金属网布筛网耐冲蚀性能评价实验研究

《金属网布筛网耐冲蚀性能评价实验研究》论文发表期刊：《中国科技论文》；发表周期：2021年01期

《金属网布筛网耐冲蚀性能评价实验研究》论文作者信息：应若蒙（1997—），女，硕士研究生，主要研究方向为金属筛网冲蚀与防护

　　摘要：为了评估防砂筛网在含砂流体冲蚀作用下的使用寿命，开展金属网布筛网和单根金属丝室内物理模拟含砂流体冲蚀实险，分析了金属网布筛网和单根金属丝在不同冲蚀流速、冲蚀液质量分数和冲蚀角度条件下质量损失量的变化规律。实验结果表明：1)液速和冲蚀角度不变，金属网布筛网和单根金属丝质量损失随着冲蚀液质量分数和冲蚀速率的增大而增大;相同条件下单丝质量损失率明显大于金属网布质量损失率。2)冲蚀角度和冲蚀液质量分数不变，金属网布筛网和单根金属丝质量损失随着液速的升高而增大;同样，相同条件下单丝质量损失率明显大于金属网布质量损失率。3)以金属单丝冲蚀断裂为标准，确定金属单丝质量损失率为1.81%时，是冲蚀破坏的安全极限值，弥补了目前冲蚀破坏质量损失率没有判定标准的不足。4)电镜和光学显微镜分析发现金属网布冲蚀是由砂砾局部磨损和切削金属网布造成的，这时金属网布局部高流速区域形成，加速筛网局部冲蚀。

　　关键粗：金属网布筛网;单根金属丝;冲蚀速率;寿命预测

　　Abstract: In order to evaluate the service life of sand control screen under the action of sand bearing fluid erosion, the physicalsimulation experiment of sand bearing fluid erosion of metal mesh screen and single wire was carried out, and the variation rule of mass loss of metal mesh screen and single wire under different erosion velocity, sand concentration and erosion angle was analyzed. The results show that: 1) liquid velocity and erosion angle remain unchanged, the mass loss of metal mesh screen and single wire increases with the increase of erosion liquid concentration and erosion rate. Under the same condition, the mass loss rate.of single wire is obviously higher than that of metal mesh. 2) With the erosion angle and concentration unchanged, the mass loss of metal mesh screen and single metal wire increases with the higher liquid velocity. Similarly, the mass loss rate of single wire is obviously greater than that of metal mesh under the same conditions. 3) According to the standard of single wire erosion fracture.determining the mass loss rate of single wire as 1. 81 % is the safe limit of erosion damage. It makes up for the problem that thereis no standard for the quality loss rate of erosion. 4) Electron microscope and optical microscope analysis found that the erosion o metal mesh cloth was caused by local wear of sand and gravel and cutting metal mesh. At this time, high velocity area of meta mesh layout was formed, which accelerated local erosion of screen mesh

　　Keywords: metal mesh screen; single wire; erosion rate; life prediction

　　筛管是防砂完井的重要井下工具，筛管失效是导致防砂失败的重要因素。导致筛管防砂失效的因素有很多，其中冲蚀磨损是造成设备损坏、事故发生的主要原因之一[2]。目前国内只有少部分学者进行了筛管冲蚀的数值模拟和冲蚀的实验研究3]。刘永红等[1自制了喷嘴式冲蚀实验装置，并以含石英石的原油为冲蚀液进行了冲蚀实验，通过改变冲蚀影响因素得到割缝筛管在不同情况下的冲蚀速率，根据实验结果建立冲蚀模型并与实验结果进行对比。刘新锋等[1]考虑多种因素对不同类型的筛管进行冲蚀仿真并得出：在流速一定的情况下，随着粒度、浓度的增大，筛管冲蚀率也会随之增大;流体入射角度越小，筛管最大冲蚀率越大。刘宗恩等1基于筛管现场工作，设计了一种喷嘴式冲蚀实验装备。王宝权等[2详细介绍了筛管冲蚀的原因、实验装置、影响因素及预防措施，同时设计了一种喷嘴式防砂筛管的冲蚀装置。由此可见，对于冲蚀磨损的研究主要是通过冲蚀实验、冲蚀仿真或是将两者结合起来进行研究，较多是对冲蚀影响因素进行定性分析。

