李效波，李良庆，周欢，满宗通

（中海油田服务股份有限公司 油田生产事业部，天津 300459）

在油田开发过程中，为了提高油藏的开发速度和采收率，需要通过专门的注水井将水注入油藏，以保持或恢复油层压力，使油藏有较强的驱动力。在胶结疏松地层中，为保持井壁稳定和注水的正常开展，需要采取防砂措施。目前应用最广泛的是机械防砂方式，即采用机械筛管防砂[1-3]。随着注水开发的进行，储层岩石颗粒会在井下聚集，对筛管形成一定程度的堵塞，从而产生冲蚀“热点”，进而引起筛管的冲蚀损伤或者破坏失效[4-13]，对油田开发造成不利影响。疏松砂层油井大量出砂，井下筛管易被冲蚀破坏，将严重影响油田的增产提效及安全生产。

A 井为渤海某油田的一口注水井，该井采用套管射孔完井，对9 口油井进行注水支持。A 井出现了防砂筛管失效的问题，严重影响了该油田的开发。因此，亟需对失效原因进行分析，并提出应对措施，以保障油田的正常开发。

1 注水井A 井防砂筛管规格参数

A 井采用的6-5/8"优质筛管，筛管结构如图1 所示。筛管结构由外至内依次为外保护套、外过滤网、外泄流网、内过滤网、内泄流网和基管，其中支撑泄流网材质为SS304，过滤网材质为 SS316，基管材质为N80，挡砂精度为400 μm。基管材质符合API RP 5C1《套管和油管维护与使用推荐作法》要求，支撑泄流层材质符合GB/T 5330《工业用金属丝编织方孔筛网》要求，过滤网材质符合GB/T 21648《金属丝编织密纹网》要求，外保护套材质符合GB/T 3280《不锈钢冷轧钢板和钢带》要求。筛管产品按照中海油企业标准加工和检验，符合出厂标准后应用于现场。

图1 6-5/8"优质筛管结构Fig.1 Structure chart of 6-5/8" premium screen

2 筛管失效特征观测及分析

将A 井的失效防砂筛管进行打捞，失效段如图2所示。针对图2 所标注的损伤破坏区域进行整体和局部的损伤分析。

将防砂筛管打捞段损伤部位划分为A、B 面，2个面位置相差约90°，在该段筛管上共存在6 处破损区。其中，A 面存在4 处破损，B 面存在2 处破损。将失效筛管的破损点依次编号为1#—6#，对应图2的编号，各破损点形貌如图3 所示。

图2 失效筛管损伤区Fig.2 Damaged area of failed screen

图3 失效筛管整体A 面和B 面破损区Fig.3 Damaged area on the A side and B side of the failed screen

通过观察发现，6 处破损区域均体现出典型的冲蚀损坏特征。以3#区域为例，通过宏微观形貌及EDS能谱成分等手段对筛管6 处破损区的局部损伤部位和关键区域进行分析，查找筛管损伤失效的原因。

3#破损区的局部形貌如图4 所示，可以发现，外保护套与金属丝破坏断口较为平齐，且没有毛刺，均呈现较明显的射流机械损伤特点。裸露在外的基管表面凹凸不平，有明显的减薄区，也呈典型的冲蚀损伤特征。用体视显微镜观察微观观察区发现，破坏区边缘的内外层保护套、内外层泄流网、金属网布减薄趋势完全一致，均呈现出由外向内的依次减薄特点。3#破损区各部件由外层向内层损坏面积依次减小，也呈现明显的由外向内损伤的特征。外观破坏区底部为孔眼，该破损区中心基本处于基管孔眼位置。同时，不同破损部位损伤程度亦存在差异，与流体冲蚀相关。

