《金屬網布篩網耐沖蝕性能評價實驗研究》論文發表期刊：《中國科技論文》；發表周期：2021年01期

《金屬網布篩網耐沖蝕性能評價實驗研究》論文作者信息：應若蒙（1997—），女，碩士研究生，主要研究方向為金屬篩網沖蝕與防護

　　摘要：為了評估防砂篩網在含砂流體沖蝕作用下的使用壽命，開展金屬網布篩網和單根金屬絲室內物理模擬含砂流體沖蝕實險，分析了金屬網布篩網和單根金屬絲在不同沖蝕流速、沖蝕液質量分數和沖蝕角度條件下質量損失量的變化規律。實驗結果表明：1)液速和沖蝕角度不變，金屬網布篩網和單根金屬絲質量損失隨著沖蝕液質量分數和沖蝕速率的增大而增大;相同條件下單絲質量損失率明顯大于金屬網布質量損失率。2)沖蝕角度和沖蝕液質量分數不變，金屬網布篩網和單根金屬絲質量損失隨著液速的升高而增大;同樣，相同條件下單絲質量損失率明顯大于金屬網布質量損失率。3)以金屬單絲沖蝕斷裂為標準，確定金屬單絲質量損失率為1.81%時，是沖蝕破壞的安全極限值，彌補了目前沖蝕破壞質量損失率沒有判定標準的不足。4)電鏡和光學顯微鏡分析發現金屬網布沖蝕是由砂礫局部磨損和切削金屬網布造成的，這時金屬網布局部高流速區域形成，加速篩網局部沖蝕。

　　關鍵粗：金屬網布篩網;單根金屬絲;沖蝕速率;壽命預測

　　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

　　篩管是防砂完井的重要井下工具，篩管失效是導致防砂失敗的重要因素。導致篩管防砂失效的因素有很多，其中沖蝕磨損是造成設備損壞、事故發生的主要原因之一[2]。目前國內只有少部分學者進行了篩管沖蝕的數值模擬和沖蝕的實驗研究3]。劉永紅等[1自制了噴嘴式沖蝕實驗裝置，并以含石英石的原油為沖蝕液進行了沖蝕實驗，通過改變沖蝕影響因素得到割縫篩管在不同情況下的沖蝕速率，根據實驗結果建立沖蝕模型并與實驗結果進行對比。劉新鋒等[1]考慮多種因素對不同類型的篩管進行沖蝕仿真并得出：在流速一定的情況下，隨著粒度、濃度的增大，篩管沖蝕率也會隨之增大;流體入射角度越小，篩管最大沖蝕率越大。劉宗恩等1基于篩管現場工作，設計了一種噴嘴式沖蝕實驗裝備。王寶權等[2詳細介紹了篩管沖蝕的原因、實驗裝置、影響因素及預防措施，同時設計了一種噴嘴式防砂篩管的沖蝕裝置。由此可見，對于沖蝕磨損的研究主要是通過沖蝕實驗、沖蝕仿真或是將兩者結合起來進行研究，較多是對沖蝕影響因素進行定性分析。

　　大量生產實踐和實驗表明，影響篩網沖蝕的主要因素有粒子速度、粒徑、沖蝕液質量分數和沖蝕角度，現有的防砂工藝和工具大都難以適應中后期出砂嚴重和粉細砂油井的防砂作業要求。此外，目前國內實驗還沒有標準的評價方法，很少有針對金屬網布篩網的研究，也沒有專門進行篩網與單根金屬絲的對比研究。本文旨在調研國內外沖蝕理論提出的條件和影響因素的基礎上，結合油田實際生產情況，對影響沖蝕的各個因素進行單一變量實驗，對不同影響因素下的實驗數據進行分析，得到金屬網布篩網和單根金屬絲在不同實驗條件下的沖蝕速率，并使用電鏡和光學顯微鏡對金屬網布篩網的沖蝕機理進行分析。

