价比高的油气井防砂管用螺旋筛缝夹克。用于油气井的完井防砂，具体做防砂管的过滤层，也可以单独应用于炼油化工、煤化工、环保等行业的流体过滤、分离、气液分布、多相混合等领域。本发明全面的解决了目前各种油气井防砂管的过滤层存在的各种问题，可作为性能优异的新一代产品应用于各种地质条件下各种井况的油气井防砂管。

Description

一种油气井防砂用螺旋筛缝夹克

技术领域

本发明为螺旋筛缝夹克（Spiral Seam Slotted Jacket），用于油气井的完井防砂领域，具体做防砂管的过滤层,也可以单独应用于炼油化工、煤化工、环保等行业的流体过滤、分离、气液分布、多相混合等领域。

背景技术

目前油气井普遍采用的防砂管形式有割缝筛管、绕丝筛管、金属棉筛管、金属丝网编织优质筛管和DSS动态自洁防砂筛管等，这些产品在结构和性能方面存在着这样或那样的缺陷，不能满足油气井高产、稳产的需要。具体表现为：

1、割缝筛管存在的问题

（1）采用机械切割成形的缝隙受割刀的限制，最小宽度为0.5mm，只适用于均匀粗砂粒的油气层防砂或水井用滤砂管；

（2）采用激光切割成形的缝隙宽度可达0.2mm，在每条割缝的起弧点有一个直径明显大于割缝宽度的爆孔，即使补焊所有爆孔，产品只适用于中、粗砂粒的油气层防砂；

（3）割缝是直接在基管（油管）本体上进行，割缝后基管的抗拉、抗压、抗弯曲、抗扭转、抗挤毁等机械性能大为削弱，降低了防砂管在各种施工作业时的安全系数；

（4）为了尽可能保留上述割缝筛管的安全性，割缝的长度、缝间距、割缝的排列方式都要根据力学理论优化设计。一般情况下轴向割缝长应小于100mm，缝间距取0.3- 0.7倍割缝长度，圆周方向交错排列，为此割缝筛管的流通面积受到严重制约（开孔率一般只有1%左右）从而限制了油气井的产量；

（5）按美国石油学会API SPEC 5CT标准规范，石油套管（Base Pipe）按钢材本身的强度分J55、K55（相当于国内材料牌号37Mn5），N80（相当于36Mn2V），L80（相当于13Cr），P110（相当于30CrMo）为不同钢级的合金结构钢。割缝的缝壁并不耐受油气水多相流体及其携带的细砂颗粒的冲刷磨蚀，也不能抵抗流体所含H₂S、CO₂ 、Cl^-的化学腐蚀。随着生产时间的延长，割缝宽度将逐渐变大，造成砂粒的过滤精度越来越差，以致防砂失效。

2、绕丝筛管存在的问题

绕丝筛管由一根纬丝螺旋绕焊在一组沿圆周均布的径丝上形成一定尺寸的连续缝隙，与割缝筛管相比其优点是：

（1）增大了流体流通面积，开孔率可达6%

（2）最小缝隙宽度可达0.12mm，适用范围大

（3）绕丝筛管可用不锈钢丝制造，耐腐蚀

（4）基管采用打圆孔形式，既增加流通面积又使机械性能削弱较少

但在深井和井身结构复杂的水平井和分支井中，绕丝筛管存在严重缺陷：

（1）绕丝筛管的结构类似拉伸/压缩弹簧，其抗拉、抗压、抗扭转、抗弯曲等各项机械性能都非常弱，在管柱进行各种作业时有拉升、顿压、正反扭转等动作，尤其在解卡和过狗腿、水平井弯曲半径段以及盐膏层（油管可能位移和变形）时绕丝筛管容易发生焊点拉裂、钢丝破断，甚至发生筛管解体、钢丝散乱难以打捞的恶性事故。

