蘇里格氣田S區(qū)氣井配套防砂技術(shù)及應(yīng)用

李建陽(yáng)，楊繼剛，白建收，李 娜

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710021；2.西安長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司，陜西西安 710018）

蘇里格氣田S區(qū)氣井配套防砂技術(shù)及應(yīng)用

李建陽(yáng)1，楊繼剛2，白建收1，李 娜1

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710021；2.西安長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司，陜西西安 710018）

出砂是由于油氣井開采和作業(yè)等綜合因素造成井底附近地層破壞出砂或者壓裂施工結(jié)束支撐劑砂隨地層流體進(jìn)入井筒的現(xiàn)象，除了嚴(yán)重影響氣井正常生產(chǎn)外，還會(huì)沖蝕套管、井下工具、井口、地面管線，嚴(yán)重者會(huì)引發(fā)安全事故。本文對(duì)蘇里格氣田S區(qū)氣井出砂機(jī)理展開分析，從出砂不同歷程分別提出了工藝優(yōu)化建議及配套防砂工藝，對(duì)于氣田防砂工作具有重要意義。

出砂機(jī)理；配套防砂；蘇里格氣田S區(qū)；臨界流量

氣井出砂，作為天然氣生產(chǎn)中的“第二殺手”，除了嚴(yán)重影響氣井正常生產(chǎn)外，還會(huì)沖蝕套管、井下工具、井口、地面管線，嚴(yán)重者會(huì)引發(fā)安全事故，較氣井出水具有更嚴(yán)重的危害性。歷年來(lái)，通過(guò)對(duì)氣井出砂機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié)，蘇里格氣田S區(qū)形成了一系列配套氣井防砂工藝。

1 蘇里格氣田S區(qū)氣井出砂現(xiàn)狀

要研究地層砂在地層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，必須先對(duì)氣井出砂機(jī)理進(jìn)行研究[1，2]。氣井出砂根據(jù)產(chǎn)出砂來(lái)源可分為地層出砂和支撐劑回流兩種情況。

由于蘇里格氣田S區(qū)下古儲(chǔ)層為碳酸鹽巖儲(chǔ)層，且大部分采用酸化工藝不使用支撐劑，以上兩種出砂方式均不存在，因此僅研究上古砂巖儲(chǔ)層及壓裂工藝。

研究表明，蘇里格氣田S區(qū)上古儲(chǔ)層為致密砂巖儲(chǔ)層，交接情況良好，地層不出砂，結(jié)合地面返排砂情況，認(rèn)為蘇里格氣田出砂類型為支撐劑回流。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前蘇里格氣田S區(qū)共有42口氣井存在氣井出砂問(wèn)題，出砂氣井平均產(chǎn)量1.49×104m3/d，近年來(lái)，通過(guò)下現(xiàn)場(chǎng)不斷試驗(yàn)及理論研究。結(jié)合氣井出砂監(jiān)測(cè)工藝，蘇里格氣田S區(qū)逐漸形成了配套的防砂工藝。

2 氣井防砂工作的基礎(chǔ)－氣井出砂監(jiān)測(cè)技術(shù)

歷年來(lái)，在蘇里格氣田生產(chǎn)過(guò)程中，從未在井口配備相應(yīng)的出砂監(jiān)測(cè)設(shè)備，此前對(duì)于氣井出砂的判斷主要從井口防砂器排砂情況、通井探砂面、氣井放噴觀察排出物等方式進(jìn)行。這些方法大部分僅能定性判定氣井是否出砂，卻無(wú)法對(duì)氣井出砂情況進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。而要對(duì)氣井出砂情況進(jìn)行深入研究，必須引進(jìn)相應(yīng)的氣井出砂監(jiān)測(cè)工藝[3，4]。

2016年，蘇里格氣田S區(qū)引進(jìn)了氣井出砂監(jiān)測(cè)技術(shù)，并在井口進(jìn)行了出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