　　大量生产实践和实验表明，影响筛网冲蚀的主要因素有粒子速度、粒径、冲蚀液质量分数和冲蚀角度，现有的防砂工艺和工具大都难以适应中后期出砂严重和粉细砂油井的防砂作业要求。此外，目前国内实验还没有标准的评价方法，很少有针对金属网布筛网的研究，也没有专门进行筛网与单根金属丝的对比研究。本文旨在调研国内外冲蚀理论提出的条件和影响因素的基础上，结合油田实际生产情况，对影响冲蚀的各个因素进行单一变量实验，对不同影响因素下的实验数据进行分析，得到金属网布筛网和单根金属丝在不同实验条件下的冲蚀速率，并使用电镜和光学显微镜对金属网布筛网的冲蚀机理进行分析。

　　1冲蚀实验装置

　　目前，国内对于冲蚀磨损实验常采用喷射式和旋转式实验装置。相对于其他类型的冲蚀实验装置，喷射式装置更侧重于分析研究含有固体颗粒的流体对较复杂结构样件的冲蚀实验，可对流体速度和冲蚀喷射角度进行调节，但在实验过程中冲蚀液质量分数不能得到精确的控制。为了精确控制实验中冲蚀液质量分数和冲蚀角度对冲蚀样件的影响，实验使用带有不同角度的MSH旋转冲蚀仪，该装置能够准确控制磨料粒子冲蚀速度和粒子含量。利用该装置进行室内筛网冲蚀破坏实验来代替现场筛网的冲蚀过程，利用配置好的油砂比例确定冲蚀液质量分数进行实验循环。目前冲蚀实验主要为液固冲蚀实验，研究流速、冲蚀液液质量分数等对筛网的短期冲蚀规律，利用较短的实验室冲蚀时间来研究油井长期工作下对筛网的冲蚀规律。但由于筛网在实验过程中会出现砂堵现象，导致实验结果不准确。因此，本文实验不仅进行了金属网布筛网的冲蚀破坏，同时进行了金属单丝的冲蚀实验，旨在发现防砂筛网的冲蚀破坏机理。筛网冲蚀实验装置如图1所示。

　　2冲蚀实验方法

　　冲蚀实验样件选用单层金属网布筛网(图2(a)、图2(b))，尺寸为30 mm×38 mm，挡砂精度为250 um实验原油密度为860~870 kg/m，黏度为46 mPa.s实验所用冲蚀液质量分数分别为0.3%、0.5%、0.8%，模拟实验速度分别为0.5.1.0.1.5，2.0m/s.实验具体操作步骤如下：步骤1 首先用切割机在图2(c)所示的筛管上切割出能放置在实验夹具中的尺寸为30mm×38 mm的实验筛片，并在筛片中取出与筛片精度相同的6根金属单丝。

　　步骤2 用清水冲洗实验样件，去除实验筛片表面污渍，保证筛片中筛孔通畅，并将筛片和金属单丝放置在烘干机中烘干。筛片和单丝烘干后，用电子秤称量样片质量，称量3次取平均值，记录原始筛片的质量。称量时所用电子天平秤的精度为0.000 1 g。.

　　步骤3将称量质量后的筛片和6根金属单丝分别装入实验夹具中，利用实验装置搅拌器上本身带有的4个不同角度的基管，将3个金属网布筛网试样夹具分别放入15"、30"、45的基管上，将金属单丝实验夹具放在90的基管上，使其与金属网布筛网进行同等条件下的实验。

　　步骤4 根据工业配比，配置冲蚀液质量分数，实验砂粒粒径的中值为300pm。然后将配置好的油砂固液混合物倒入实验仪器中。为了保证实验的准确性，要求每次实验样件夹具要全部浸没在冲蚀液体中，以保证金属筛片和金属丝在实验中能够与砂粒充分接触。

　　步骤5 打开仪器电源，设置实验速度和实验时间。实验过程中，每24 h进行1组实验，样件冲蚀24h后关掉仪器电源，将样件取出并用石油醚浸泡1h，充分去除样件上的油渍，然后用无水乙醇擦洗，并清除筛片上残留的油渍、无水乙醇及筛孔中肉眼可见的砂粒，之后放入烘干箱中烘干，最后称量实验后的筛片质量，称量3次取平均值，并分析记录数据。