（2）绕丝筛管在入井时与套管或井壁会发生剐蹭、碰撞、挤压，如果没有外护套的有效保护，局部筛管会发生焊点拉裂、钢丝变形、缝隙破坏导致防砂失效。

3、金属棉筛管

金属棉（steel wool）纤维细达4μm,自然状态类似蓬松的棉花状。金属棉筛管旨在增加筛管的过流通道（为立体通道）和利用金属纤维的弹性自我疏松内部砂堵恢复其过滤性能，以达到流通面积大、不容易堵塞的目的。但在实际应用中，金属棉筛管并不能发挥理想的作用：

（1）镶嵌式金属棉筛管是在基管本体上开镶嵌孔，从而较大的削弱了防砂管的机械性能，而且其总体流通面积小（实际开孔率小于5%），镶嵌金属棉过滤元件的结构复杂而难于制作。

（2）金属棉筛管无论是镶嵌式还是整体包扎式，堆积的微细金属丝之间的立体空隙作为流体过流通道，加上各金属丝都允许独立进行弹性变形、位移（蠕动），尤其是金属棉过滤层本身是松软材料，在各种作业工况时过流通道形状、尺寸随防砂管的变形和流体而发生变化，流道的可变性导致防砂的粒径不能精确控制。

（3）金属棉筛管纳污容量小，只在生产初期有流通量大（整体包扎式初期开孔率可达50%以上）的表现，但地层砂不久就侵入并堵塞金属棉过滤层内部而使流通量大幅下降。为此，在疏松砂岩油气藏中金属棉筛管必须与砾石充填等防砂措施配套使用才能发挥其防砂性能。

（4）在油井注水、注汽作业时，因金属棉过滤层内部堵塞严重而不能正常反冲洗，为此常有防砂管爆破事故发生。

4、金属丝网编织优质筛管

一般在基管上用3-5层不锈钢编织丝网逐层包裹、直缝焊接成型，过滤控制层常为1-2层100目左右的席型网，其余为网孔较大的方孔网。与金属棉筛管相比，防砂的粒度可精确控制。在实际使用中存在的缺陷有：

（1）因制造工艺为编织丝网逐层包裹、逐层焊接，多层编织丝网层间无法消除间隙，地层砂侵入而堵塞间隙通道后，筛管达不到理想的表面过滤的性能，实际生产中开孔率大幅下降（初期可达30%以上）甚至造成油井无产能。为此，在疏松砂岩油气藏中金属丝网编织优质筛管必须与砾石充填等防砂措施配套使用才能发挥其防砂性能。

（2）在油井注水、注汽作业时，因金属丝网编织过滤层内部堵塞严重而不能正常反冲洗，为此常有防砂管爆破事故发生。

（3）过滤控制层席型网的经纬丝直径为0.2mm/0.1mm，丝网包扎焊接时常用搭接电阻焊，很容易发生焊接缺陷，当防砂管发生内部堵塞（局部）和油井注水、注汽作业（尤其是吞吐作业）时焊缝（细钢丝焊点）被拉断并致使丝网发生（局部）位移而造成防砂失效。

（4）因过滤控制层丝网的丝径细小，耐冲刷和化学腐蚀的裕量少因而使用寿命短（少于5年），一旦控制层丝网发生破裂，整个油气井防砂就失效。

5、DSS动态自洁防砂筛管

用一束（通常含500-700根）弯曲成小波浪的细不锈钢丝（丝径0.10mm-0.15mm）自然平铺后逐层左、右螺旋包扎在基管上形成的线绕式筛管。与金属棉筛管相比其流道空隙大、不易被细粉砂堵塞，钢丝刚度大弹力强，疏松过滤层砂堵的性能好，从而使防砂管的流通量保持在较高水平。在实际应用中，发现的缺陷有：

（1）防砂的粒径不能精确控制，并且往往出砂粒径过大而超标，防砂效果差。

（2）改进型的DSS动态自洁防砂筛管是在细不锈钢丝层间夹装1-2层100目的席型网以期精密控制防砂粒径，用带状席型网螺旋包扎（搭接掩盖边缝）在细不锈钢丝层之间。但实际使用时因过滤控制层席型网与内外细不锈钢丝的小波浪凸点相抵触，在内外细不锈钢丝层发生弹性变形、位移时，所有抵触的凸点对席型网（经纬丝直径为0.2mm/0.1mm）产生磨损作用，因此加剧了过滤控制层的破损而导致防砂失效。