　　1沖蝕實驗裝置

　　目前，國內對于沖蝕磨損實驗常采用噴射式和旋轉式實驗裝置。相對于其他類型的沖蝕實驗裝置，噴射式裝置更側重于分析研究含有固體顆粒的流體對較復雜結構樣件的沖蝕實驗，可對流體速度和沖蝕噴射角度進行調節，但在實驗過程中沖蝕液質量分數不能得到精確的控制。為了精確控制實驗中沖蝕液質量分數和沖蝕角度對沖蝕樣件的影響，實驗使用帶有不同角度的MSH旋轉沖蝕儀，該裝置能夠準確控制磨料粒子沖蝕速度和粒子含量。利用該裝置進行室內篩網沖蝕破壞實驗來代替現場篩網的沖蝕過程，利用配置好的油砂比例確定沖蝕液質量分數進行實驗循環。目前沖蝕實驗主要為液固沖蝕實驗，研究流速、沖蝕液液質量分數等對篩網的短期沖蝕規律，利用較短的實驗室沖蝕時間來研究油井長期工作下對篩網的沖蝕規律。但由于篩網在實驗過程中會出現砂堵現象，導致實驗結果不準確。因此，本文實驗不僅進行了金屬網布篩網的沖蝕破壞，同時進行了金屬單絲的沖蝕實驗，旨在發現防砂篩網的沖蝕破壞機理。篩網沖蝕實驗裝置如圖1所示。

　　2沖蝕實驗方法

　　沖蝕實驗樣件選用單層金屬網布篩網(圖2(a)、圖2(b))，尺寸為30 mm×38 mm，擋砂精度為250 um實驗原油密度為860~870 kg/m，黏度為46 mPa.s實驗所用沖蝕液質量分數分別為0.3%、0.5%、0.8%，模擬實驗速度分別為0.5.1.0.1.5，2.0m/s.實驗具體操作步驟如下：步驟1 首先用切割機在圖2(c)所示的篩管上切割出能放置在實驗夾具中的尺寸為30mm×38 mm的實驗篩片，并在篩片中取出與篩片精度相同的6根金屬單絲。

　　步驟2 用清水沖洗實驗樣件，去除實驗篩片表面污漬，保證篩片中篩孔通暢，并將篩片和金屬單絲放置在烘干機中烘干。篩片和單絲烘干后，用電子秤稱量樣片質量，稱量3次取平均值，記錄原始篩片的質量。稱量時所用電子天平秤的精度為0.000 1 g。.

　　步驟3將稱量質量后的篩片和6根金屬單絲分別裝入實驗夾具中，利用實驗裝置攪拌器上本身帶有的4個不同角度的基管，將3個金屬網布篩網試樣夾具分別放入15"、30"、45的基管上，將金屬單絲實驗夾具放在90的基管上，使其與金屬網布篩網進行同等條件下的實驗。

　　步驟4 根據工業配比，配置沖蝕液質量分數，實驗砂粒粒徑的中值為300pm。然后將配置好的油砂固液混合物倒入實驗儀器中。為了保證實驗的準確性，要求每次實驗樣件夾具要全部浸沒在沖蝕液體中，以保證金屬篩片和金屬絲在實驗中能夠與砂粒充分接觸。

　　步驟5 打開儀器電源，設置實驗速度和實驗時間。實驗過程中，每24 h進行1組實驗，樣件沖蝕24h后關掉儀器電源，將樣件取出并用石油醚浸泡1h，充分去除樣件上的油漬，然后用無水乙醇擦洗，并清除篩片上殘留的油漬、無水乙醇及篩孔中肉眼可見的砂粒，之后放入烘干箱中烘干，最后稱量實驗后的篩片質量，稱量3次取平均值，并分析記錄數據。

　　實驗初始階段，金屬網篩片1~篩片3的初始質量分別為3.98.4.11.4.09g，金屬單絲1~單絲5的初始質量分別為0.019、0.019，0.022、0.018，0.0180.022 go3實驗結果與分析選用的砂粒粒度中值為300 pm，實驗首先進行了不同液速對篩片的影響，沖蝕液質量分數為0.5%，分別設定流速為0.5.1.0.1.5.2.0 m/s，每沖蝕24 h，記錄篩片的質量，從而通過分析篩片的質量變化來分析沖蝕規律。表1為不同液速沖刷篩網質量損失。

　　由表1可見：篩網在15"、30"、45"時，其質量損失隨液速的增大而增大;在液速為0.5 m/s時，其質量變化最小，在液速為2.0 m/s時，金屬網布篩網質量變化最大。

