油气井防砂冲蚀试验装置.pdf

Hy dr a ul i cs Pne u m a t i c s Se al s ／ No． 06． 2 01 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ ] ． i s s n 。 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 1 3 油气井防砂冲蚀试验装置 刘宗恩， 韩兵奇， 张 坤 中国石油大学 华东 机电装备教学实习总厂， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 摘 要 防砂筛管被地层砂冲蚀失效的现象普遍存在， 其破坏形式有喷射冲蚀和孔缝冲蚀。根据生产实践和筛管破坏原理提出筛管防 砂试验要求和冲蚀评价方法 ， 并据此研制了油气井防冲蚀试验装置。该装置由供气系统 、 供液系统、 主体装置 、 数据采集及控制系统 组成。该装置设有气体和液体两套试验系统， 可选择性地进行气井和油井防砂冲蚀试验。其主体装置的测试箱设有透视窗口， 实现 了操作可视化 ； 筛管样件与喷嘴夹角可调， 能进行各种冲蚀破坏试验； 系列化的喷嘴规格 ， 能适应不同粒径的地层砂试验； 采用激光多 普勒测速仪监测砂粒速度， 实现了精准控制。应用表明， 该装置操作简单 ， 试验精准 ， 为防砂筛管的设计提供了强有力的数据支撑。 关键词 防砂筛管； 冲蚀； 评价； 精准控制 中图分类号 T H1 3 7 ； T H1 3 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 6 0 0 3 5 0 4 Er o s i o n Te s t De vi c e o f t he Sa n d M a na g e me n t f o r Oi l a n d Ga s We l l L I UZ o n g - e n , HANBi n g - q LZ HANGKu n Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l P l a n t F a c t o r y , C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m E a s t C h i n a ， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s c e r t a i n l y u b i q u i t o U S f o r s i e v e t u b e o f t h e s a n d ma n a g e me n t o f e r o s i o n d a ma g e ， wh o s e d e s t r o y for ms i s j e t e r o s i o n and a p e r t u r e e r o s i o n ． T e s t r e q u i r e m e n t s a n d e v a l u a t i o n m e t h o d s o f e r o s i o n o f s i e v e tub e we r e r a i s e d o n the b a s i s o f d a ma g e t h e o r y an d p r o d u c t i o n p r a c t i c e ． Th e r e f o r e ． a e r o s i o n t e s t d e v i c e o f th e s a n d man a g e me n t for o i l an d g a s we l l wa s d e v e l o p e d ． Th e d e v i c e wa s ma d e u p o f g a s s y s - t e m， l i q u i d s y s t e m ， m a i n u n i t ， c o n tr o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m． I t h a d t wo t e s t s y s t e ms l i q d a n d g a s s y s t e m， an d c o u l d h a v e a e r o s i o n t e s t f o r l i q u i d o r g a s ． Th e r e wa s a p e r s p e c t i v e wi n d o w o n