頁(yè)巖氣除砂器性能評(píng)價(jià)方法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

吳宇 葉輝 廖小莉

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦 3.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦

頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)天然氣，其開采方式與常規(guī)氣相比有較大不同。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的巖石間的空隙小，滲透率低，氣流阻力比常規(guī)天然氣的大，開采難度很大，一般均需經(jīng)過(guò)壓裂改造之后才具有工業(yè)產(chǎn)能[1-2]。由于壓裂需使用砂粒，使得在頁(yè)巖氣開采初期井口氣夾帶砂粒進(jìn)入地面生產(chǎn)設(shè)施，會(huì)對(duì)設(shè)備、管道，特別是節(jié)流裝置、彎頭等部位造成沖蝕等影響，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在天然氣出井口后必須用除砂器進(jìn)行除砂，保證下游生產(chǎn)設(shè)施的安全平穩(wěn)運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)除砂器的研究主要集中在從除砂器結(jié)構(gòu)方面提高除砂效果，對(duì)除砂器運(yùn)行效果的評(píng)價(jià)也進(jìn)行了探索性的嘗試，但評(píng)價(jià)結(jié)果仍需進(jìn)一步驗(yàn)證和量化[3-4]。

除砂器進(jìn)、出口砂粒的流量監(jiān)測(cè)是除砂器效果評(píng)價(jià)的前提。國(guó)內(nèi)外砂粒監(jiān)測(cè)大致分為聲學(xué)法和ER(electrical resistant)技術(shù)兩大類。聲學(xué)法是通過(guò)監(jiān)測(cè)油氣流中的砂粒與管壁碰撞或直接對(duì)探頭沖擊產(chǎn)生的聲信號(hào)，并經(jīng)信號(hào)處理后得到出砂量信息；ER法是監(jiān)控插入管道中的探頭由于砂粒沖擊侵蝕導(dǎo)致的阻抗變化來(lái)監(jiān)測(cè)出砂狀況[5-6]。由于聲學(xué)法具有安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需改造管道和設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)逐漸在頁(yè)巖氣生產(chǎn)領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文提出將聲學(xué)砂粒監(jiān)測(cè)法和離線砂粒取樣分析相結(jié)合，對(duì)除砂器效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，為形成可行的頁(yè)巖氣除砂器性能評(píng)價(jià)方法提供參考。

1 檢測(cè)方法簡(jiǎn)介

1.1 聲學(xué)檢測(cè)法

聲學(xué)檢測(cè)法是一種非侵入式的檢測(cè)方法，該方法的基本原理是由聲學(xué)傳感器與管道外壁面接觸，通過(guò)設(shè)置一定的閾值屏蔽背景噪聲，并捕捉到砂粒撞擊管壁時(shí)發(fā)出的聲波信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后傳至控制單元，控制單元自動(dòng)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最終直觀顯示出砂粒的累積量。工作原理圖見圖1。傳感器要求綁定在彎頭下游2倍管徑處的外壁以利于對(duì)聲波信號(hào)的接收，測(cè)試過(guò)程對(duì)正常生產(chǎn)不產(chǎn)生任何影響。近年來(lái)已取得了一定的室內(nèi)研究成果，并在常規(guī)油氣生產(chǎn)領(lǐng)域開始應(yīng)用于井口出砂監(jiān)測(cè)[7-9]。該方法對(duì)頁(yè)巖氣生產(chǎn)時(shí)管道內(nèi)的三相流工況是否適應(yīng)，尚需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)擬在除砂器進(jìn)、出口處分別安裝一臺(tái)聲學(xué)傳感器，測(cè)得一段時(shí)間內(nèi)除砂器進(jìn)、出口砂粒流量，通過(guò)計(jì)算可得到除砂器的平均除砂效率。

1.2 離線取樣分析法

離線取樣分析法是對(duì)聲學(xué)檢測(cè)法的補(bǔ)充，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)擬將除砂器排出的砂粒進(jìn)行稱量并進(jìn)行粒徑分析，同時(shí)，對(duì)后續(xù)污水罐中砂粒粒徑進(jìn)行分析，可進(jìn)一步驗(yàn)證除砂器的除砂效率，并可通過(guò)計(jì)算得到任一粒徑范圍內(nèi)的砂粒的脫除效率。

