CN111077062A - 一种套管孔眼冲蚀试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套管孔眼冲蚀试验系统及方法，包括搅拌罐、增压泵、冲蚀试验箱和减压箱。搅拌罐、增压泵和冲蚀试验箱之间通过管路连接形成气液固三相流体循环回路；试验套管经过外部加载块模拟孔眼处地层外挤应力作用；气液固三相流体经混合均匀并加温后，通过增压泵高压泵入密封试验套管的冲蚀试验箱，并根据试验要求精确控制流体流量；在试验循环过程中，冲蚀流体始终保持从试验套管外壁通过孔眼向内壁流动；试验结束后，使用减压箱对冲蚀回路系统安全泄压。本发明真实模拟了高温、高压、气液固三相流以及受外挤载荷的多因素耦合作用下的油气井产层出砂工况，有效评估了射孔套管孔眼周围的冲蚀行为，并具有较高的试验安全性。

Description

一种套管孔眼冲蚀试验系统及方法

【技术领域】

本发明属于油井管性能检测评价技术领域，涉及一种套管孔眼冲蚀试验系统及方法。

【背景技术】

油气井出砂是油气藏开发过程中普遍存在的问题之一，根据现场调研得知，目前高温高压区块油气井井筒堵塞比例超过50％，其主要原因多与产层出砂有关。产层出砂不但导致井筒堵塞、减产，还会造成油套管及井下工具冲蚀，严重威胁井筒结构完整性。由于油气井套管损伤后修井难度大，可能造成井筒不可逆的破坏，因此在各类出砂所致危害中，套管冲蚀对于油气井的影响最为严重。在油气井井身结构中，射孔段套管尺寸规格较小，射孔后孔眼周围管体的强度也会随之降低；此外，由于位于目的层(最深层)，射孔段套管还面临高温、高压、高外挤压力以及强腐蚀环境等极端苛刻工况。当产层出砂时，高流速砂砾与地层流体混合后通过套管孔眼冲入井筒，使得孔眼附近管壁面临最高的冲蚀风险；此外，油气井产层多含CO₂等腐蚀性气体，与出砂液混合后形成的气液固三相腐蚀性流体会进一步加剧套管的冲蚀损伤。因此，针对油气井出砂工况，开展套管孔眼冲蚀行为研究，准确预测评估套管的剩余强度及寿命，对于保障油气井井筒安全高效构建具有重要指导意义。

目前，针对石油管材及装备的冲蚀行为研究主要采用多相流冲刷回路模拟试验方法：中国专利CN 105403503 B公开了“一种油井管屈曲管柱的高温腐蚀和冲蚀试验装置”，该方法建立了储罐和冲刷腐蚀通道之间的冲蚀回路，可检测高温凝析水气相、气固两相、液相或液固两相流体作用下的小尺寸试样的冲蚀量以及电化学参数；中国专利CN 105866018B公开了“用于评价油气管道在高流速下冲刷腐蚀的试验装置及方法”，该装置及方法主要包括薄液层冲刷通道以及流体储罐组成的流体回路，可获取小尺寸试样在高流速薄液层(气液两相)冲刷条件下的腐蚀热力学信息、动力学信息、平均腐蚀速率信息、流体对试样表面的力学信息；中国专利CN 103575639 B公开了“压裂滑套冲蚀试验方法”，该方法是建立在主要由混砂器、高压泵、检测仪器、球座滑套、循环储液池依次通过高压管线串接的封闭循环系统，可模拟砂液两相流对压裂滑套实物试样的冲蚀行为。然而，由于射孔套管结构及其所处井下环境的复杂性，若参考上述方法进行试验，主要存在以下问题及难点：

(1)套管孔眼冲蚀行为评估需要考虑射孔枪射孔以及套管几何尺寸的影响，现有可实现高温、高压、腐蚀环境及应力耦合作用的冲蚀试验装置及方法，主要针对小尺寸标准试样，无法模拟实物套管射孔后孔眼的出砂冲蚀行为。

(2)由于试样尺寸的限制，现有针对实物试样的冲蚀试验装置及方法多未设计封闭的冲蚀试验箱，因此仅能够模拟管体试样内壁的冲蚀行为；试样尺寸较大时，难以对试样加载，无法评估试样在外加载荷条件下的冲蚀特征；由于实物试验多在室外借助大功率的泵车或压裂车等大型设备，模拟高温高压三相流循环回路的危险性较高。