　　為了更好地對金屬網布篩網壽命進行分析，需求出沖蝕速率，其表達式為

　　式中：Q為金屬網布篩網沖蝕速率;Ag為篩網與原篩網相比質量損失量;mh、m.為篩網沖蝕前、后的質量。

　　圖3和圖4分別為金屬網布篩網和單根金屬絲在相同沖蝕液質量分數、不同沖蝕角度和不同液速條件下的沖蝕速率。在進行液速為2.0m/s沖蝕實驗時，金屬單絲被沖破，故而定義金屬單絲沖破為防砂失效;在進行液速為0.5，1.0.1.5 m/s實驗時，更換新的金屬單絲繼續實驗。

　　由圖3可以看出：金屬網布篩網的沖蝕質量損失變化呈先增大、后減小的趨勢，這是由于砂粒剛開始沖刷篩網時，篩網表面光滑，小尺寸的顆粒先沖擊篩網并通過篩網導致的。隨著沖蝕時間增長，小粒徑的顆粒撞擊篩網[1使得篩網表面和尺縫中凹凸不平，此時當砂粒再次撞擊在篩網表面的坑洞上時，會比篩網剛開始沖蝕時受到的損害更大，質量損失更高，若同時出現多次撞擊[，將導致篩網局部受損嚴重。

　　由圖4可以看出：在沖蝕液質量分數一定、沖蝕角度均為90時，隨著沖蝕液流速的增大，金屬單絲的質量損失量和沖蝕速率均增大;在液速為2.0m/s時，沖蝕速率達到最大，與金屬網布篩網所得的沖蝕規律一致;當流速增大時，單根金屬絲的沖蝕速率大幅度增高。由此可以暫時認為單根金屬絲在流速增高時，其變化比金屬篩網在同等條件下的變化明顯。

　　金屬單絲在實驗過程中，隨著沖蝕時間的增加，其單位時間的沖蝕質量損失變化較小，這是由于粒子與金屬單絲充分接觸，雖然在金屬單絲表面進行沖擊形成坑洞，但粒子二次或多次沖擊金屬單絲的可能性較小。故而金屬單絲在進行沖蝕實驗時，隨著時間的變化沖蝕質量變化相對較小。因此也驗證了篩網在被固體沖擊時，可能會被進行二次或多次撞擊，增大篩網局部破壞的可能。當粒子繼續沖擊篩網時，篩縫隨著沖蝕時間的增大，小粒徑的粒子會堵塞篩網[1]1，砂粒堵塞導致沖蝕質量下降。與此同時，相同實驗條件下的金屬單絲沖蝕質量損失曲線依舊相對平緩，這是由于金屬單絲在實驗中，直到被沖破前都與沖蝕粒子接觸，未出現堵塞的現象。除了液速對沖蝕速率有影響外，沖蝕液質量分數對沖蝕速率也有一定的影響，實驗分析了金屬網布篩網在沖蝕速度為0.5 m/s，沖蝕液質量分數分別為0.3%、0.5%、0.8%時對篩網和單絲沖蝕速率的影響。不同沖蝕液質量分數和沖蝕角度條件下的篩網沖蝕速率變化如圖5所示。

　　由圖5可見，隨著沖蝕液質量分數的增大，篩網沖蝕速率增大。這是由于隨著沖蝕液質量分數的增大，其固體砂粒在與篩網碰撞時能夠更加充分，且在一定范圍內時隨著沖蝕液質量分數的增大，其碰撞幾率越大，導致篩網表面沖蝕越嚴重，沖蝕速率越大。但由于實驗選取的沖蝕液質量分數(0.3%，0.5%，0.8%)實驗參數均較低，因此隨著沖蝕液質量分數越來越大，并超過一定范圍時，當砂粒沖擊篩網時，首先發生的是粒子與粒子之間的碰撞，消耗了粒子間的動能，而導致篩網篩網沖蝕速率降低。單根金屬絲在不同沖蝕液質量分數下的沖蝕速率變化如圖6所示。

　　由圖6可見，金屬單絲隨著沖蝕液質量分數的變化，其沖蝕速率的變化更加明顯，且與篩網隨著沖蝕液質量分數變化時產生的沖蝕速率的變化一致。這是由于單根金屬絲能夠與砂粒充分接觸，尤其當沖蝕液質量分數變高時，單根金屬絲沖蝕速率增大得尤為明顯，與液速增大時篩網沖蝕規律相同。在實驗過程中，實驗儀器的不同角度使得實驗可以很方便地測出不同角度對篩網沖蝕速率的影響，結果如圖7所示。