　　实验初始阶段，金属网筛片1~筛片3的初始质量分别为3.98.4.11.4.09g，金属单丝1~单丝5的初始质量分别为0.019、0.019，0.022、0.018，0.0180.022 go3实验结果与分析选用的砂粒粒度中值为300 pm，实验首先进行了不同液速对筛片的影响，冲蚀液质量分数为0.5%，分别设定流速为0.5.1.0.1.5.2.0 m/s，每冲蚀24 h，记录筛片的质量，从而通过分析筛片的质量变化来分析冲蚀规律。表1为不同液速冲刷筛网质量损失。

　　由表1可见：筛网在15"、30"、45"时，其质量损失随液速的增大而增大;在液速为0.5 m/s时，其质量变化最小，在液速为2.0 m/s时，金属网布筛网质量变化最大。

　　为了更好地对金属网布筛网寿命进行分析，需求出冲蚀速率，其表达式为

　　式中：Q为金属网布筛网冲蚀速率;Ag为筛网与原筛网相比质量损失量;mh、m.为筛网冲蚀前、后的质量。

　　图3和图4分别为金属网布筛网和单根金属丝在相同冲蚀液质量分数、不同冲蚀角度和不同液速条件下的冲蚀速率。在进行液速为2.0m/s冲蚀实验时，金属单丝被冲破，故而定义金属单丝冲破为防砂失效;在进行液速为0.5，1.0.1.5 m/s实验时，更换新的金属单丝继续实验。

　　由图3可以看出：金属网布筛网的冲蚀质量损失变化呈先增大、后减小的趋势，这是由于砂粒刚开始冲刷筛网时，筛网表面光滑，小尺寸的颗粒先冲击筛网并通过筛网导致的。随着冲蚀时间增长，小粒径的颗粒撞击筛网[1使得筛网表面和尺缝中凹凸不平，此时当砂粒再次撞击在筛网表面的坑洞上时，会比筛网刚开始冲蚀时受到的损害更大，质量损失更高，若同时出现多次撞击[，将导致筛网局部受损严重。

　　由图4可以看出：在冲蚀液质量分数一定、冲蚀角度均为90时，随着冲蚀液流速的增大，金属单丝的质量损失量和冲蚀速率均增大;在液速为2.0m/s时，冲蚀速率达到最大，与金属网布筛网所得的冲蚀规律一致;当流速增大时，单根金属丝的冲蚀速率大幅度增高。由此可以暂时认为单根金属丝在流速增高时，其变化比金属筛网在同等条件下的变化明显。

　　金属单丝在实验过程中，随着冲蚀时间的增加，其单位时间的冲蚀质量损失变化较小，这是由于粒子与金属单丝充分接触，虽然在金属单丝表面进行冲击形成坑洞，但粒子二次或多次冲击金属单丝的可能性较小。故而金属单丝在进行冲蚀实验时，随着时间的变化冲蚀质量变化相对较小。因此也验证了筛网在被固体冲击时，可能会被进行二次或多次撞击，增大筛网局部破坏的可能。当粒子继续冲击筛网时，筛缝随着冲蚀时间的增大，小粒径的粒子会堵塞筛网[1]1，砂粒堵塞导致冲蚀质量下降。与此同时，相同实验条件下的金属单丝冲蚀质量损失曲线依旧相对平缓，这是由于金属单丝在实验中，直到被冲破前都与冲蚀粒子接触，未出现堵塞的现象。除了液速对冲蚀速率有影响外，冲蚀液质量分数对冲蚀速率也有一定的影响，实验分析了金属网布筛网在冲蚀速度为0.5 m/s，冲蚀液质量分数分别为0.3%、0.5%、0.8%时对筛网和单丝冲蚀速率的影响。不同冲蚀液质量分数和冲蚀角度条件下的筛网冲蚀速率变化如图5所示。

　　由图5可见，随着冲蚀液质量分数的增大，筛网冲蚀速率增大。这是由于随着冲蚀液质量分数的增大，其固体砂粒在与筛网碰撞时能够更加充分，且在一定范围内时随着冲蚀液质量分数的增大，其碰撞几率越大，导致筛网表面冲蚀越严重，冲蚀速率越大。但由于实验选取的冲蚀液质量分数(0.3%，0.5%，0.8%)实验参数均较低，因此随着冲蚀液质量分数越来越大，并超过一定范围时，当砂粒冲击筛网时，首先发生的是粒子与粒子之间的碰撞，消耗了粒子间的动能，而导致筛网筛网冲蚀速率降低。单根金属丝在不同冲蚀液质量分数下的冲蚀速率变化如图6所示。