2.1 氣井出砂監(jiān)測(cè)原理

從20世紀(jì)70年代至今，國(guó)外提出了聲波檢測(cè)法、ER檢測(cè)法、X射線檢測(cè)法、光纖聲波檢測(cè)法、聲納檢測(cè)法等多種油氣井出砂檢測(cè)方法。目前，技術(shù)比較成熟、應(yīng)用最廣的為ER法和聲波法。其中ER法需要在管線內(nèi)插入監(jiān)測(cè)探頭，測(cè)量的過(guò)程中需要伴隨地面管線的改造，考慮到現(xiàn)場(chǎng)改造安全，選擇聲波法進(jìn)行氣井出砂監(jiān)測(cè)。其主要原理為：

氣固混合流體輸送過(guò)程中，在管道彎管處氣體與固體砂粒與管壁碰撞，產(chǎn)生超聲波信號(hào)，通過(guò)置于管道外部的超聲波傳感器拾取該信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理和A/D轉(zhuǎn)換后，輸送到計(jì)算機(jī)中；根據(jù)出砂率和信號(hào)幅度之間的關(guān)系建立起的模型，計(jì)算管道內(nèi)的砂粒濃度。

2.2 出砂監(jiān)測(cè)設(shè)備基本情況介紹

測(cè)量前，先將探頭取出放置在測(cè)量管線環(huán)境處，觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的噪聲幅度，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)零。

測(cè)量時(shí)，將出砂監(jiān)測(cè)傳感器安裝在管道流體下游90°彎管下游2倍管徑處，彎管與傳感器接觸面處的油漆應(yīng)銼掉，并清理掉所有雜物，再涂上耦合劑，并用扎帶將傳感器緊固在管道上。注意傳感器的引線一定要與流體流動(dòng)方向相一致。參照相同井的測(cè)試和標(biāo)定情況，輸入儀器常數(shù)C，該值影響到測(cè)試的定量精度，參考以前測(cè)試過(guò)的管徑相同、流速接近的且標(biāo)定過(guò)出砂量的C值。儀器即可自動(dòng)測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1）。

圖1 傳感器安裝位置示意圖

2.3 室內(nèi)試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，模擬井上出砂環(huán)境，測(cè)試此出砂裝置的運(yùn)行狀況：

測(cè)試時(shí)間：2016年5月8日9:30

空管測(cè)試時(shí)間：9:30～11:42

測(cè)試噪聲：20 mV～30 mV

管徑：25 mm

氣流量：0.3×104m3/d

砂粒大小：20～40 目

采樣率：10 000 Hz

開泵前濾波后峰值為18 mV，將Sigma值調(diào)整為2.5，C值調(diào)整為1時(shí)，正好無(wú)出砂信號(hào)顯示，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。12 min后開泵，濾波后峰值不變。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)量，最終在濾波后信號(hào)幅值為10 mV，Sigma值為4.7，C值為18時(shí)，不僅能正常顯示出砂信號(hào)，而且計(jì)算出的出砂量也比較準(zhǔn)確。軟件計(jì)算出來(lái)的出砂量為479.048 g，實(shí)際的砂子質(zhì)量為503 g，誤差率4.76%，在誤差允許范圍內(nèi)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況

2016年至2017年對(duì)19口氣井先后進(jìn)行24次氣井出砂監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)針對(duì)2016年投產(chǎn)氣井、高產(chǎn)出砂氣井進(jìn)行測(cè)量，并針對(duì)部分防砂工藝氣井進(jìn)行多次測(cè)量從而評(píng)價(jià)防砂工具性能。

引進(jìn)氣井出砂監(jiān)測(cè)工藝可以為出砂氣井安全生產(chǎn)提供參考，同時(shí)可以對(duì)氣井防砂工具效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，是后期開展氣井防砂工藝的基礎(chǔ)[5，6]。

3 氣井配套防砂技術(shù)

3.1 高產(chǎn)氣井井下防砂技術(shù)

與井筒內(nèi)液相流動(dòng)類似，砂在井筒內(nèi)被天然氣攜帶至井口，也存在臨界攜砂流量。

參考特納模型對(duì)砂粒在井筒內(nèi)的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，砂粒受氣體向上的曳力F：