因此，迫切需要开发一种流体循环回路系统，包括可安装较大尺寸石油管试样的封闭冲蚀试验箱，可模拟高温、高压、气液固三相流以及受力的多因素耦合作用下的油气井产层出砂工况，并具有较高的安全性。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种套管孔眼冲蚀试验系统及方法，通过模拟高温、高压、腐蚀介质以及外加载荷多因素耦合作用下生产套管孔眼处的冲蚀损伤行为，对油气井产层出砂工况下的射孔段套管套损情况进行有效评估，进一步指导油井管柱结构优化设计。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种套管孔眼冲蚀试验系统，包括：

搅拌罐，所述搅拌罐的出口依次连接增压泵和冲蚀试验箱，冲蚀试验箱的出口连接搅拌罐的入口，形成气液固三相流体循环回路；搅拌罐上还连接有减压箱、水箱以及CO₂气罐；

冲蚀试验箱，所述冲蚀试验箱内安装有试验套管；

试验时，三相流体始终保持从试验套管外壁通过孔眼向内壁流动，再由所述冲蚀试验箱的出口流出，最终回流至所述搅拌罐开始下一循环；试验完成后，三相流体进入所述减压箱进行泄压。

本发明系统的进一步改进在于：

所述搅拌罐上安装有加热器和第一压力表。

所述搅拌器与减压箱之间的管道上设置有第一阀门，所述搅拌器与水箱之间的管道上设置有第二阀门，所述搅拌器与CO₂气罐之间的管道上设置有第三阀门，所述搅拌器与增压泵之间的管道上设置有第四阀门，所述搅拌器与冲蚀试验箱之间的管道上设置有第五阀门。

所述增压泵与所述冲蚀试验箱进口之间的管路上安装有流量测量控制器和第二压力表，通过流量测量控制器控制进入冲蚀试验箱的进液流量。

所述试验套管上开设有孔眼，两端通过第一加载块和第二加载块实现外部加载，使孔眼附近的套管外壁受压，孔眼的直径不小于9mm；所述孔眼的周围和背部设置有多个应变片，用于测量孔眼周围的实际载荷。

所述第一加载块和第二加载块的结构相同，均包括两个加载平板，试验套管夹持在两加载平板之间，且两加载平板通过多个加载螺栓相连，并通过加载螺栓调节位移量；试验套管通过第一加载块和第二加载块加载时，第一加载块和第二加载块的加载面轴线重合，且穿过孔眼的圆心。

所述试验套管的一端焊接转接头，另一端焊接堵头；冲蚀试验箱为一端开口的箱体，开口端设置密封连接的盖板，盖板的中部设置出液口，转换接头的出口与出液口螺纹连接；冲蚀试验箱的侧面开设进液口，进液口与试验套管的孔眼对中。

所述盖板通过密封圈与冲蚀试验箱的开口端密封，并通过多个紧固螺栓固定。

所述冲蚀试验箱的侧面设置有加热丝，最外层包裹保温套。

一种采用上述套管孔眼冲蚀试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：在试验套管中心位置，由内向外射穿一直径不小于9mm的孔眼；