t h e t e s t b o x i n t h e m a i n u n i t ， S O t h e c o u r s e o f e r o s i o n c o u l d b e s e e n ； t h e an g l e b e t we e n t h e n o z z l e and t h e s a mp l e o f s i e v e tub e c o u l d b e a d j u s t e d ， S O i t c o u l d d o k i n d s o f e r o s i o n e x p e ri me n t s ； s e ri a l i z a t i o n n o z z l e s c o u l d a p p l y t o l o t s o f d i a me t e r s o f s a n d s ；t h e s p e e d o f s o l i d s wa s m e t e r e d b y l a s e r d o p p l e r a n e m o me t r y ,a n d c o n t r o l l e d p r e c i s e l y ． Ap p l i c a t i o n p r o v e d tha t t h e d e v i c e o p e r a t e d s i mp l y , t e s t e d a c c u r a t e l N a n d s u p p l i e d f o r c e f u l d a t a for d e s i g n o f s i e v e tub e o f t h e s a n d ma n a g e me n t ． Ke y wo r d s s i e v e tub e o f t h e s an d m a n a g e me n t ； e r o s i o n ； e v a l u a t e ； p r e c i s e c o n t r o l O 引言 防砂筛 管是机械 防砂工艺 中的最重要 工具之一 ， 关系到油气井的防砂效果及防砂有效期⋯ 。一旦筛管 失效 ， 将导致防砂失败 ， 油气井大量 出砂 ， 造成减产 、 停 产等 事故 。冲蚀破坏 是造 成筛管失 效 的主要 原 因之 一 ，在疏松的砂岩油气藏中， 流体携带地层砂经过炮眼 时， 压力降低， 流速增大， 高速气 、 固或液、 固两相流对 井下筛管造成冲蚀磨损。此外 ， 流体携带砂粒通过筛 管过滤孔道或缝隙时对孔缝内壁造成冲蚀磨损 。生产 实践表明， 筛管长期在油气井高速含砂流体的作用下， 局部冲蚀现象普遍存在， 尤其是筛管的过滤单元 ， 在冲 蚀 作用下滤孔极易发生破坏 ， 导致防砂失败 ， 大大缩短 了筛管 的使用寿命 。鉴 于此 ， 研 制了油气井 防冲蚀 试验装置 ， 针对筛管开展冲蚀试验研究及耐冲蚀性能 的检测评价 。 收稿 日期 2 0 1 5 0 4 1 0 作 者简 介 刘 宗恩 1 9 7 2 - ， 男 ， 山东 莱 阳人 ， 高级 T程 师 ， 硕 士 ， 现 从事 产 品开发研究 丁作 。 l 试验要求 筛管 的冲蚀破坏 主要存在 两种形式 一是筛 管外 未形成砂层时， 高速流体携带砂粒从炮眼中直接喷射 到筛管表面， 将筛管冲破 ， 称之为喷射冲蚀； 二是筛管 外形成砂层后 ， 部分过滤单元 出现堵塞 ， 流体携带细粉 砂 高速通 过未堵 塞的过滤单元 的孔缝 ， 对孔缝 内壁进 行冲蚀磨损 ， 导致孔缝变大 ， 防砂失效 ， 称之为孑 L 缝 冲蚀 。 根据防砂筛管冲蚀失效的实际工况 ， 结合防砂材 料冲蚀性能影响因素， 防砂 样件 冲蚀试验应该满足 如下要求 1 1 砂粒速度须精确计量 ， 严格控制 砂粒速度是影 响筛管 冲蚀 的最主要因素 ， 其 速度 变 化将 导致试 验结果的变化 ， 因此砂粒速度必 须精确 控制和精准调节 。 2 分别进行不同粒径的砂粒试验 砂粒粒径是影响筛管冲蚀很重要的因素， 必须评 价不同砂粒粒径对防砂样件 的冲蚀作用。 3 砂粒含量必须精确控制 3 5 液 压 气 ,roJ 密 ／2 0 1 5年 第 0 6期 砂粒含量 的变化会导致 冲蚀试验结果变化 ， 因此 应精确调节含砂量， 并严格控制， 保持稳定。 4 冲蚀角度可调 筛管在井下受力情况非常复杂 ， 会产生各种变形 ， 导致筛管表面与炮眼轴线产生偏 斜 ， 因此必须评价不 同冲蚀角下筛管的抗冲蚀能力 。 5 能评价液固冲蚀和气 固冲蚀 为了能够分别评价筛管在油井和气井中的抗冲蚀 性能 ， 须分别进行液固冲蚀和气 固冲蚀评价 。 