图4 3#破损区及附近区域形貌Fig.4 Morphology of 3# damaged area and nearby area

对3#破损处附着物取样，进行SEM 扫描电镜微观形貌观察和EDS 电子能谱成分测量，如图5 所示。该附着物组成元素（质量分数）为：C 42.27%，O 26.18%，Fe 17.95%，Si 2.92%，未检测到Cr 元素。该附着物为原油、腐蚀产物和地层砂组成的混合物，说明该区域附着物为冲蚀产物，损伤破坏由冲蚀引起，无材质腐蚀特征。

图5 3#破损处附着物SEM 微观形貌及EDS 能谱成分分析Fig.5 Analysis of SEM microscopic morphology and EDS energy spectrum composition of the attachment on the 3# damaged area

3 筛管冲蚀模拟测试及分析

进行冲蚀试验是研究筛管冲蚀特性的重要方法[13-19]，通过比较现有冲蚀试验装置[20-23]，自主设计了一套针对筛网的冲蚀试验评价装置。针对现场使用筛管，利用自主研发的筛管冲蚀评价装置进行了冲蚀模拟测试，与打捞筛管的冲蚀损伤特征进行对比分析，筛管冲蚀装置结构流程如图6 所示。

图6 筛管冲蚀装置结构流程Fig.6 Structure flow chart of screen erosion device

基于能谱分析结果，试验不考虑腐蚀因素影响，设定试验流体为清水，试验流量2 m3/h。试验后对原始样件和试验后样件进行宏微观形貌分析，并对冲蚀速率和筛管寿命进行计算。

3.1 宏、微观形貌分析

原始和冲蚀试验后金属网布过滤体宏、微观形貌分别如图7—9 所示。

图7 金属网布过滤体冲蚀试验前后宏观形貌对比Fig.7 Comparison of the macro morphology before and after the erosion test: a) before test; b) after test

图8 为过滤体冲蚀试验前后150 倍的微观形貌，图9 为过滤体冲蚀试验前后1 000 倍的微观形貌。观察图8 和图9 发现，原始过滤体表面无明显损伤，经过恒流量冲蚀试验后，在过滤体金属丝表面出现了方向较为杂乱的冲蚀损伤。这种杂乱的损伤痕迹是由于含砂流体在过滤体表面形成混乱流向的结果。

图8 过滤体金属丝冲蚀试验前后150 倍微观形貌Fig.8 150 times micro-morphology before and after erosion test: a) before test; b) after test

图9 过滤体金属丝冲蚀试验前后1 000 倍微观形貌Fig.9 1 000 times micro-morphology before and after erosion test: a) before test; b) after test

从微观形貌可看出，冲蚀试验后，在过滤体金属丝的边缘部位清晰可见与流体方向一致冲蚀划痕。含砂流体进入网孔间隙后的单一流向导致形成了明显方向性的冲蚀痕迹特征。观察发现，在过滤体孔隙处存在较多的实验砂，从而减小了流体通过过滤体的面积，即实验砂在过滤体孔的填充减小了过滤体对流体的过滤面积，如图10 所示。

图10 恒流量工况冲蚀试验后过实验砂堵塞过滤体的宏观形貌Fig.10 Macroscopic morphology of the filter body blocked by the experimental sand after the erosion test under constant flow conditions

对过滤体金属丝划痕进行扫描电镜SEM 微观形貌观察和三维共聚焦激光显微镜测量，如图11 所示。由图11 可知，过滤体金属丝表面存在损伤程度明显不同的冲蚀痕迹特征，可分为均匀冲蚀区和局部苛刻冲蚀区。

图11 恒流量工况过滤体金属丝冲蚀痕迹Fig.11 Erosion marks of metal wire of filter body under constant flow conditions: a) scanning electron microscope SEM microscopic appearance; b) three-dimensional confocal microscope measurement chart

3.2 冲蚀速率及防砂寿命计算分析

针对金属网布过滤体的寿命预测，目前多以腐蚀裕量为评价指标，开展物模试验或数值模拟计算进行评价[24-26]。本文采用金属网布过滤体网丝直径的减薄量来衡量，以过滤体金属丝冲蚀断裂为过滤体寿命计算判据。直径D的过滤体有效寿命计算公式如式（1）所示。