发明内容

鉴于上述当前各种类型防砂管存在的问题，本发明旨在一种油气井防砂用螺旋筛缝夹克。该螺旋筛缝夹克为解决各种地质条件下的油气井提供防砂技术保障。在精确控制防砂粒径的基础上保证油气井长期稳定高产。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种油气井防砂用螺旋筛缝夹克，其加工方法是：

1、利用绕丝筛管的制造工艺制作精密筛缝

螺旋筛缝夹克采用304L、304、316L不锈钢材料制造，筛缝用绕丝筛管的制造方法成形，缝隙宽度0.05mm-3.0mm，绕丝筛管长度2000mm-12000mm；

2、绕丝筛管改制为条状筛板

将上述绕丝筛管沿母线切开后展开、矫平成为筛板，按80mm-300mm宽度沿径丝外侧切割成条状筛板，上述筛板尺寸为914.4×4000mm，沿宽度方向分切为6件相同的152.4×4000mm条状筛板，

3、拼接带状筛板

按长度方向，即径丝方向将条状筛板对接焊接成长度足够的带状筛板，焊接时要求相焊两件条状筛板的径丝两两对接、熔透，两筛板端部的纬丝丝条精密贴合无缝，两条状筛板的两侧边即所有纬丝丝条的两端平齐；

4、消除应力处理

带状筛板焊接后进行消除应力处理，1050-1100°C氢气或氩气保护退火；

5、卷焊螺旋筛缝夹克

用专用螺旋卷焊机将上述带状筛板卷焊成螺旋筛缝夹克，带状筛板的两侧面即纬丝丝条的两端都通过连续焊与带状筛板两侧的径丝焊接成一体。采用全熔透氩弧焊方式保证每一处焊点都不会发生焊点开裂，经丝和纬丝丝条全熔透且不得有漏焊、气孔、夹渣缺陷；焊缝螺旋方向应按设计要求制成左旋或右旋，螺旋升角为30°为宜。

6、产品精整

采用挤锻工艺或缩径工艺精整产品，使其尺寸、圆度公差、筛缝间隙尺寸达到设计要求，挤锻工艺的操作参数按特殊过程做试验验证后确定。

本发明螺旋筛缝夹克的优点和产生的有益效果：

（1）防砂的粒径能精确控制

筛缝用绕丝筛管的方法成形，尺寸精密、均匀，所以防砂的粒径能精确控制。缝隙宽度从0.05mm-1.5mm均可以数控制作，覆盖了所有油气井防砂粒度的范围。

（2）流通面积大

如按防砂粒度0.08mm、0.1mm和0.2mm要求，采用1.0mm宽纬丝，开孔率分别为7.4%、9.1%和16.7%。因筛缝不会产生内部堵塞而影响流通量，从而保证了油气井长期稳定高产。

（3）反冲洗性能好

筛管缝隙为外窄、内宽的通道，在注水、注汽作业时很容易将筛管表面的滤饼砂冲掉而完全恢复筛管的过滤性能。因此也避免了因堵塞通道而发生爆破的可能性。

（4）机械性能优异

以油气井最常用的3.5”防砂管为例，按1mm宽、2mm高梯形纬丝制造成0.1mm筛缝，螺旋筛缝夹克在任何一个横截面上都有223根1×2mm的不锈钢梯形丝（纬丝丝条）同时受力，而普通的绕丝筛管则只有1根纬丝在受力。在同样受力情况下螺旋筛缝夹克与绕丝筛管的各项力学性能经计算对比如下：

抗拉/抗压强度比 36500:1

抗弯强度比 1780:1

抗扭强度比 329:1

扭转刚度（每米扭转角变形）比 1:794

可见，螺旋筛缝夹克的各项力学性能都在绕丝筛管二个数量级以上。

与现有的各种类型防砂管相比之下，金属棉优质筛管、金属丝网编织优质筛管、DSS动态自洁防砂筛管的过滤层都属于弹性软材料，材料因过度变形、位移、局部损坏造成防砂失效远比力学破坏提前发生，为此防砂管的机械性能几乎全部由基管决定，过滤材料本身的强度和刚度相比之下微乎其微。割缝筛管则是直接在基管上开缝而极大的削弱了防砂管的机械性能。为此，所有这些筛管的过滤层材料的机械性能非常小，与螺旋筛缝夹克无可比性。

