南海深水A氣田防砂篩管沖蝕風(fēng)險分析與優(yōu)選*

邱 浩 李 中 文 敏 黃 輝 馬 楠 侯澤寧 張 銳

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

0 引 言

深水油氣生產(chǎn)配產(chǎn)高、巖石疏松易出砂，沖蝕風(fēng)險大，雖有礫石層阻擋緩解，但低于擋砂精度的砂粒仍會穿過礫石層沖蝕配套篩管，長期沖蝕也會使篩孔增大、礫石失去支撐而導(dǎo)致防砂失效；同時，若存在礫石充填虧空或失敗等問題，砂粒直沖篩管更是加大了防砂失效的風(fēng)險。另外，深水防砂失效后維修作業(yè)成本極大。因此，準(zhǔn)確選型合適配套篩管是深水井礫石充填全壽命防砂并保障安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。南海A氣田水深超1 200 m、高孔高滲，儲層巖石疏松，早期探井轉(zhuǎn)生產(chǎn)井開發(fā)效果顯示出砂嚴(yán)重，可能危及深水氣田的安全和高效生產(chǎn)。因此充填防砂勢在必行，篩管選型也是重中之重。

關(guān)于篩管沖蝕風(fēng)險問題，國內(nèi)外有試驗和數(shù)值模擬兩方面研究。試驗研究主要是借助試樣旋轉(zhuǎn)磨蝕和射流沖擊磨損表征篩網(wǎng)沖蝕結(jié)果[1-7]。A.PROCYK等[1]在相同條件下使用不同流體介質(zhì)進行篩管沖蝕試驗,發(fā)現(xiàn)沖蝕破壞是氣井生產(chǎn)的主要約束。陳彬等[5]通過試驗分析了4種因素對優(yōu)質(zhì)篩管和星孔篩管沖蝕影響程度，并應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法進行了影響程度排序。王典等[6]試驗分析了單層金屬網(wǎng)布篩網(wǎng)沖蝕磨損規(guī)律。周歡等[7]開展了礫石充填條件下金屬網(wǎng)布篩管加砂模擬沖蝕試驗，指出當(dāng)流體到達擾動礫石充填層，篩管會發(fā)生部分堵塞，在流通孔眼處會形成高速磨料射流，造成沖蝕破壞。

在數(shù)值模擬方面，學(xué)者已探究形成了一些篩管沖蝕模擬方法和規(guī)律[8-14]。張銳等[8-9]基于計算流體動力學(xué)(CFD)理論，考慮氣固耦合流動，認(rèn)為沖蝕是各砂粒沖蝕疊加的結(jié)果，建立了沖蝕新模型，形成了深水氣井防砂篩管沖蝕磨損仿真模擬方法。邱浩等[10]結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)給出了出砂沖蝕模型。翟曉鵬等[11-12]基于試驗應(yīng)用數(shù)值模擬預(yù)測金屬網(wǎng)布沖蝕壽命和繞絲沖蝕過程。胡成等[13]采用正交分析法確定了各因素影響割縫篩管的主次順序。陳姍姍等[14]著重進行了不同流速下金屬網(wǎng)布篩管沖蝕壽命模擬預(yù)測。目前試驗和數(shù)值模擬研究均沒有考慮小粒徑砂粒穿過礫石層的篩管沖蝕和選型問題。為此，筆者針對南海深水A氣田充填防砂配套篩管沖蝕風(fēng)險和選型問題，構(gòu)建了篩管孔縫物理模型，應(yīng)用篩管沖蝕磨損仿真模擬方法，開展了防砂篩管沖蝕模擬，探究篩管沖蝕風(fēng)險并進行篩管選型。所得結(jié)論可為深水氣田安全高效開發(fā)提供理論支撐。