步骤2：在孔眼两侧分别安装加载块，并使孔眼的圆心位于加载面轴线上；

步骤3：在孔眼周围的管体上及其背面对应位置粘贴多个应变片，并连接至电阻应变仪；

步骤4：根据电阻应变仪测量数据计算出实际应力值，通过调节加载螺栓位移控制孔眼附近的应变，直至满足试验所需压应力后，去除应变片；

步骤5：在试验套管的一端焊接转接头，另一端焊接堵头，并连接至盖板的出液口上；

步骤6：将盖板装至冲蚀试验箱上，并使孔眼与冲蚀试验箱侧面的进液口对中；

步骤7：根据试验要求，配置模拟地层水溶液，加入水箱中；

步骤8：按照试验所要求砂比，将砂砾加至搅拌罐内，再将水箱中的模拟地层水溶液导入搅拌罐，搅拌均匀后开启加热器，使砂液升温至试验所需温度；

步骤9：打开CO₂气罐，使搅拌罐内的CO₂分压升至试验要求压力值；

步骤10：开启增压泵，调节增压泵出口处的砂液流速至试验要求值，并记录冲蚀试验箱进口处压力；

步骤11：开启冲蚀试验箱的加温装置，当温度稳定在试验要求温度后视为试验开始；

步骤12：试验完成后，将冲蚀流体导入减压箱泄压；

步骤13：使用清水对冲蚀回路进行冲洗，冲洗完成后关闭增压泵，然后泄压；

步骤14：取出试验套管，测量壁厚损失情况，对孔眼处宏微观形貌以及理化性能进行分析，最终评估孔眼冲蚀后的剩余强度及寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明套管孔眼冲蚀试验系统，可有效评估气液固三相流体由套管外壁向内壁流动时对射孔孔眼的冲蚀行为；通过对冲蚀流体加温加压加CO₂气体，可真实模拟油气井产层的高温高压含腐蚀性气体的出砂工况；通过对试样两端加载可实现孔眼周围受压，有效模拟地层对套管的外挤受力条件。基于所述试验系统的试验方法真实模拟了深层油气井出砂条件下的复杂环境及受力工况，弥补了现有技术难以进行实物验证实验的不足，对射孔套管孔眼的冲蚀损伤特征进行了有效评估，为保障了油气井管柱结构完整性提供了技术支撑。

【附图说明】

图1为本发明冲蚀回路系统的示意图；

图2(a)为本发明试验套管加载时的结构示意图；

图2(b)为图2(a)的后视图；

图2(c)为本发明试验套管加载时的侧面结构示意图；

图3(a)为本发明冲蚀试验箱的剖视图；

图3(b)为本发明冲蚀试验箱的盖板结构示意图。

图中：1-搅拌罐，2-增压泵，3-冲蚀试验箱，4-减压箱，5-加热器，6-压力表，7-水箱，8-CO₂气罐，9-第一阀门，10-第二阀门，11-第三阀门，12-第四阀门，13-流量测量控制计，14-压力表，15-第五阀门，16-试验套管，17-孔眼，18-应变片，19-加载块，20-加载块，21-加载面轴线，22-加载螺栓，23-转接头，24-堵头，25-盖板，26-出液口，27-进液口，28-密封圈，29-紧固螺栓，30-加热丝，31-保温套。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明套管孔眼冲蚀试验系统，包括搅拌罐1、增压泵2、冲蚀试验箱3以及减压箱4。所述搅拌罐1、所述增压泵2和所述冲蚀试验箱3之间通过管路连接，形成气液固三相流体循环回路；三相流体首先经所述搅拌罐1混合均匀后，由所述增压泵2高压泵入装有试验套管16的所述冲蚀试验箱3，所述冲蚀试验箱3内的三相流体始终保持从试验套管16外壁通过孔眼17向内壁流动，再由所述冲蚀试验箱3出口流出，最终进入所述搅拌罐1开始下一循环；试验完成后，将三相流体导入所述减压箱4泄压。搅拌罐1安装有加热器5和第一压力表6；搅拌罐1单独与减压箱4、水箱7、CO₂气罐8连接；搅拌罐1与减压箱4之间管路安装第一阀门9；搅拌罐1与水箱7之间管路安装第二阀门10；搅拌罐1与CO₂气罐8之间管路安装第三阀门11。搅拌罐1出液口与增压泵2进液口之间管路安装第四阀门12。增压泵2出液口与冲蚀试验箱3进液口之间高压管路安装流量测量控制计13和第二压力表14，通过流量测量控制器13控制所述冲蚀试验箱的进液流量。冲蚀试验箱3出液口与搅拌罐1进液口之间管路安装第五阀门15。

射孔后的试验套管16在装入冲蚀试验箱3前，按照如图2(a)-图2(c)所示方式进行加载。试验套管16的孔眼17周围管体及其翻转180°对应位置粘贴应变片18，精确测量孔眼17处的应变量，如图2(a)和图2(b)所示。射孔后试验套管16两端采用第一加载块19和第二加载块20实现外部加载，使孔眼17附近的套管外壁受压，如图2(c)所示；将第一加载块19和第二加载块20分别装于试验套管16两端，并使加载面轴线21穿过孔眼17圆心。第一加载块19和第二加载块20采用加载螺栓22控制试样变形量，调节位移量。

