复合缝腔割缝防砂筛管的研究

复合缝腔割缝防砂筛管的研究

割缝筛管防砂技术剪缝钳和环丝筛是油田常用的机械防砂工具。绕丝筛管在下井时,尤其在通过大斜度井和水平井的弯段时,不可避免地要与井壁或套管发生碰撞、挤压和摩擦,容易出现“乱丝”现象,造成筛管损坏或缝隙变形,致使完井质量和防砂效果降低或失效。割缝筛管因为具有管、缝同体、价格低廉且性能优越,管径大、流阻小和重复利用率高等优点,而被日益广泛地应用于石油工业的水平井、侧钻井、分支井等的完井和出砂层油藏的采油防砂中。割缝筛管除可起到防砂作用外,还可以起到裸眼完井中防止裸眼井壁坍塌堵塞井筒的作用。目前国内外油田上广泛使用的多为矩形或单梯形割缝筛管。矩形割缝的缝宽从管外到管内是一致的,易造成砂粒堵塞,降低防砂效果。单梯形割缝由于入口较尖锐,在采出液及其携带的微细砂粒的挤摩作用下,缝口易磨损,缝宽变大,从而降低了割缝筛管的防砂效果和使用寿命。针对上述问题,开发了新型复合缝腔割缝防砂筛管。该割缝筛管采用了双梯形复合缝腔,具有很强的“自洁”作用,同时,地层压力损失小,使用寿命长,现场应用取得了良好的防砂效果。筛管外侧三角形缝复合缝腔割缝筛管的每条割缝都是由管外至管内依次连接的外窄内宽、角度较小的梯形缝、过渡圆弧和角度较大的梯形缝构成。其显著的结构特点为缝腔外窄内宽。筛管外层梯形缝的角度很小,近似于矩形,可有效降低含砂油流磨损缝腔的速度,延长割缝筛管的使用寿命。管壁内层梯形缝的角度较大,扩大了泵的吸入面积,提高了渗透率,降低了原油的流阻,利于提高原油的采出率。内、外层之间的梯形采取圆弧过渡,无尖锐棱角,缝腔容积逐渐增大,使油流通道为逐渐加宽的缝腔,油流阻力小,压力损失小,有利于原油的采出。复合缝腔割缝筛管的结构如图1所示。优化结构设计1.u3000流体最佳配方的定性分析复合缝腔筛管设计时充分需考虑筛管的原油渗透率、流动阻力及使用寿命等因素。(1)使用寿命长单梯形缝筛管由于角度较大,缝口较尖锐,在采砂油流的摩擦作用下,易使缝口的尖角磨损、缝宽变大,从而降低了割缝筛管的防砂效果和使用寿命。复合缝腔割缝防砂筛管将小梯形入口代替单梯形割缝的尖锐入口,可以显著降低流体冲蚀磨损速度,因而新型筛管的使用寿命可以成倍提高。(2)流阻小,地层压力损失小流体在外层地层压力的作用下,以一定的流速进入筛管。具有一定流速的流体在流经梯形缝隙筛管时,在梯形缝腔内部产生旋涡,旋涡降低了流体的能量,导致流动阻力的增加;而流体在流经复合缝腔割缝筛管时,由于复合缝腔曲线设计为双梯形与过渡圆弧的组合,符合流体的流迹,因此,在入口处未产生旋涡,从而减小了流动阻力。为了比较流体流经梯形缝隙筛管与复合缝腔割缝筛管时的流阻大小,对流体流经筛管时的流阻进行了定性分析。梯形割缝与复合缝腔比较示意图如图2所示。取一相对于筛管是固结的单元体,在时间t内其长度为δx,根据质量守恒定律则有-[ρA(v-u)]xδx=D′Dt[ρAδx](1)D′Dtδx=uxδx(2)−[ρA(v−u)]xδx=D′Dt[ρAδx](1)D′Dtδx=uxδx(2)式中A——割缝的面积,m2;ρ——原油的密度,kg/m3;v——割缝入口处的原油流速,m/s;u——割缝内的原油流速,m/s;D′Dtδx——单元体长度对时间的增长率。将式(1)、(2)联立可得(ρAv)x-(ρA)xu-ρAux+u(ρA)x+(ρA)t+ρAux=0(3)简化整理可得1ρADDt(ρA)+vx=0(4)其中DDt=v∂∂x+∂∂t(5)p=ρg(Η-Ζ)(6)p=ρg(vΗx+Ηt-vΖx-Ζt)(7)将压力计算公式(6)、(7)引入式(5)可得vΗx+Ηt-v+a2gvx=0(8)其中a2=Κ/ρ1+[(Κ/E)(D/e)]c1(9)c1=1-μ2(10)式中a、K、E、e——与结构相关的常数;μ——原油动力粘度,mPa·s。为了对比筛管缝隙为梯形缝隙及新型复合缝腔时流体流过的阻力情况,将情况1筛管缝隙设为梯形缝隙;情况2筛管缝隙设为新型复合缝腔,各下标的含义均相同。将式(8)整理并两边同时积分可得Η1=a12glnA1+c1(11)Η2=a22glnA2+c2(12)Δp=Η2-Η1=a2glnA2A1(13)由于A2>A1,则Δp＞0(14)因此,流体流经梯形缝隙筛管时所产生的流体阻力大于流体流经新型复合缝腔筛管时所产生的流体阻力。