2 除砂器性能測(cè)試試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)除砂流程簡(jiǎn)介及測(cè)試裝置配置方案

除砂流程示意圖見圖2。

(1)將旋流式除砂器安裝于井口采氣樹和氣液分離器之間，操作壓力約5 MPa(G)，處理氣量約8×104m3/d。

(2)除砂器由除砂單元和集砂罐組成，該設(shè)備設(shè)計(jì)除砂效率為98%。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，若實(shí)際除砂效率達(dá)到該設(shè)計(jì)值，能夠滿足生產(chǎn)需求。正常生產(chǎn)時(shí)，除砂單元將脫除氣體中的大多數(shù)砂粒，脫除的砂粒全部沉降進(jìn)入下部集砂罐；當(dāng)需要排砂時(shí)，關(guān)閉除砂單元和集砂罐之間的閥門，并對(duì)集砂罐進(jìn)行放空卸壓，然后通入沖洗水將砂粒從集砂罐中排出，排砂完畢后恢復(fù)正常流程。

(3)在除砂器進(jìn)口、除砂器出口與分離器之間的管道上各安裝1臺(tái)聲學(xué)砂粒檢測(cè)儀，以檢測(cè)除砂器進(jìn)、出口砂粒累積量，從而判斷除砂器效果。

(4)除砂器集砂罐出砂口處放置接砂容器。

2.2 聲學(xué)檢測(cè)砂粒流量及除砂率計(jì)算

利用聲波測(cè)砂儀對(duì)除砂器進(jìn)、出口處砂粒的累積量進(jìn)行連續(xù)55 h的測(cè)試。試驗(yàn)期間，白天每間隔1 h從聲波測(cè)砂儀上人工記錄1次砂粒流量；夜間由設(shè)備自動(dòng)將夜間數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，第二天供測(cè)試人員讀取。

從圖3可知，砂粒進(jìn)入除砂器的累積量處于緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率并不恒定，某一時(shí)間段內(nèi)井口出砂量可能隨機(jī)增加，也有可能一直處于低值。若試驗(yàn)期間井口未出砂，將對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。因此，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)盡可能保持較長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)試，保證傳感器能夠準(zhǔn)確捕捉到出砂時(shí)機(jī)。除砂器出口砂粒累積量一直處于較低值，第一天和第二天的出口數(shù)據(jù)幾乎重合，表明除砂后的天然氣中砂粒極少，第三天的出口數(shù)據(jù)也僅有少量增加，表明試驗(yàn)期間除砂器運(yùn)行效果良好。經(jīng)過(guò)累計(jì)55 h的連續(xù)檢測(cè)，結(jié)果如下：

除砂器進(jìn)口砂粒累積量：333.3 g-55.7 g=277.6 g。

除砂器出口砂粒累積量：6.2 g-1.3 g=4.9 g。

聲學(xué)檢測(cè)法測(cè)得平均每天除砂量：(277.6 g-4.9 g)÷55 h×24 h≈119 g/天。

平均除砂率為：(277.6 g-4.9 g)÷277.6 g=98.2%。

2.3 離線取樣分析

2.3.1砂粒稱量

試驗(yàn)測(cè)試的除砂器為帶集砂罐的除砂器，脫除的砂粒全部進(jìn)入罐內(nèi)暫存。因此，從集砂罐內(nèi)取出的砂粒質(zhì)量能夠準(zhǔn)確地代表除砂器總的除砂量，可作為聲波測(cè)砂儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的校核基礎(chǔ)。采用砂粒稱重法直接測(cè)量集砂罐內(nèi)砂粒的質(zhì)量，結(jié)果見表1。

表1 集砂罐砂樣稱量結(jié)果Table 1 Measurement of sample in sand collecting tank樣品中水+砂粒的質(zhì)量/g砂粒的質(zhì)量/gw(含砂)/%稱量結(jié)果213.323.13 1.5