2 评价方法 为 了对 比评价 不同筛 管过滤 单元 的耐冲蚀 性能 ， 采用 冲蚀破坏 时间法作为评价参数 ， 即监测筛管样件 背面流体中的含砂量， 当含砂量突然增大时， 表明冲蚀 样件被 破坏 ， 对应的时间 即为冲蚀 破坏时间。相 同冲 蚀条件下 ， 冲蚀破坏时间越长 ， 说明样件 的耐冲蚀性能 越好 。 3 试验装置 根据试验要求和评价方法 ， 设计 的油气井 防砂冲 蚀试 验装置包括供气 系统 、 供 液系统 、 主体装置 、 数据 采集及控制系统 ， 如图 1 所示 。 仪 0 1 一 搅拌 电机2 一 砂 罐3 一 搅拌 桨4 一 螺旋给料器 电机5 一 螺旋给料器 6 一 混砂器7 一 加速管8 一 冲蚀喷嘴 9 一 试验样室 1 0 一 筛管样件夹具 图 1 油气井防砂冲蚀试验装 置 1 供气 系统 供气系统用于模拟气井工况 ， 由静音空压机 、 储气 罐、 精密减压器、 气体流量计等组成。静音空压机产生 的压缩气体进人储气罐， 经精密减压器减压后， 再经过 气体流量计进入加砂喷嘴。 2 供液系统 供 液 系统用于模拟 油井工 况 ， 由水箱 、 高压柱 塞 泵 、 缓冲器、 阀门管线等组成。供液系统与供气系统并 联 ， 选其一进行油井或气井 防砂冲蚀试验 。 3 6 3 主体装置 主体装置是进行冲蚀试验的主要场所， 主要由撬 装底座 、 砂罐 、 搅拌器、 加砂 系统 、 混砂器 、 加砂喷嘴 、 加 速管、 冲蚀喷嘴 、 测试箱 、 测试夹具等组成 。 砂罐用 5 m m厚不锈钢板卷制 、 焊接而成 ， 主要 由直 筒段及锥筒段组成 。砂罐 固定在底座上 ， 其下与螺旋 给料器联接 ， 其 内部砂粒 由螺旋给料器输送至混砂器 内； 砂罐上部安装搅拌器 由电机 、 减速器 、 搅拌轴 、 叶 片等组成 ， 搅动砂粒 ， 使砂粒 能顺利地 向下进人螺旋 给料器 。 螺旋给料器设计 主要 由螺旋机 、 传动组件 、 电机和 调速控制器组成 。该装置可将砂罐 中的石英砂以一定 的速度输 出， 使 用伺 服电机带动螺旋推进装置实现砂 粒 的连续输送 ， 输送速度可 以设定并 以数字显示 。 混砂器是一种射流结构 。高速流体通过射流喷嘴 后形成负压， 吸人石英砂， 从而将流体与石英砂充分混 合 ， 而后送人冲蚀喷嘴试验 。 测试箱又称试验样室 ， 为一箱体 ， 其下 开 口， 实验 过程 中喷 出的气体或液体及石英砂 由开 口排出 ， 进人 试验样室下方 的水泥池 内， 防止实验过程 中累积 的石 英砂妨碍喷嘴与冲蚀样片问的流道。试验样室的侧面 开 窗 口， 以玻璃或有机玻璃板 封堵 ， 形成观察窗 ， 通过 数码相机或直接 目视观察 ， 判断冲蚀样件的破坏程度。 可调组合 调节框架 由滑块 、 导轨 、 万 向轴等组成 。 安装 在试验样室 内壁 ， 筛管样件夹具 固定在 可调组合 调节框架的万向轴上 ， 可实现试样的上、 下、 左、 右移动 及 冲击角度的调节。 4 数据采集控制系统 数据采集控制系统用于采集试 验过程 中各处 的数 据， 并进行精准控制 ， 主要由控制机柜、 计算机 、 打印 机、 流量计 、 压力传感器 、 采集模块、 传输模块、 P L C 等 组成 。 由于砂粒 的速度不等于流体 的速度 ， 需要采取激 光多普勒i 贝 4 速仪对砂粒速度进行监测 。激光多普勒测 速仪在测试过程 中不能有大量 灰尘 ， 因此在测量喷嘴 出口砂粒速度的过程 中， 喷嘴前方不应有阻挡物 ， 避免 喷射 的砂粒撞击阻挡物造成砂粒 回流和产生 粉尘 ， 影 响测试效果 。 4 主要技术参数 工作压力 0 ． 8 MP a 气体 ， 2 8 MP a 液体 ； 试验温度 室温 ； 加砂 速度 O～8 L ／ mi n ； 加砂喷嘴直径 3 m m， 4 m m， 5 m m； Hy dr a ul i cs Pne u ma t i c s Se a l s ／ No． 06 ． 201 5 冲蚀 喷嘴直径 2 m m， 3 m m， 4 m m， 5 m m， 6 m m， 8 m m； 排量 1 ． 5 m ／ mi n 气体 ， 1 0 0 L ／ mi n 液体 ； 石英砂粒度 0 ． 1 ～1 ． 3 5 mm； 试样与喷嘴角度 l O 。 一9 0 。 可调 ； 冲蚀靶距 5～5 0 m m可调 。 5 主要技术特点 1 测试箱有透视窗 口， 可视化操作 ， 直观明了； 2 筛管样件角度可调 ， 可实现试样的上、 下 、 左、 右移动及冲击角度的调节 ； 3 多 规 格 喷 嘴 设 计 ， 适 用 于 不 同 粒 径 的 砂 粒 试验 ； 4 可 视化友 好软件操 作界 面 ， e x c e l 表格 录取数 据， 操作简单 ， 数据处理方便 ； 5 采用激光多普勒测速仪对砂粒速度进行监测 ， 用P L C 进行精确控制， 精度高， 试验准； 6 根据试验要求， 可分别进行气井、 油井防砂冲 蚀模拟试验 。 