1 防砂篩管沖蝕模擬方法

高速氣流攜砂過礫石層沖蝕篩管的過程是復(fù)雜的氣固兩相三維湍流問題，將砂粒對篩管沖蝕分為氣固耦合流動和砂粒對壁面磨損兩部分。首先構(gòu)建礫石層和篩管防砂單元模型，并簡化為多孔介質(zhì)流域，引入氣固耦合運動模型計算流場分布；之后基于篩孔篩縫模型并結(jié)合流場分布確定邊界條件，應(yīng)用離散廣角沖蝕模型疊加計算沖蝕速率。

1.1 氣固耦合流動模型

氣固兩相流中砂粒容積率較小，氣體作為連續(xù)相處理，采用氣體控制方程描述氣體流動，而砂粒作為離散相處理，采用砂粒運動方程描述砂粒運動。

應(yīng)用動量方程、連續(xù)性方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型描述氣體流動，采用砂粒的各種受力[15-19]描述砂粒運動，同時兩相流場中氣體與砂粒間存在相互影響。其氣固耦合運動模型[8-9]為：

(1)

1.2 離散顆粒廣角度篩管沖蝕模型

本文在Alex Procyk經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，考慮各顆粒的沖蝕角度不同，通過累加各顆粒對篩網(wǎng)的沖蝕量得到?jīng)_蝕結(jié)果，則有離散顆粒廣角度沖蝕率模型為[8-9]：

(2)

(3)

式中：ER為沖蝕速率，kg/(m2·s)；B為修正系數(shù)，約為4.05×10-5；mp為單個砂粒質(zhì)量，kg；λ為沖蝕顆粒與靶材硬度比；vp為沖蝕顆粒流速，m/s；dp為顆粒直徑，μm；f(α)為沖蝕角度函數(shù)；α為沖蝕角度，rad；A′為受沖蝕網(wǎng)格單元表面積，m2；Np為砂粒撞擊次數(shù)。

1.3 防砂篩管孔縫物理模型和流域網(wǎng)格劃分

深水充填防砂常用優(yōu)質(zhì)、星孔和繞絲3類配套篩管。星孔篩管和優(yōu)質(zhì)篩管通過金屬網(wǎng)布或金屬棉支撐礫石和防砂。繞絲篩管通過梯形繞絲間縫隙支撐礫石和防砂。構(gòu)建金屬網(wǎng)布、繞絲的篩孔及篩縫模型單元，如圖1所示。

數(shù)值模擬時，將防砂層流域分為礫石環(huán)形區(qū)和篩管中心區(qū)，流域整體采用四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。流場入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為自由流出口，離散相與碰撞壁面間邊界條件為彈性反彈。

圖1 不同類型篩管對應(yīng)篩孔和篩縫物模單元Fig.1 Physical model unit of screen mesh and gap corresponded by different types of screens

圖2 礫石層和篩管內(nèi)部流域模型Fig.2 Gravel layer and internal watershed model of screen

2 不同因素對篩管沖蝕規(guī)律分析

針對優(yōu)質(zhì)、星孔和繞絲等3類配套篩管，分析不同因素對3類篩管沖蝕的影響規(guī)律。表1為不同防砂篩管基本參數(shù)表。設(shè)定礫石層厚度為0，選定砂粒徑50 μm、單井產(chǎn)氣量配產(chǎn)40×104m3/d、出砂量3 kg/d為基礎(chǔ)參數(shù)；保持其中2個參數(shù)不變，各因素取值分別為產(chǎn)出砂粒徑0～250 μm、配產(chǎn)量(0～150)×104m3/d、出砂量0～8 kg/d。

表1 不同防砂篩管基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of different sand control screens