集砂罐內(nèi)排出的砂、水混合液中平均含砂率1.5%(w)，砂粒和水的總質(zhì)量115 kg，除砂器累積運(yùn)行時(shí)間20天。

排出砂量=115 kg×1.5%=1.725 kg

每天平均除砂量=1.725 kg÷20天=86.25g/天

將聲學(xué)檢測(cè)法與砂粒稱重法得到的砂粒質(zhì)量相比較，相對(duì)誤差約為27.5%。初步分析誤差原因是由于傳感器的安裝位置嚴(yán)格按照操作說(shuō)明安裝于彎頭下游2倍管徑處，并保持55 h的連續(xù)測(cè)試，確保了氣井出砂時(shí)機(jī)不被遺漏，從而在空間和時(shí)間上盡可能保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該監(jiān)測(cè)設(shè)備在初始設(shè)置時(shí)需要人為設(shè)置初始閾值以屏蔽背景噪聲，目前現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所設(shè)閾值為操作說(shuō)明推薦值，對(duì)管道內(nèi)氣液固三相共存環(huán)境的適應(yīng)性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。對(duì)于除砂器性能數(shù)據(jù)有更嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，則需要開展室內(nèi)試驗(yàn)探尋更能適應(yīng)頁(yè)巖氣氣質(zhì)條件的閾值。

2.3.2粒徑分析

分別對(duì)集砂罐排出砂樣和分離后污水罐水樣進(jìn)行粒徑分析,結(jié)果如圖4和圖5所示。

在除砂器正常運(yùn)行，絕大部分砂粒均被脫除進(jìn)入集砂罐的情況下，可以假定集砂罐內(nèi)砂樣粒徑分布能夠充分代表除砂器進(jìn)口砂樣粒徑分布。根據(jù)粒徑分析數(shù)據(jù)，d>15 μm的砂粒約占65%，聲波測(cè)砂器測(cè)得除砂器進(jìn)口砂粒累積量為277.6 g。因此可認(rèn)為，除砂器進(jìn)口d>15 μm的砂粒累積量為：277.6 g×65.5%=181.828 g。

由于除砂器出口砂粒流量已很小，而水量較大，可以假定除砂器出口絕大部分砂粒均在液相中，水樣中砂粒粒徑分布能夠充分代表除砂器出口粒徑分布。根據(jù)粒徑分布數(shù)據(jù)，d>15 μm的砂粒約占52.5%，聲波測(cè)砂器測(cè)得除砂器出口砂粒累積量為4.9 g。因此可認(rèn)為，除砂器出口d>15 μm的砂粒累積量為4.9 g×52.5%=2.5725 g。

d>15 μm的砂粒脫除率：(181.828-2.5725)/181.828×100%≈98.59%。

該結(jié)果是在除砂器運(yùn)行正常、性能良好的情況下，基于離線取樣對(duì)管道內(nèi)砂粒粒徑分布具有充分代表性的假設(shè)而得到，數(shù)據(jù)對(duì)于日常的生產(chǎn)管理具有一定的參考意義。但對(duì)于更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)要求或者當(dāng)除砂器處于非正常運(yùn)行狀態(tài)，離線取樣已不能完全代表管道內(nèi)砂粒的情況下，需要在管道上增設(shè)在線取樣口，取得在線砂樣并進(jìn)行分析計(jì)算后得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

(1)聲學(xué)砂粒監(jiān)測(cè)結(jié)合離線砂粒取樣分析的方法為評(píng)價(jià)除砂器的效果提供了一種現(xiàn)實(shí)可行的評(píng)價(jià)方法。

(2)該評(píng)價(jià)方法具有操作簡(jiǎn)單，安全風(fēng)險(xiǎn)小，不影響正常生產(chǎn)流程的優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際情況相比，誤差低于30%。對(duì)頁(yè)巖氣生產(chǎn)條件具有較好適應(yīng)性，能夠?yàn)榇蠖鄶?shù)頁(yè)巖氣的生產(chǎn)和管理提供參考。

(3)目前，生產(chǎn)上主要根據(jù)設(shè)備進(jìn)出口差壓計(jì)的指示數(shù)值間接判斷除砂器運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)將聲學(xué)監(jiān)測(cè)法與離線取樣分析法相結(jié)合，可以定量地評(píng)價(jià)除砂器的運(yùn)行效果，即使存在30%以內(nèi)的相對(duì)誤差，仍然對(duì)生產(chǎn)管理有一定的指導(dǎo)意義。