高壓高產(chǎn)氣井出砂機理數(shù)值模擬

馬亞琴，張 寶，鐘建芳，易 俊，郝 劍

（1塔里木油田油氣工程研究院2玉門油田分公司油田作業(yè)公司）

馬亞琴等.高壓高產(chǎn)氣井出砂機理數(shù)值模擬.鉆采工藝，2019，42（5）：43-44，58

地層出砂是影響油氣井正常生產(chǎn)的重要問題［1］。地層出砂主要出現(xiàn)在疏松砂巖油氣藏中。多年來，針對疏松砂巖地層出砂，通過室內(nèi)實驗、理論分析、現(xiàn)場分析驗證等手段基本掌握了該類地層的出砂機理、影響因素等［2-6］。但是，近年來，塔里木油田庫車山前高壓氣井出現(xiàn)了地層垮塌、出砂現(xiàn)象。該區(qū)域?qū)儆谥旅苄粤芽p砂巖，地層巖石強度高，經(jīng)過大規(guī)模的酸化壓裂改造，氣井產(chǎn)量高［7-9］。該類高壓高產(chǎn)、致密性裂縫砂巖氣藏與疏松砂巖油氣藏存在很大的差異，其出砂機理相對復(fù)雜。

致密性裂縫砂巖由于膠結(jié)強度高，呈現(xiàn)出脆性特征。對于這類高強度的脆性砂巖，過高的生產(chǎn)速率導(dǎo)致近井筒區(qū)域產(chǎn)生很強的紊流效應(yīng)，是導(dǎo)致地層出砂的一種重要原因［10］。但是，這種紊流效應(yīng)能夠產(chǎn)生多大的作用力與氣體流速的關(guān)系是怎樣的？目前還沒有見到相關(guān)的研究報道。為此，本文以塔里木油田庫車山前克深區(qū)塊為例，通過物理模擬試驗和數(shù)值模擬分析，研究探討了高壓高產(chǎn)氣井的一種出砂機理—高速氣體紊流效應(yīng)。

一、高壓流體過孔眼模擬試驗研究

為了定性研究高壓高產(chǎn)氣井炮眼附近產(chǎn)生的紊流效應(yīng)，研制了一套高壓流體過孔眼模擬試驗裝置。該裝置是由高壓氣源、高壓水源、橡膠外筒和打孔碳鋼內(nèi)筒組成。橡膠外筒長度6 m，厚度10 mm。碳鋼內(nèi)筒設(shè)置一個孔眼，孔徑為3 mm。橡膠外筒包裹在碳鋼內(nèi)筒外，中間保留一定間隙，作為氣體流動通道。

試驗的基本原理是利用高壓氣源或高壓水源，從橡膠外筒與碳鋼內(nèi)筒之間的縫隙中注入高壓流體，通過碳鋼內(nèi)筒的孔眼排出。根據(jù)文丘里效應(yīng)，高壓流體在通過孔眼時，流速非常高，產(chǎn)生紊流效應(yīng)，將會對橡膠外筒產(chǎn)生一定的抽汲作用力，從而會造成橡膠外筒發(fā)生變形或破壞。

分別采用高壓氣源、高壓水源注入排量為5 m3／h、壓力為5 MPa的空氣、清水進行實驗。實驗30 min后，拆開內(nèi)外筒，觀察橡膠外筒變形情況。

圖1 實驗后橡膠外筒變形情況

圖1為實驗后橡膠外筒變形情況。從試驗結(jié)果來看，高壓氣井通過孔眼時，產(chǎn)生明顯的紊流效應(yīng)，形成抽汲作用力，造成橡膠外筒內(nèi)壁接近孔眼處形成明顯變形。高壓液體通過孔眼時，沒有產(chǎn)生明顯的紊流效應(yīng)，橡膠外筒該處沒有明顯變形。

二、高速氣體過炮眼數(shù)值模擬分析

通過前面的物模試驗可知，高壓氣體通過孔眼時會形成很強的紊流效應(yīng)，產(chǎn)生較大的抽汲作用力。對于低速氣體，可應(yīng)用伯努利方程進行計算。但是，對于高速氣體，由于涉及到氣體的壓縮效應(yīng)和能量交換，應(yīng)用解析方法計算非常復(fù)雜，可以采用流體有限元軟件FLUENT進行計算。