如图3(a)所示，加载后的试验套管16一端焊接转接头23、另一端焊接堵头24，转接头23出口与盖板25的出液口26螺纹连接；盖板25盖于冲蚀试验箱3上后，应保证孔眼17与进液口27对中，以使得试验时冲蚀流体由进液口27流入孔眼17，再通过试验套管16内部，最后经出液口26流出；盖板25与冲蚀试验箱3之间装有密封圈28，并采用紧固螺栓29紧固，如图3(b)所示；冲蚀试验箱3外壁装有加热丝30，最外层包裹保温套31。

本发明还公开了一种套管孔眼冲蚀试验方法，包括以下步骤：

步骤1：截取一定长度的生产套管试样，使用射孔枪在套管中心位置、由内壁向外壁射穿一直径不小于9mm的孔眼。

步骤2：在孔眼两侧分别安装加载块，孔眼圆心应在加载面的轴线上。

步骤3：在孔眼周围管体及其翻转180°对应位置粘贴应变片，并连接至电阻应变仪。

步骤4：根据电阻应变仪测量数据计算出实际应力值，通过调节加载螺栓位移控制孔眼附近的应变，直至调节至满足试验所需压应力后，去除应变片。

步骤5：将试验套管段一端焊接转接头、另一端焊接堵头后，连接至冲蚀试验箱盖板。

步骤6：将冲蚀试验箱盖板装至箱体上，安装过程中保证试验套管孔眼与冲蚀试验箱进液口对中。

步骤7：关闭第二阀门，采用分析纯级别试剂和去离子水，配置模拟地层水溶液，并将配置好的溶液加入水箱。

步骤8：关闭第一阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门，按照试验所需砂比，向搅拌罐内注入一定量的石英砂，再打开第二阀门注入一定量的模拟地层水，然后关闭第二阀门。

步骤9：开启搅拌罐混合砂液，混合均匀后开启加热器，使砂液温度达到试验所需温度。

步骤10：打开第三阀门，向搅拌罐内注入CO₂，观察压力表，当CO₂分压达到试验要求值时，关闭第三阀门。

步骤11：打开第四阀门、第五阀门，开启增压泵，使用流量控制计控制砂液流速以满足试验要求值。

步骤12：开启冲蚀试验箱加温装置，当温度稳定在试验要求温度后视为试验开始，试验过程中持续记录蚀试验箱进口压力。

步骤13：试验完成后，关闭增压泵和冲蚀试验箱加热装置。

步骤14：关闭第四阀门，打开第一阀门，将冲蚀流体导至减压箱，搅拌罐压力泄至常压后关闭第一阀门、第五阀门。

步骤15：水箱内注入清水，打开第二阀门将清水注入搅拌罐内，然后关闭第二阀门。

步骤16：打开第四阀门、第五阀门，开启增压泵对冲蚀回路冲洗15分钟。

步骤17：关闭增压泵，打开第一阀门，将清水排至减压箱，搅拌罐压力泄至常压后关闭搅拌罐。

步骤18：取出试验套管，测量壁厚损失情况，对试验套管孔眼处宏微观形貌以及理化性能进行分析，最终评估射孔套管孔眼冲蚀后的剩余强度及寿命。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种套管孔眼冲蚀试验系统，其特征在于，包括：

搅拌罐(1)，所述搅拌罐(1)的出口依次连接增压泵(2)和冲蚀试验箱(3)，冲蚀试验箱(3)的出口连接搅拌罐(1)的入口，形成气液固三相流体循环回路；搅拌罐(1)上还连接有减压箱(4)、水箱(7)以及CO₂气罐(8)；

冲蚀试验箱(3)，所述冲蚀试验箱(3)内安装有试验套管(16)；

试验时，三相流体始终保持从试验套管(16)外壁通过孔眼(17)向内壁流动，再由所述冲蚀试验箱(3)的出口流出，最终回流至所述搅拌罐(1)开始下一循环；试验完成后，三相流体进入所述减压箱(4)进行泄压。

2.根据权利要求1所述的套管孔眼冲蚀试验系统，其特征在于，所述搅拌罐(1)上安装有加热器(5)和第一压力表(6)。

3.根据权利要求1所述的套管孔眼冲蚀试验系统，其特征在于，所述搅拌器(1)与减压箱(4)之间的管道上设置有第一阀门(9)，所述搅拌器(1)与水箱(7)之间的管道上设置有第二阀门(10)，所述搅拌器(1)与CO₂气罐(8)之间的管道上设置有第三阀门(11)，所述搅拌器(1)与增压泵(2)之间的管道上设置有第四阀门(12)，所述搅拌器(1)与冲蚀试验箱(3)之间的管道上设置有第五阀门(15)。