式中：T为有效服役寿命，a；D为过滤体金属丝直径，mm；V为过滤体金属丝损伤损率，mm/a。

针对恒流量工况均匀冲蚀，在共聚焦激光显微镜下的均匀冲蚀区域，选取10 个过滤体损伤点，测量其损伤深度，取平均值。过滤体冲蚀均匀损伤深度的平均值为0.013 μm，其均匀冲蚀速率为0.018 mm/a。在恒流量均匀冲蚀损伤工况下，过滤体网纬丝直径为456.7 μm，损伤速率为0.018 mm/a，以过滤体丝冲蚀断裂为过滤体寿命计算判据，计算预估过滤体的有效服役寿命约为25.4 a。

针对恒流量工况苛刻冲蚀，在共聚焦激光显微镜下的苛刻冲蚀区域，选取10 个过滤体损伤点，测量其损伤深度取平均值，测得损伤深度平均值为0.890 μm，苛刻冲蚀条件下的冲蚀速率达到1.299 mm/a。实测过滤体金属丝直径为 456.7 μm，损伤速率为1.299 mm/a，以过滤体丝冲蚀断裂为过滤体寿命计算判据，按照式（1）计算预估过滤体的有效服役寿命约为0.35 a（4.2 个月），计算结果与现场实际比较吻合。

4 筛管损伤特征及原因综合分析

防砂筛管破损区宏微观检测和分析表明，筛管破损区各部件边缘大多向内凹陷，呈现出在一定方向外力作用下流体机械损伤特点，筛管各部件破坏程度呈现由外向内有逐渐减缓的规律，外观破坏区与基管上孔眼并没有明显的位置对应关系。破损区损伤特征分析和总结如下：

1）筛管损伤区域的断口平整，尤其外保护套的断口较为平滑，未见粗糙、有毛刺的边缘，呈现典型的射流机械冲击破坏特征。

2）破坏区呈现由外保护套、外过滤网、外泄流网、内过滤网、内泄流网、内保护套、基管依次发展。

3）筛管破坏区各部件边缘呈向内凹陷，筛管各部件破坏程度呈现由外向内损伤程度逐渐减小的规律，呈明显由外向内射流冲击损伤特征。

4）破坏区不同位置的损伤方向性不同，各破损区是由多方向的射流机械破坏导致。

5）筛管外观破坏区与内侧基管孔眼位置无确定对应关系，冲蚀破坏并不是由内向外发生。

6）破损区环向损伤程度存在差异，呈现射流流体多角度冲蚀特征，该角度与筛管径向等方向无明显对应关系。

7）破损区没有呈现由内向外发展迹象，也未发现典型的由内向外产生射流的损伤特征。

综合以上特征分析、测试内容及井史资料，筛管损伤原因应归结为：地层砂在筛管外堆积，造成筛管较大程度堵塞，从而造成注入水的局部高流速和筛管内外的高压差，高流速注入水冲击筛管外的堆积砂，形成含砂流体在筛管外表面附近区域的紊流，对筛管局部反向冲击形成含砂流体冲刷腐蚀，造成局部冲蚀破坏穿孔，如图12 所示。为缓解冲蚀破坏对生产造成的不利影响，需要充分考虑完井方式及后期工作制度变化，并需要对筛管冲蚀进行更深入的研究[27]。

图12 注水井筛管冲蚀示意图Fig.12 Screen erosion schematic diagram of water injection well

5 结论

1）筛管外部损伤是由于其外部含砂流体冲蚀引起的机械损伤，呈现由外向内从外保护套向基管逐渐发展的方向性。

2）筛管外地层砂堆积和筛管堵塞造成筛管内外高压差和局部高流速，高速水流冲击筛管外的堆积砂，形成含砂流体在筛管外表面附近区域的紊流，造成筛管由外保护套逐步向内发展的局部冲蚀破坏。