（5）一体性好

对于常用的3.5”防砂管其过滤层螺旋筛缝夹克长度为3850mm，所有的纬丝被分切成约7400根6”（152.4mm）长的梯形丝条，每根梯形丝条的两端都通过连续焊与带状筛板两侧的径丝焊接成一体。采用全熔透氩弧焊方式保证每一根梯形丝条都不会发生焊点开裂。为此螺旋筛缝夹克一体性好，在使用过程中不会发生丝条脱落和解体散乱的事故。

（6）耐腐蚀

螺旋筛缝夹克采用304L、316L等不锈钢材料制造，带状筛板在螺旋卷焊成管状夹克之前进行一次消除应力处理，防止产品在使用过程中发生应力腐蚀和晶间腐蚀。

（7）使用寿命长

螺旋筛缝夹克的过滤筛条（纬丝丝条）用尺寸1×2mm的不锈钢梯形丝制造，相比于4μm纤维制造的金属棉优质筛管和经纬丝直径0.2mm/0.1mm制造的金属丝网编织优质筛管、DSS动态自洁防砂筛管，材料有更多的腐蚀裕量，使用寿命更长。

（8）性价比高

螺旋筛缝夹克原材料容易采购，各工序制造工艺成熟、采用卡尺和塞尺等常规工具检验，质量容易保证，并没有技术上的风险，因此本发明具有极高的性价比。

综上，本发明螺旋筛缝夹克从材料、结构、性能等诸方面很好的解决了目前各种防砂管存在的各种问题，可以通用于各种地质条件和井况的完井防砂，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1 为本发明螺旋筛缝夹克（Spiral Seam Slotted Jacket）示意图。

图中：1径丝 2纬丝丝条

具体实施例

为了清楚描述的技术方案，本发明以油气井最常用的3.5”防砂管为例，按1mm宽、2mm高梯形纬丝制造成0.1mm筛缝，螺旋筛缝夹克外径98.3mm，长度3850mm，在任何一个横截面上都有223根1×2mm的不锈钢梯形丝（纬丝丝条）

下面，本发明结合附图对本发明的技术方案再作进一步的说明：

一种螺旋筛缝夹克，其加工方法是：

1、利用绕丝筛管的制造工艺制作精密筛缝

首先根据油气井防砂精度要求确定具体的筛缝宽度，按SY/T6916-2012《石油天然气工业井下工具防砂筛管》标准制造绕丝筛管， 螺旋筛缝夹克用304L、304、316L不锈钢材料制造，筛板长度2000mm-12000mm；筛缝用绕丝筛管的制造方法成形，缝隙宽度0.05mm-3.0mm，绕丝筛管长度2000mm-12000mm；

2、绕丝筛管改制为条状筛板

将上述绕丝筛管沿母线切开后展开、矫平成为筛板，再按80mm-300mm宽度沿径丝2外侧切割成6件相同的152.4×4000mm条状筛板，筛板长度2000mm-12000mm；

3、拼接带状筛板

按长度方向，即径丝方向将条状筛板对接焊接成长度足够的带状筛板，焊接时要求相焊两件条状筛板的径丝1两两对接、熔透，焊接后成为152.4×24000mm的带状筛板，两筛板端部的纬丝丝条精密贴合无缝，两条状筛板的两侧边即所有纬丝丝条的两端平齐；

4、消除应力处理

带状筛板焊接后进行消除应力处理，1050-1100°C氢气或氩气保护退火，有利于后序螺旋卷管成形，也防止产品使用时发生应力腐蚀和晶间腐蚀。

5、卷焊螺旋筛缝夹克

对于常用的3.5”防砂管，其过滤层螺旋筛缝夹克长度为3850mm，包含约7400根6”（152.4mm）长的纬丝丝条，每根纬丝丝条两端都通过连续焊与带状筛板两侧的径丝焊接成一体。采用全熔透氩弧焊方式保证每一根纬丝丝条都不会发生焊点开裂。