　　由圖7可以看出，沖蝕角度的變化雖然對篩網沖蝕速率有影響，但影響并不明顯。從實驗中可明顯看出在沖蝕角度為45"時，對沖蝕速率的影響最大。

　　在實驗中，金屬單絲被沖斷定義為沖蝕失效。

　　經過計算，當金屬單絲質量損失為1.81%時，金屬單絲防砂失效。由于金屬單絲在沖蝕過程中與砂粒完全接觸，故而金屬單絲沖蝕公式可用來預測同材質篩網的最短壽命，在實際生產使用年限中應大于單根金屬絲所計算出的年限。在篩網沖蝕測試中，一般保守的安全極限為8%124沖蝕機理分析

　　圖8為金屬網布篩網電鏡圖片，圖9為金屬網布篩網的光學顯微鏡圖。根據篩網沖蝕后的電鏡照片(圖8)可以看出，沖蝕僅發生在局部[13]。

　　由圖8可以看出，篩網在沖蝕過程中，沖蝕液中的砂粒會明顯使篩網孔隙堵塞，砂粒在篩孔中堆積，使得過流面積減少，導致篩孔流速分布不均勻，局部速度增高，形成過流熱點，加速局部區域的沖蝕1。圖8中的黃色區域為砂粒堵塞篩網，可以明顯地看到：當篩孔被砂粒填滿之后，被砂粒所充填的篩孔表面幾乎沒有明顯的沖蝕變化或沖蝕變化較小;圖8中紅色區域的篩孔中含有較少的砂粒，與黃色區域相比，此時篩孔明顯發生變形，且其發生變形的方向是一致的。這可以說明篩網在被沖蝕過程中，當一個方向受到的沖蝕磨損大，則相反方向受到的沖蝕磨損較小。

　　由圖9可以看出，沖蝕發生后，篩網表面金屬絲表面出現明顯的“拋光”及變形現象。通過MSH旋轉實驗模擬井下工況，本文實驗結果對篩網井下徑向沖蝕[15-16]提供保守實驗數據，并提出了篩網井下沖蝕機理，對新型防砂篩網[17]的研究提供了實驗依據。

　　5結論

　　1)室內金屬網布篩網和單根金屬絲含砂流體沖蝕實驗結果表明，隨著沖蝕液質量分數增大，金屬網布篩網和單絲的沖蝕速率均增大。當沖蝕液體質量分數和沖蝕角度一定時，隨著液速的增大，篩網和單絲的沖蝕速率均增大，且都是單絲變化尤為明顯。并且實驗還測得金屬單絲的安全沖蝕質量損失為1.81%。

　　2)通過電鏡和光學顯微鏡觀察，篩網在沖蝕過程中為局部沖蝕。當篩網被堵塞后，局部會形成高流速區域，加速區域沖蝕。在粒子沖擊過程中，篩網受到的沖蝕大部分來自于同一方向的顆粒。

　　3)MSH旋轉沖蝕儀在進行工作時，只能設定液體流速，故而在實驗中假定粒子的速度就等于實驗所設定的液速。但在實際情況下，液速并不等于沖蝕粒子速度。且由于篩網下入油液面以下每次的深度不同，從而導致油桶內每次實驗過程中砂粒的速度分布不同，在油桶中部的沙礫沖蝕速度較大，這會導致篩網在實驗過程中，篩網中部沖蝕較為厲害，而實驗中沖破的金屬單絲也為中部的單根金屬絲。

　　4)稱量時所用電子天平秤的精度只有0.000 1 g.在每次測量單絲的質量損失時，由于單根金屬絲質量損失較小，可能會導致測量誤差較大。

　　5)篩網在被沖蝕的過程中，小尺寸的顆粒通過篩網縫隙進行沖蝕，大粒徑的顆粒在篩網表面形成一層保護。在沖蝕進行一段時間后，大尺寸的顆粒會短暫地在篩網表面對篩網進行保護，使得越來越小粒徑的顆粒通過其去沖擊篩網，但這種方法只是短暫的，并不能長久應用。

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