以及垂向的自身重力G：

當(dāng)F=G，即二者受力平衡時(shí)，砂粒可懸浮至井筒內(nèi)，此時(shí)流速μc即為氣井的臨界攜砂流速，通過(guò)代入公式可得：

式中：ρs-砂粒密度，kg/m3；ρg-天然氣密度，kg/m3；d-砂粒直徑，m；g-重力加速度，取 9.8 m/s2；Cd-曳力系數(shù)，對(duì)于球形模型，取0.44。

由此可以計(jì)算出臨界攜砂流量：

不同壓力下直井中的臨界攜砂流量（見(jiàn)表1），從計(jì)算的結(jié)果可以看出，當(dāng)井筒壓力越低時(shí)臨界攜砂流量越低，考慮到井筒內(nèi)有節(jié)流器的情況，選取套壓為井筒壓力計(jì)算氣井的臨界攜砂流量。

表1 不同壓力下井筒臨界攜砂流量計(jì)算值

對(duì)于產(chǎn)量高于臨界攜砂流量的出砂氣井，主要采用下入井下防砂工具的方式進(jìn)行井下防砂。該工具采用多功能數(shù)控激光切割機(jī)割出梯形細(xì)縫，縫寬可滿足0.3 mm～4 mm加工精度要求；具有鋼性好、抗刮磨、縫隙均勻等特點(diǎn)。結(jié)合2016年氣井出砂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)2口下入防砂器的氣井進(jìn)行了氣井出砂監(jiān)測(cè)，從氣井出砂監(jiān)測(cè)情況看，下入割縫焊管防砂器后氣井出砂情況明顯改善，具有明顯效果。

3.2 冬季高峰供氣氣井地面防砂技術(shù)

冬季高峰供氣生產(chǎn)過(guò)程中，由于部分調(diào)產(chǎn)氣井存在出砂問(wèn)題，且氣井產(chǎn)氣量較大，氣井出砂對(duì)地面管線、針閥影響更大，因此需要采取進(jìn)一步措施進(jìn)行地面防砂。目前常用的地面防砂工具為撬裝式地面除砂器。

撬裝式除砂器分為旋流器、儲(chǔ)砂筒兩個(gè)部分，是根據(jù)流體中的固體顆粒在旋流器里旋轉(zhuǎn)時(shí)的篩分原理制成，集漩流與過(guò)濾為一體，實(shí)現(xiàn)除砂及液分離。當(dāng)攜帶砂子和液體的氣體在一定壓力下，從除砂器進(jìn)口以切向進(jìn)入設(shè)備后，產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于砂子、液體、氣體密度不同，在離心力、向心浮力、流體曳力的作用下因受力不同，從而使密度低的氣體及液體上升由出氣口排出，密度大的砂子及部分沉降到儲(chǔ)砂筒中由底部排砂口排出，從而達(dá)到除砂的目的（見(jiàn)圖2）。

圖2 井口除砂器結(jié)構(gòu)圖

2016年對(duì)3口井口安裝撬裝重力式除砂器氣井除砂器上下游進(jìn)行氣井出砂監(jiān)測(cè)，除砂器上游氣井平均出砂129.96 g/h，除砂器下游氣井平均出砂9.24 g/h，表明除砂器在排砂充分、正常使用的情況下可以有效控制氣井出砂，降低氣井出砂傷害。

4 結(jié)論

（1）蘇里格氣田S區(qū)出砂性質(zhì)為支撐劑回流出砂氣井平均產(chǎn)量較高，有必要采取相關(guān)措施對(duì)氣井出砂進(jìn)行控制。

（2）通過(guò)引進(jìn)氣井出砂監(jiān)測(cè)工具，從而實(shí)現(xiàn)氣井出砂量化研究，對(duì)于氣井出砂防治具有重要意義。

（3）通過(guò)井筒、井口、地面配套防砂技術(shù)，蘇里格氣田S區(qū)氣田在氣井防砂方面取得了明顯的成果。

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TE931.1

A

1673-5285（2017）10-0083-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.021

2017－10-08