(3)防砂效果好,成本低新型筛管具有很强的“自洁”作用,能使缝腔长期保持通畅,降低砂堵现象的发生频率,防砂效果理想。割缝筛管的成本通常只为绕丝筛管成本的30%左右,为油田的高效低成本生产创造了条件。2.复合缝腔割缝筛管的筛选割缝的宽度、长度及条数也为割缝筛管的重要参数,其值通常由经验公式确定。割缝筛管防砂的机理在于在割缝外形成稳定的砂桥,形成砂桥的条件是缝宽e不大于砂砾直径的2倍,即e≤2D10(15)式中e——割缝宽度,mm;D10——砂砾累计分布曲线上占累积质量为10%所对应的砂砾直径,mm。割缝条数应在保证筛管强度的前提下,有足够的流通面积。割缝条数取割缝开口总面积为衬管外表面积的2%～6%,一般取2%。a=eLn/F(16)式中L——缝长度,mm;F——每米筛管外表面积,mm2/m;n——每米筛管割缝数量,条;a——割缝总面积占筛管表面积百分数,2%～6%。复合缝腔割缝筛管的优化设计模型为ΜaxF1(x)；ΜinF2(x)；(17)S.t∶g(x)=σmax⇐[σ]k式中F1(x)——新型复合缝腔割缝筛管的使用寿命;F2(x)——原油流经复合缝腔割缝筛管时的流动阻力。经自行开发的割缝筛管优化设计软件FEMOT优化后的割缝筛管参数如表1所示。计算和分析的强度1.割缝筛管的有限元分析割缝筛管在裸眼完井中的作用是防砂和防止井壁坍塌堵塞井筒,因而筛管的抗挤压强度关系到井壁的稳定性以及采油过程的连续性。筛管在下入过程中,受到弯、扭、拉、压等作用,为对使用该筛管提供一定的理论依据,需要对其强度性能进行分析。割缝筛管的强度分析采用了大型通用有限元分析程序ANSYS。各种型号的割缝筛管的几何尺寸及材料力学性能如表2所示。采用实体建模技术建立了该割缝管的实体模型,计算过程中采用屈曲和非线性理论对其进行求解。计算表明,对于受力情况不同的筛管,其危险截面出现的位置也不同。当筛管上施加挤压载荷时,筛管表现出割缝处的应力值很小,而割缝与管体连接处的过渡区域出现最大应力值,造成这种现象的原因是割缝处内外压力均衡,因而载荷集中在过渡区域,过渡区域的材料首先呈现出屈服极限。当施加拉伸载荷时,筛管的中间割缝处表现出高的应力集中,材料首先在中间部位发生屈服;当施加扭矩载荷时,与过渡处连接的割缝中间部位首先发生材料的屈服;当施加弯矩载荷时,筛管中部外侧割缝处材料首先发生屈服现象。因而对于不同使用工况的筛管,应充分考虑筛管的力学性能,合理选择筛管的材料和设计筛管的几何参数。2.新型割缝筛管的强度新型复合筛管的计算屈服强度值与API套管推荐值的比较如图3所示。由图3可以看出,新型筛管的挤压屈服强度与API推荐的套管屈服强度等级相等,但割缝的存在使筛管的屈服强度降低,这也证明带有初始缺陷的筛管或人为开孔都将使套管的强度降低。表3给出新型筛管的强度与未割缝圆管的API推荐值对比情况,由表中可以看出,API推荐的螺纹抗拉能力仅为管体抗拉强度的80%左右,推荐的螺纹上扣力矩仅为管体抗扭强度的60%左右。螺纹连接处为管柱的危险截面,其强度通常决定了整个管柱下入过程中的抗拉强度及抗扭强度,而割缝筛管无论是下入过程还是工作过程中,均处于管柱的最下端,承受的拉力很小,因而只要其强度大于螺纹连接处的抗拉强度,割缝筛管的抗拉强度肯定可以满足使用要求;而筛管只在下入过程中承受扭矩,因而满足下入过程中的强度要求,则筛管的强度满足现场使用要求。表4给出了新型割缝筛管抗弯性能与油、套管API推荐值的比较情况。由表4可以看出,新型割缝筛管的抗弯性能满足现场需要。余口油田应用情况新型复合割缝筛管和外投砾石的综合防砂方法在胜利海洋石油开发公司海上CB22D-2油井、胜利油田桩西采油厂106-16斜17井、冀东油田M19-12井等20余口油井中得到了应用,表5给出了部分油井的统计情况。现场使用结果表明,采用新型复合缝腔割缝筛管进行防砂具有防砂效果好、渗透能力强、耐磨蚀性好和施工方便等优点。割缝筛管的应用(1)复合缝腔割缝筛管采用双梯形缝腔及过渡圆弧设计,无尖锐棱角,“防砂自洁”效果好,流阻小,使用寿命长。(2)复合缝腔割缝筛管