氣井井筒攜砂規(guī)律研究

代云龍，胡園園

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163000）

氣井井筒攜砂規(guī)律研究

代云龍，胡園園

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163000）

氣井出砂問(wèn)題是由多種因素導(dǎo)致的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別研究了固體顆粒形狀、油管直徑、井口壓力對(duì)氣井臨界攜固量和臨界攜固流速的影響。應(yīng)用公式計(jì)算臨界攜固流量與流速，并與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，得出上述因素對(duì)臨界流量與臨界流速的影響規(guī)律。

顆粒形狀；顆粒直徑；井口壓力；井深

氣井出砂是砂巖開(kāi)采過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，其主要與地層巖石物性、地層流體性質(zhì)、氣井生產(chǎn)因素、作業(yè)措施不當(dāng)、射孔參數(shù)設(shè)定這幾個(gè)因素有關(guān)[1，2]。出砂問(wèn)題對(duì)整個(gè)氣井的生產(chǎn)過(guò)程損害都非常大，可能造成儲(chǔ)層地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，降低產(chǎn)能。砂體在井底堆積造成砂堵、液堵，同時(shí)被帶至地面的砂體對(duì)設(shè)備具有極強(qiáng)的腐蝕性[3，4]。因此，氣井?dāng)y砂性能研究對(duì)降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)天然氣的高效、安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)有著顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

1 氣井?dāng)y砂模型

氣井在實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)生的固體顆粒形狀不規(guī)則，較相同體積的球形顆粒表面積要大，表面相對(duì)較粗糙，這些特點(diǎn)使得顆粒在運(yùn)移過(guò)程中所受阻力大于球形顆粒，因此，不規(guī)則顆粒小于球形顆粒的沉降速度。因此，在球形顆粒沉降速度公式中引入不規(guī)則形狀系數(shù)，就能夠得到不規(guī)則形狀顆粒的沉降速度，表1為不規(guī)則顆粒的形狀參數(shù)。所以一般取形狀系數(shù)φ作為計(jì)算不規(guī)則顆粒沉降末速的修正系數(shù)[5，6]。則不規(guī)則顆粒的攜砂臨界流速公式為：

表1 不規(guī)則顆粒的形狀參數(shù)

在一定的表觀速度下，當(dāng)固體顆粒的循環(huán)量超過(guò)當(dāng)前情況下氣體表觀速度的攜砂臨界流量時(shí)，井筒底部出現(xiàn)砂粒堆積，使井筒中的壓力梯度分布成S型[7]。得出攜砂臨界流量公式：

根據(jù)臨界攜砂流量和臨界攜砂流速計(jì)算公式對(duì)氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到以下生產(chǎn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 氣田氣井臨界攜帶量

2 氣井?dāng)y砂影響因素

由上面得出的氣井臨界攜流量與臨界攜固流速公式計(jì)算得出，臨界流量與固體顆粒形狀、油管直徑、氣體壓力有如下關(guān)系。某井生產(chǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 某井生產(chǎn)數(shù)據(jù)

（1）根據(jù)公式計(jì)算的出油管直徑對(duì)臨界攜固產(chǎn)量的影響規(guī)律，如圖1所示。從圖中可看出，隨著油管直徑增加其臨界攜砂產(chǎn)量增加。原因是：當(dāng)氣井產(chǎn)氣量不變時(shí)，油管直徑越大，橫截面越大，單位面積上的固體顆粒速度越小，相應(yīng)的氣體拖拽力越小，所以在井口壓力、固體顆粒相同的條件下，油管直徑越大時(shí)，需要的臨界產(chǎn)量就越大。

圖1 油管直徑與臨界攜砂產(chǎn)量關(guān)系曲線

（2）固體顆粒直徑對(duì)臨界攜固產(chǎn)量和臨界攜固流速的影響規(guī)律如圖2、圖3所示，固體顆粒直徑越大需要的臨界流速越大，在顆粒密度保持不變的條件下，顆粒直徑越大，雖然在井筒中的受到的浮力，壓差力和流體的拽力相應(yīng)的增加，但是這些力的增加量小于固體重力的增加量，故顆粒直徑越大，所需要的臨界流速越大。

圖2 固體顆粒直徑與臨界攜砂產(chǎn)量關(guān)系

圖2 固體顆粒直徑與臨界攜砂產(chǎn)量關(guān)系

圖3 固體顆粒直徑與臨界攜砂產(chǎn)量關(guān)系曲線

（3）井口壓力、井深和攜固臨界流速成反比，對(duì)于相同氣體產(chǎn)量壓力越小，則氣體的密度越小，固體顆粒所受到的浮力越小；同時(shí)在相同產(chǎn)量下氣體壓力越大，則在流動(dòng)過(guò)程中壓力下降越快，則固體顆粒受到的壓差力越大，所以壓力越大所需要的產(chǎn)量越小。其特點(diǎn)如圖4所示。

圖4 井口壓力與臨界攜固產(chǎn)量關(guān)系曲線

同理井深越大，壓力越高，流體密度和壓力梯度越大，則其攜帶固體的臨界產(chǎn)量越低，而攜砂臨界流速則隨著井深的增加而不斷增大。其特點(diǎn)如圖5、圖6所示。

圖5 井深與臨界攜砂產(chǎn)量關(guān)系

圖6 井深與臨界攜砂流速的關(guān)系

3 結(jié)論

不同顆粒所受表面力不同，建立不同顆粒形狀下的臨界攜帶產(chǎn)量與流速計(jì)算公式。運(yùn)用以上計(jì)算的臨界固體攜帶量和流速計(jì)算公式，對(duì)出砂井的實(shí)際攜砂臨界產(chǎn)量與流速進(jìn)行了計(jì)算，說(shuō)明該井目前產(chǎn)量能滿足攜砂要求。并且，從計(jì)算公式中可以看出，臨界攜砂產(chǎn)量與固體顆粒直徑、油管直徑成正比，和井口壓力成反比。

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Study on Gas Wells with the Sand Carrying Capacity

Dai Yun-long，Hu Yuan-yuan

The problem of gas well product sand is caused by many factors，this paper studies the shape of solid particles，the diameter of the tubing，the wellhead pressure of gas well critical with fixed quantity and critical with solid velocity，the effect of application of the formula to calculate the critical carrying solid flow rate and flow velocity.And coMParing to the actual production data，it is concluded that the above factors on the critical flow rate，and the influence law of critical flow.

particle shape；particle diameter；wellhead pressure；well depth

TE37

A

1003–6490（2016）04–0032–02

2016–04–10

代云龍（1990—），男，遼寧省凌源人，碩士在讀，主要研究方向?yàn)槎嘞嗔黧w力學(xué)。