4.根据权利要求3所述的套管孔眼冲蚀试验系统，其特征在于，所述增压泵(2)与所述冲蚀试验箱(3)进口之间的管路上安装有流量测量控制器(13)和第二压力表(14)，通过流量测量控制器(13)控制进入冲蚀试验箱(3)的进液流量。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的套管孔眼冲蚀试验系统，其特征在于，所述试验套管(16)上开设有孔眼(17)，两端通过第一加载块(19)和第二加载块(20)实现外部加载，使孔眼(17)附近的套管外壁受压，孔眼(17)的直径不小于9mm；所述孔眼(17)的周围和背部设置有多个应变片(18)，用于测量孔眼(17)周围的实际载荷。

6.根据权利要求5所述的套管孔眼冲蚀试验系统，其特征在于，所述第一加载块(19)和第二加载块(20)的结构相同，均包括两个加载平板，试验套管(16)夹持在两加载平板之间，且两加载平板通过多个加载螺栓(22)相连，并通过加载螺栓(22)调节位移量；试验套管(16)通过第一加载块(19)和第二加载块(20)加载时，第一加载块(19)和第二加载块(20)的加载面轴线(21)重合，且穿过孔眼(17)的圆心。

7.根据权利要求5所述的套管孔眼冲蚀试验系统，其特征在于，所述试验套管(16)的一端焊接转接头(23)，另一端焊接堵头(24)；冲蚀试验箱(3)为一端开口的箱体，开口端设置密封连接的盖板(25)，盖板(25)的中部设置出液口(26)，转换接头(23)的出口与出液口(26)螺纹连接；冲蚀试验箱(3)的侧面开设进液口(27)，进液口(27)与试验套管(16)的孔眼(17)对中。

8.根据权利要求5所述的套管孔眼冲蚀试验系统，其特征在于，所述盖板(23)通过密封圈(28)与冲蚀试验箱(3)的开口端密封，并通过多个紧固螺栓(29)固定。

9.根据权利要求5所述的套管孔眼冲蚀试验系统，其特征在于，所述冲蚀试验箱(3)的侧面设置有加热丝(30)，最外层包裹保温套(31)。

10.一种采用权利要求5-9任意一项所述套管孔眼冲蚀试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在试验套管(16)中心位置，由内向外射穿一直径不小于9mm的孔眼(17)；

步骤2：在孔眼(17)两侧分别安装加载块，并使孔眼(17)的圆心位于加载面轴线(21)上；

步骤3：在孔眼(17)周围的管体上及其背面对应位置粘贴多个应变片(18)，并连接至电阻应变仪；

步骤4：根据电阻应变仪测量数据计算出实际应力值，通过调节加载螺栓位移控制孔眼(17)附近的应变，直至满足试验所需压应力后，去除应变片；

步骤5：在试验套管(16)的一端焊接转接头(23)，另一端焊接堵头(24)，并连接至盖板(25)的出液口(26)上；

步骤6：将盖板(25)装至冲蚀试验箱(3)上，并使孔眼(17)与冲蚀试验箱(3)侧面的进液口(27)对中；

步骤7：根据试验要求，配置模拟地层水溶液，加入水箱(7)中；

步骤8：按照试验所要求砂比，将砂砾加至搅拌罐(1)内，再将水箱(7)中的模拟地层水溶液导入搅拌罐(1)，搅拌均匀后开启加热器(5)，使砂液升温至试验所需温度；

步骤9：打开CO₂气罐(8)，使搅拌罐(1)内的CO₂分压升至试验要求压力值；

步骤10：开启增压泵(2)，调节增压泵(2)出口处的砂液流速至试验要求值，并记录冲蚀试验箱(3)进口处压力；

步骤11：开启冲蚀试验箱(3)的加温装置，当温度稳定在试验要求温度后视为试验开始；

步骤12：试验完成后，将冲蚀流体导入减压箱泄压；

步骤13：使用清水对冲蚀回路进行冲洗，冲洗完成后关闭增压泵(2)，然后泄压；

步骤14：取出试验套管(16)，测量壁厚损失情况，对孔眼(17)处宏微观形貌以及理化性能进行分析，最终评估孔眼(17)冲蚀后的剩余强度及寿命。

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