假設(shè)井筒入流剖面均勻，攜砂氣流過外護罩孔眼后均勻流經(jīng)金屬網(wǎng)布或繞絲的孔縫，入口流速和砂粒質(zhì)量等初始和邊界條件依據(jù)篩管性能參數(shù)、模擬基礎(chǔ)參數(shù)等確定。開展沖蝕模擬，分別分析產(chǎn)出砂粒徑、配產(chǎn)量和出砂量等因素對3類篩管沖蝕影響規(guī)律，結(jié)果如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可知：模擬條件下3類篩管沖蝕速率隨產(chǎn)出砂粒徑增大先增大后對數(shù)減小，隨配產(chǎn)量呈二項式遞增，隨出砂量線性增大；相同條件下繞絲篩管的沖蝕率最小，優(yōu)質(zhì)篩管次之，星孔篩管最大。這主要是由于繞絲篩管的過流面積較大，而星孔篩管的過流面積最小，配產(chǎn)相同時繞絲篩管篩縫處氣體流速最低，星孔篩管篩孔處氣體流速最快，從而造成砂粒對不同篩管的沖蝕速率差異較大。此規(guī)律可作為篩管優(yōu)選的一項重要依據(jù)。由于各類型篩管都具有其優(yōu)勢和局限性，如繞絲篩管在下入水平井時易發(fā)生亂絲和損壞情況，星孔篩管整體強度較高等，根據(jù)實際情況綜合考慮各因素進行防砂篩管選型更為關(guān)鍵。

圖3 不同產(chǎn)出砂粒徑對3類篩管沖蝕速率影響規(guī)律Fig.3 Effect of different particle sizes of produced sand on erosion rates of 3 types of screens

圖4 不同配產(chǎn)量對3類篩管沖蝕速率影響規(guī)律Fig.4 Effect of different proration on erosion rates of 3 types of screens

圖5 不同出砂量對3類篩管沖蝕速率影響規(guī)律Fig.5 Effect of different sand influx on erosion rates of 3 types of screens

3 防砂篩管沖蝕規(guī)律及選型舉例

本文以南海深水A氣田4口探井轉(zhuǎn)生產(chǎn)井采氣防砂工藝為例，工藝參數(shù)見表2。基于篩管流域和篩孔篩縫模型，應(yīng)用模擬方法，結(jié)合實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，開展了A氣田4口井可能選用的3種配套篩管沖蝕風(fēng)險分析和選型。

假設(shè)井筒入流和過礫石層后流經(jīng)金屬網(wǎng)布或繞絲的孔縫氣流均勻，依據(jù)表2中篩管過濾層參數(shù)，結(jié)合4口井產(chǎn)氣量、篩管段長及布孔數(shù)等數(shù)據(jù)，可計算出井筒入口流速。砂粒密度為2 500 kg/m3，硬度為25 HB，質(zhì)量流量依據(jù)實際出砂量計算。篩管材料為不銹鋼，密度為7 950 kg/m3，硬度為180 HB。

表2 深水A氣田4口采氣井防砂工藝參數(shù)Table 2 Sand control process parameters of 4 gas production wells in A deep-water gas field

篩管沖蝕模擬流程如圖6所示。模擬迭代計算中，采用SIMPLE算法進行壓力與速度耦合，動量、湍動能和湍流耗散率的離散均采用二階迎風(fēng)格式。5次氣流場迭代后，應(yīng)用式(1)計算1次砂粒群軌跡，并依據(jù)砂粒新數(shù)據(jù)更新氣體控制方程，亞松弛法迭代計算至收斂(殘差值低于0.000 1)，獲得兩相流場分布；同時依據(jù)過流砂粒參數(shù)、數(shù)量、碰撞位置和角度等，結(jié)合式(2)得到孔縫處沖蝕磨損情況。

根據(jù)實際防砂篩管物理參數(shù)構(gòu)建優(yōu)質(zhì)篩管、星孔篩管和繞絲篩管的整體和孔縫物理模型，劃分流域網(wǎng)格，進行篩管沖蝕數(shù)值模擬，得到篩管篩網(wǎng)孔縫處沖蝕云圖和沖蝕速率，結(jié)果如圖7、圖8、圖9及表3所示。圖7是4口生產(chǎn)井星孔篩管篩孔處沖蝕云圖。圖8是4口生產(chǎn)井優(yōu)質(zhì)篩管篩孔處沖蝕云圖。圖9是4口生產(chǎn)井繞絲篩管篩縫處沖蝕云圖。