6 操作方法 6 ． 1气井防砂冲蚀试验 1 操作准备 1 将空压机 、 储罐 、 减压器及相应的管线与混砂 器 、 加砂喷嘴 、 加速管联接 ； 2 确认涡旋空气压缩机出口球阀打开； 气体储罐 出口球阀打开， 减压器调节旋钮处于关闭状态； 3 向砂罐 内加入足量的一定粒径的砂 ； 4 接通电源 ； 5 打开计算机， 进人“ 气井防砂样冲蚀试验装置 软件系统” ； 6 进行 压力及流量校零 、 量程设定 ， 设定试验参 数 ， 如砂粒类型、 砂粒直径等 ； 7 点击“ 开始 ” 按钮 ， 试验开始 。 2 操作步骤 1 按 下空压机 的“ 启 动” 按 钮 ， 空压机工作 ， 气体 进入气罐， 压力慢慢升高； 2 J项时针旋转与气罐联接的减压器的旋转手轮， 调整减压器 的出口压力 ， 同时密切注意气体涡轮流量 计 的读数 ， 直 至达到所需 的气体流量或系统压力 ， 停止 调节减压器 ； 3 设定搅拌速度 ， 点击“ 开始搅拌” ， 设定“ 存盘周 期” 、 “ 含砂浓度” ， 点击“ 开始加砂” ； 4 试验完成后 ， 点击“ 停止加砂” 、 “ 停止搅拌 ” 、 “ 开始存盘” ， 存盘完成后 ， 点击“ 退出试验” ； 5 进入“ 数据处理 ” 界面 ， 点击 “ 存至 e x c e l ” ， 将试 验数据存为 e x c e l 文件 ； 6 退出软件， 试验结束。 6 ． 2 油井防砂冲蚀试验 1 操作准备 1 将 高压柱 塞泵 、 缓 冲器及 相应 的管线 与混砂 器 、 加砂喷嘴 、 加速管联接 ， 将超声 流量计 的探头 固定 在与缓冲罐相联的三通管上， 用氮气瓶向缓冲罐内加 压， 加压完成后， 关闭缓冲罐下的针阀， 关闭氮气瓶， 打 开氮气瓶与缓冲罐之间的放气侧管的针阀； 2 确认水箱内水的量足够， 高压柱塞泵的阀门已 打开 ， 砂罐 内已加入足量的砂 ； 3 接通 电源 ； 4 打开计算机 ， 进入“ 气井防砂样冲蚀试验装置 软件系统” ； 5 进行压力及 流量 校零 、 量程设定 ， 设定试验参 数， 如砂粒类型、 砂粒直径等； 6 点击“ 开始” 按钮， 试验开始。 2 操作步骤 1 启动多级离心泵 ， 调节至所需的流量 ； 2 设定搅拌速度， 点击“ 开始搅拌” ， 设定“ 存盘周 期” 、 “ 含砂浓度” ， 点击“ 开始加砂” ； 3 试验完成后， 点击“ 停止加砂” 、 “ 停止搅拌” 、 “ 开始存盘” ， 存盘完成后， 点击“ 退出试验” ； 4 进人“ 数据处理” 界面， 点击“ 存至e x c e l ” ， 将试 验数据存为 e x c e l 文件 ； 5 退出软件， 试验结束。 7 结论 1 测试箱设有透 明窗 口， 样件 冲蚀过程观察 清晰 ； 2 筛管样件与喷嘴角度可大范 围调节 ， 充分试验 样件的冲蚀效果 ； 3 不同粒径的砂粒可选用不同规格的喷嘴； 4 采用激光多普勒测速仪对砂粒速度进行监测 ， 精度高 ， 符合冲蚀试验要求 ； 5 应用表明， 该装置操作简单， 试验精准， 为防砂 筛管的设计提供了强有力的数据支撑。 参考文献 [ 1 】 董长银． 油气井防砂技术【 M】 ． 北京 中国石化出版社， 2 0 1 1 ． [ 2 】 万仁溥， 罗英俊． 采油技术手册 修订本 第七分册， 防砂技术 [ M】 ． 北京 石 油工 业出版社， 1 9 9 1 ． 【 3 】 胡盛忠． 石油工业新技术与标准规范手册[ M】 ． 哈尔滨 哈尔 滨地图出版社， 2 0 0 3 ． 3 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2O 1 S年 第 0 6期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 1 4 管接头O形圈密封故障分析及防范措施 李国真 ， 张丽琴 ， 陶 鹏 柳工机械股份有限公司 ， 广西 柳州 5 4 5 0 0 6 摘要 该文基于工程机械产品的液压管接头O形圈常见漏油现象 ， 从管接头O形圈的设计 、 装配及储存等多方面分析液压管接头产 生漏油故障的原因， 结合作者长期从事这方面的工作中积累的一些经验与体会， 总结出一系列有效的措施。 