　　由图6可见，金属单丝随着冲蚀液质量分数的变化，其冲蚀速率的变化更加明显，且与筛网随着冲蚀液质量分数变化时产生的冲蚀速率的变化一致。这是由于单根金属丝能够与砂粒充分接触，尤其当冲蚀液质量分数变高时，单根金属丝冲蚀速率增大得尤为明显，与液速增大时筛网冲蚀规律相同。在实验过程中，实验仪器的不同角度使得实验可以很方便地测出不同角度对筛网冲蚀速率的影响，结果如图7所示。

　　由图7可以看出，冲蚀角度的变化虽然对筛网冲蚀速率有影响，但影响并不明显。从实验中可明显看出在冲蚀角度为45"时，对冲蚀速率的影响最大。

　　在实验中，金属单丝被冲断定义为冲蚀失效。

　　经过计算，当金属单丝质量损失为1.81%时，金属单丝防砂失效。由于金属单丝在冲蚀过程中与砂粒完全接触，故而金属单丝冲蚀公式可用来预测同材质筛网的最短寿命，在实际生产使用年限中应大于单根金属丝所计算出的年限。在筛网冲蚀测试中，一般保守的安全极限为8%124冲蚀机理分析

　　图8为金属网布筛网电镜图片，图9为金属网布筛网的光学显微镜图。根据筛网冲蚀后的电镜照片(图8)可以看出，冲蚀仅发生在局部[13]。

　　由图8可以看出，筛网在冲蚀过程中，冲蚀液中的砂粒会明显使筛网孔隙堵塞，砂粒在筛孔中堆积，使得过流面积减少，导致筛孔流速分布不均匀，局部速度增高，形成过流热点，加速局部区域的冲蚀1。图8中的黄色区域为砂粒堵塞筛网，可以明显地看到：当筛孔被砂粒填满之后，被砂粒所充填的筛孔表面几乎没有明显的冲蚀变化或冲蚀变化较小;图8中红色区域的筛孔中含有较少的砂粒，与黄色区域相比，此时筛孔明显发生变形，且其发生变形的方向是一致的。这可以说明筛网在被冲蚀过程中，当一个方向受到的冲蚀磨损大，则相反方向受到的冲蚀磨损较小。

　　由图9可以看出，冲蚀发生后，筛网表面金属丝表面出现明显的“抛光”及变形现象。通过MSH旋转实验模拟井下工况，本文实验结果对筛网井下径向冲蚀[15-16]提供保守实验数据，并提出了筛网井下冲蚀机理，对新型防砂筛网[17]的研究提供了实验依据。

　　5结论

　　1)室内金属网布筛网和单根金属丝含砂流体冲蚀实验结果表明，随着冲蚀液质量分数增大，金属网布筛网和单丝的冲蚀速率均增大。当冲蚀液体质量分数和冲蚀角度一定时，随着液速的增大，筛网和单丝的冲蚀速率均增大，且都是单丝变化尤为明显。并且实验还测得金属单丝的安全冲蚀质量损失为1.81%。

　　2)通过电镜和光学显微镜观察，筛网在冲蚀过程中为局部冲蚀。当筛网被堵塞后，局部会形成高流速区域，加速区域冲蚀。在粒子冲击过程中，筛网受到的冲蚀大部分来自于同一方向的颗粒。

　　3)MSH旋转冲蚀仪在进行工作时，只能设定液体流速，故而在实验中假定粒子的速度就等于实验所设定的液速。但在实际情况下，液速并不等于冲蚀粒子速度。且由于筛网下入油液面以下每次的深度不同，从而导致油桶内每次实验过程中砂粒的速度分布不同，在油桶中部的沙砾冲蚀速度较大，这会导致筛网在实验过程中，筛网中部冲蚀较为厉害，而实验中冲破的金属单丝也为中部的单根金属丝。

　　4)称量时所用电子天平秤的精度只有0.000 1 g.在每次测量单丝的质量损失时，由于单根金属丝质量损失较小，可能会导致测量误差较大。

　　5)筛网在被冲蚀的过程中，小尺寸的颗粒通过筛网缝隙进行冲蚀，大粒径的颗粒在筛网表面形成一层保护。在冲蚀进行一段时间后，大尺寸的颗粒会短暂地在筛网表面对筛网进行保护，使得越来越小粒径的颗粒通过其去冲击筛网，但这种方法只是短暂的，并不能长久应用。

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