1.炮眼處抽汲作用力模擬計算思路

（1）根據(jù)氣井初期產(chǎn)能參數(shù)，利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和多相動態(tài)管流軟件OLGA，求出井底氣井產(chǎn)量（質(zhì)量流量）和井底流壓。

（2）假設(shè)井底氣體產(chǎn)量不變的情況下，通過改變儲層生產(chǎn)炮眼的數(shù)量，應(yīng)用ANSYS流體模塊（FLUENT）模擬求解射孔孔眼處流壓和流速分布。

（3）計算不同炮眼處氣體流速對應(yīng)的抽汲作用力。

2.不同炮眼氣體流速與抽汲作用力模擬計算

應(yīng)用FLUENT軟件，按照KeS2-A井和KeS2-B井的實際井況進行模擬計算，確定炮眼氣體流速與抽汲作用力的關(guān)系。

2.1 KeS2-A井模擬計算

采用多相動態(tài)管流軟件OLGA，按照KeS2-A井的管柱結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)參數(shù)進行模擬計算，得到氣井質(zhì)量流量：3.1427 kg／s；井口油壓：61.1183 MPa；井口氣體產(chǎn)量（標況下）：399 282 m3／d。

采用流體有限元軟件FLUENT，模擬計算不同等效水力直徑下，高壓氣體通過炮眼時產(chǎn)生抽汲作用力。根據(jù)不同等效水力直徑，計算高壓氣體通過炮眼產(chǎn)生的抽汲作用力，見表1。

表1 KeS2-A井氣體過炮眼產(chǎn)生的抽汲作用力計算結(jié)果

2.2 KeS2-B井模擬計算

采用多相動態(tài)管流軟件OLGA，按照KeS2-B井的管柱結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)參數(shù)進行模擬計算，得到氣井質(zhì)量流量：3.643 82 kg／s；井口油壓：85.195 5 MPa；井口氣體產(chǎn)量（標況下）：462 949 m3／d。

采用流體有限元軟件FLUENT，模擬計算不同等效水力直徑下，高壓氣體通過炮眼時產(chǎn)生抽汲作用力。根據(jù)不同等效水力直徑，計算高壓氣體通過炮眼產(chǎn)生的抽汲作用力，見表2。

表2 KeS2-B井氣體過炮眼產(chǎn)生的抽汲作用力計算結(jié)果

2.3 井下氣體流速與抽汲作用力關(guān)系擬合

根據(jù)KeS2-A井和KeS2-B井不同井下氣體流速計算得到的抽汲作用力數(shù)據(jù)進行擬合（如圖2所示），得到塔里木油田克深區(qū)塊高壓氣井井底流速與抽汲作用力的估算公式：

式中：ΔPf—氣體過炮眼抽汲作用力，MPa；v—氣體通過炮眼流速，m／s。

圖2 不同井下氣體流速與抽汲作用力關(guān)系擬合

三、高壓高產(chǎn)氣井出砂臨界生產(chǎn)壓差修正

將高壓氣體通過射孔炮眼時，由于紊流效應(yīng)產(chǎn)生的抽汲作用力理解為附加壓差，并考慮酸化改造對儲層巖石強度的影響，對常規(guī)出砂預(yù)測得到的出砂臨界生產(chǎn)壓差進行修正，從而得到高壓高產(chǎn)氣井酸化改造后的實際出砂臨界生產(chǎn)壓差：

式中：Δpcx—修正后的出砂臨界生產(chǎn)壓差，MPa；A—改造后巖石強度影響系數(shù)，根據(jù)巖石酸化實驗，取值0.2；Δpc—修正前的出砂臨界生產(chǎn)壓差，MPa；ΔPf—氣體過炮眼抽汲作用力，MPa。

四、結(jié)論

（1）高速氣體通過孔眼時形成紊流效應(yīng)，這種紊流效應(yīng)能夠產(chǎn)生較強的抽汲作用力。

（2）數(shù)值模擬計算了氣體流速與抽汲作用力的關(guān)系，分析表明，當氣體流速較低時，產(chǎn)生的抽汲作用力非常小，可以忽略不計；當氣體流速較高時，產(chǎn)生的抽汲作用力非常大，對出砂的影響不可忽視。

（3）考慮高速氣體紊流效應(yīng)產(chǎn)生的附加壓差，以及酸化改造對儲層巖石強度的影響，建立了高壓高產(chǎn)氣井出砂臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測模型，為克深區(qū)塊出砂預(yù)測提供了更加符合實際的方法。