关键词 管接头 ； O形圈； 故障分析； 防范措施 中图分类号 T B 4 2 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 6 0 0 3 8 0 3 Co u p l e r O r i n g Se a l Fa i l u r e An a l ys i s a n d Pr e v e n t i v e M e a s ur e s L IGu o - z h e n , Z HANG L i q i n , T AO Pe n g G u a n g x i L i u g o n g Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s c o mmo n l e a k a g e p h e n o me n o n o f O r i n g b a s e d o n t h e e n g i n e e ri n g ma c h i n e r y p r o d u c t s ． T h e c a u s e s a n a l y s i s 0 fO i l l e a k a g e i s f r o m t h e d e s i g n o f0- ri n g a s s e mb l y a n d s t o r a g e e t c ． Th e a u tho e n g a g e d i n t h i s wo r k l o n g l y , s u mme d u p a s e rie s o fe l - f e c t i ve me a s u r es ． Ke y wor ds c o u p l e r ； O- r i n g ； f a u l t a n a l y s i s ； p r e v e n t i v e me a s u r e s 0 引言 在所有液压管接头的密封形式 中， O形圈的密封是 液压系统附件结构内部应用最广泛 的一种密封方式 ， 其主要特点是 尺寸小装拆方便 、 动静密封均可用 、 静 密封几乎没有泄漏 、 单件使用双 向密封 、 动摩擦力小 、 价格低等 。但在整个液压系统 附件 的故 障模式 中， 由 于各种原因， 管接头的漏油问题， 始终成为工程机械液 压系统漏油的主要因素。本文结合相关标准、 手册及 实际改进经验 ， 从设计 、 制造 、 装配 、 储存等方面对液压 管接头 O形圈密封漏油 的问题进行分析 。 1 管接头常用 0 形密封结构类型 在工程机械液压系统中， 使用频率较高的管接头 O 形密封结构及标准如下 2 4 。 锥 O形圈密封 ， 执行标 准 I S 0 8 4 3 4 1 ， 这是工程机械行业螺纹连接类型中使用频 率最高的密封结构 ， 普遍用于管子内径为2 5 ra m以下的 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 1 4 作者简介 李围真 1 9 8 1 一 ， 男， 广西柳州人， 工程师， 本科， 研究方向是 流体连接件及密封件。 [ 4 】 王深维． 现代修井工程关键技术实用手册【 M1． 北京 石油工 业 出版社， 2 0 1 1 ． 【 5 ] 安青龙． 割缝筛管损坏影响因素与载荷分析[ J 1 ． 管理观察， 2 0 1 0 ， 1 2 7 9 1 8 0 ． 低 、 中 、 高 压 连 接 ； 法 兰 式 O形 圈 密 封 ， 执 行 标 准 I S O 6 1 6 2 ／ S A E J 5 1 8 ， 建议用于管子内径为2 5 m m以上的 低 、 中 、 高压连接 ； 角密封 0形柱端密封 ， 执行标准公制 I S 0 6 1 4 9 ／ 制 I S O1 1 7 9 ／ 美 制 I S O1 1 9 2 6 ， 实现 液压 元 件 与 管 路之 间 的过 渡连 接 ； 平 面 0形 密 封 ， 执 行 标 准 I S O 8 4 3 4 3 ， 液压系统较为常用的螺纹连接 、 端面 O形 形密封形式 ， 与法兰式O形圈密封功能相似。液压管 接 头还有很 多密封 结构形 式 ， 例如 6 0 o 、 7 4 。 、 9 0 。 锥 密 封 、 球密封等 ， 在某些领域也得到较为广泛应用。 2 O 形 圈主要故障模式 从大多数 市场反馈 的整体来 看 ， 液压 管接头 O形 圈密封失效的主要形式为表面开裂漏油 、 切边漏油 、 本 身缺陷漏油等。漏油的具体部位主要有两种情况 一 是接头体与液压元件之间的连接处漏油； 二是接头体 与管路的连接处。这两种情况引起 的密封失效漏油 占 8 5 ％左右 。 3 液压管接头漏油问题原因分析 3 ． 1设计原因 1 管接头的图纸设计尺寸不符合密封标准要求 ， 【 6 】 车强． 超稠油油藏水平井筛管损坏研究与保护对策[ D 】 ． 北京 中国石油大学， 2 0 0 9 ． [ 7 】 何育荣， 朱海波． 膨胀筛管的研制及现场试验【 J ] ． 石油钻探技 术， 2 0 1 1 , 3 9 3 1 0 6 1 0 9 ．