圖6 篩管沖蝕數(shù)值模擬流程圖Fig.6 Flow chart for numerical simulation of screen erosion

由圖7、圖8和圖9可知:星孔篩管的沖蝕嚴(yán)重區(qū)域主要分布在篩孔上表面；優(yōu)質(zhì)篩管的沖蝕嚴(yán)重區(qū)域主要分布在篩孔內(nèi)側(cè)；繞絲篩管的沖蝕嚴(yán)重區(qū)域主要分布在篩縫兩側(cè)。

深水A氣田4口井實際工況下3類篩管模擬計算沖蝕速率結(jié)果如表3所示。

圖7 4口生產(chǎn)井星孔篩管篩孔處沖蝕云圖Fig.7 Cloud chart for erosion at screen mesh of star-hole screen in 4 production wells

圖8 4口生產(chǎn)井優(yōu)質(zhì)篩管篩孔處沖蝕云圖Fig.8 Cloud chart for erosion at screen mesh of high quality screen in 4 production wells

圖9 4口生產(chǎn)井繞絲篩管篩縫處沖蝕云圖Fig.9 Cloud chart for erosion at screen gap of wire wrapped screen in 4 production wells

由表3可知，3種篩管沖蝕速率依次是星孔篩管>優(yōu)質(zhì)篩管>繞絲篩管；繞絲篩管沖蝕風(fēng)險最低，但由于其不適用于海上深水水平井和大斜度井防砂，故推薦深水A氣田選擇礫石充填配套優(yōu)質(zhì)篩管防砂，能更好地保證防砂效果和可靠性。4口井防砂生產(chǎn)沖蝕實際監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果相符，驗證了模擬結(jié)果的正確性。

表3 3類篩管沖蝕速率Table 3 Erosion rates of 3 types of screens

3 結(jié)論與建議

(1)優(yōu)質(zhì)、星孔和繞絲3類防砂篩管沖蝕速率影響規(guī)律分析結(jié)果表明：3類篩管沖蝕速率隨產(chǎn)出砂粒徑先增大后對數(shù)減小，隨配產(chǎn)量呈二項式遞增，隨出砂量線性增大；相同條件下繞絲篩管的沖蝕風(fēng)險最低，優(yōu)質(zhì)篩管次之，星孔篩管最嚴(yán)重。

(2)南海深水A氣田3類篩管沖蝕風(fēng)險分析結(jié)果表明，星孔篩管沖蝕嚴(yán)重區(qū)域主要分布在篩孔上表面，優(yōu)質(zhì)篩管沖蝕嚴(yán)重區(qū)域主要分布在篩孔內(nèi)側(cè)，繞絲篩管沖蝕嚴(yán)重區(qū)域主要分布在篩縫兩側(cè)。

(3)南海深水A氣田3類篩管沖蝕速率計算結(jié)果表明，4口生產(chǎn)井3種篩管沖蝕速率介于3.60×10-8～6.12×10-7kg/(m2·s)之間，沖蝕風(fēng)險程度為星孔篩管>優(yōu)質(zhì)篩管>繞絲篩管。結(jié)合3類篩管適用條件，南海深水A氣田選擇礫石充填配套優(yōu)質(zhì)篩管能更好地保證長效可靠性。

(4)防砂篩管沖蝕和選型是一個綜合性復(fù)雜問題，受諸多因素影響。文中結(jié)果基于井筒入流和砂粒分布攜帶均勻假設(shè)等條件下得出，未考慮局部堵塞和充填虧空等情況，建議進一步考慮堵塞影響開展相應(yīng)研究。