用专用螺旋卷焊机将上述带状筛板卷焊成螺旋筛缝夹克，带状筛板的两侧面即纬丝丝条的两端都通过连续焊与带状筛板两侧的径丝焊接成一体，采用全熔透氩弧焊方式保证每一处焊点都不会发生焊点开裂，经丝和纬丝丝条全熔透且不得有漏焊、气孔、夹渣等缺陷；焊缝螺旋方向应按设计要求制成左旋或右旋，螺旋升角为30°为宜；

除螺旋卷焊机卷焊螺旋筛缝夹克方式外，还可以采用车床走螺距的方式，在芯轴上螺旋包扎带状筛板后焊接成形。也可以用车床走螺距的方式，直接在基管（油管）上螺旋包扎带状筛板后焊接成形。

6、产品精整

采用挤锻工艺（swaging process）或缩径工艺精整产品，使其尺寸、圆度公差、筛缝间隙尺寸达到设计要求。挤锻工艺的操作参数按特殊过程做试验验证后确定。

本发明以3-1/2”（φ88.9mm）某深井、高产、高腐蚀性天然气井用防砂管的螺旋筛缝夹克为例，其技术参数如下：

井深 m 8050；

地层压力 MPa 100；

流动压力（井底压力）MPa 95；

流量 M³/天（标准状况） 100×10^{4 ；}

温度 ° C 170；

H₂S、CO₂含量 ＞3%；

砂中值mm 0.10；

要求防砂粒径mm 0.10；

螺旋筛缝夹克缝宽mm 0.10；

螺旋筛缝夹克内径/外径mm 89.9/98.3；

径丝尺寸（梯形）mm 2×2.2；

纬丝尺寸（矩形）mm 1×2；

缝隙开孔率 % 9.1；

螺旋筛缝夹克材料 304L；

热处理要求 消除应力退火。

Claims (1)

1.一种油气井防砂用螺旋筛缝夹克，其加工方法是：

1、利用绕丝筛管的制造工艺制作精密筛缝

螺旋筛缝夹克用304L、304、316L不锈钢材料制造，筛缝用绕丝筛管的制造方法成形，缝隙宽度0.05mm-3.0mm，绕丝筛管长度2000mm-12000mm；

2、绕丝筛管改制为条状筛板

将上述绕丝筛管沿母线切开后展开、矫平成为筛板，按80mm-300mm宽度沿径丝（2）外侧切割成条状筛板，上述筛板尺寸为914.4×4000mm，沿宽度方向分切为6件相同的152.4×4000mm条状筛板，

3、拼接带状筛板

按长度方向，即径丝方向将条状筛板对接焊接成长度足够的带状筛板，焊接时要求相焊两件条状筛板的径丝1两两对接、熔透，焊接后成为152.4×24000mm的带状筛板，两筛板端部的纬丝丝条精密贴合无缝，两条状筛板的两侧边即所有纬丝丝条的两端平齐；

4、消除应力处理

带状筛板焊接后进行消除应力处理，1050-1100°C氢气或氩气保护退火；

5、卷焊螺旋筛缝夹克

用专用螺旋卷焊机将上述带状筛板卷焊成螺旋筛缝夹克，带状筛板的两侧面即纬丝丝条的两端都通过连续焊与带状筛板两侧的径丝焊接成一体；采用全熔透氩弧焊方式保证每一处焊点都不会发生焊点开裂，经丝和纬丝丝条全熔透且不得有漏焊、气孔、夹渣等缺陷；焊缝螺旋方向应按设计要求制成左旋或右旋，螺旋升角为30°为宜；

6、产品精整

采用挤锻工艺或缩径工艺精整产品，使其尺寸、圆度公差、筛缝间隙尺寸达到设计要求，挤锻工艺的操作参数按特殊过程做试验验证后确定。