李 波 張城瑋 梁海鵬

（成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059）

0 引言

以水力壓裂為核心的儲(chǔ)層改造技術(shù)在蘇里格氣田開發(fā)過程中得到大范圍應(yīng)用。但在壓裂液返排及采氣過程中，常常出現(xiàn)壓裂井出砂現(xiàn)象。出砂不僅造成管線、閥門及設(shè)備的損壞，給安全生產(chǎn)帶來重大隱患，同時(shí)也嚴(yán)重影響了氣井生產(chǎn)效率。如果不能及早地控制出砂量，可能會(huì)造成油氣層砂埋、油管砂堵、地面管線及天然氣集氣站內(nèi)設(shè)備刺漏等嚴(yán)重后果。因此，在天然氣生產(chǎn)過程中必須采取有效的氣井防砂措施［1］。

1 氣井出砂機(jī)理

氣井出砂是投產(chǎn)初期的一種常見現(xiàn)象，主要可分為地層出砂和裂縫出砂。地層出砂產(chǎn)出物主要是脫落的巖石碎屑，裂縫出砂產(chǎn)出物主要是氣藏壓裂改造過程中所加的支撐劑。蘇里格氣田上古氣井出砂均為支撐劑回流，即裂縫出砂。

在水力壓裂中采用石英砂或陶粒做支撐劑，壓裂后支撐劑隨攜砂液進(jìn)入人工裂縫并充填其中，從而達(dá)到提高裂縫導(dǎo)流能力的目的。當(dāng)裂縫中的壓力梯度過大或產(chǎn)出流體對(duì)支撐劑的拖曳力過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致支撐劑克服裂縫對(duì)其壓實(shí)力作用和支撐劑之間的摩擦力作用而隨流體從裂縫中流出，即氣井出砂［2-4］。

2 蘇里格氣田上古氣井防砂措施

針對(duì)蘇里格氣田上古氣井出砂問題，主要解決方法是在生產(chǎn)過程中優(yōu)化氣井配產(chǎn)制度，控制開井速度，結(jié)合井口加熱排砂、井下防砂工藝等輔助手段，盡可能減少氣井出砂帶來的危害，同時(shí)在新井投產(chǎn)時(shí)使用氣井出砂含量監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)氣井出砂量，以便及時(shí)對(duì)出砂量高的氣井采取防砂措施。

2.1 優(yōu)化氣井配產(chǎn)

考慮氣井配產(chǎn)與攜砂的關(guān)系，若配產(chǎn)大于井筒臨界攜砂流量，大量支撐劑將被返排出地層并被氣體帶出井筒，造成氣井出砂。因此，必須對(duì)氣井進(jìn)行合理配產(chǎn)，防止氣井出砂。蘇里格氣田上古氣井在生產(chǎn)過程中，通過計(jì)算井筒臨界攜砂流量（式1）并控制配產(chǎn)小于井筒臨界攜砂流量，有效防止了氣井出砂。

式中，Qgf為井筒臨界攜砂流量，104m3／d；ut為靜止流體中的砂粒沉降速度，m／s；A為油管截面積，m2；Zsc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮因子，Zsc＝1；Tsc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，Tsc＝293 K；Psc為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，Psc＝0.101 MPa；P為井底流壓，MPa；Z為井底流壓及溫度下的壓縮系數(shù)，無量綱；T為井底氣流溫度，K；D為井筒內(nèi)徑，m；Vgf為在紊流狀態(tài)下的臨界攜砂流速，m／s；Dp為砂粒直徑，m；g為重力加速度；ρc為砂粒密度，kg／m3；ρg為天然氣密度，kg／m3；▽p為井筒中的壓力梯度，MPa／m；Cd為拖曳力系數(shù)，無量綱。

2.2 控制開井速度

在氣井開井作業(yè)過程中，如果開井速度過快，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)生產(chǎn)壓差，當(dāng)該瞬時(shí)生產(chǎn)壓差大于氣井臨界出砂生產(chǎn)壓差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氣井出砂，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，蘇里格氣田要求操作員工開井時(shí)按照操作規(guī)程進(jìn)行緩慢操作，控制開井速度。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，蘇里格氣田某作業(yè)區(qū)逐步摸索探索出了適用于該作業(yè)區(qū)氣井的最短開井時(shí)間（表1）。從2014年至今，在生產(chǎn)實(shí)踐中按時(shí)間要求控制開井速度后，氣井的瞬時(shí)生產(chǎn)壓差被控制在合理范圍內(nèi)，氣井出砂現(xiàn)象明顯減少。

表1 蘇里格氣田某作業(yè)區(qū)開井速度控制表

2.3 采取氣井防砂工藝措施

限制氣井配產(chǎn)、控制氣井開井速度的辦法，在控制氣井出砂量的同時(shí)，也大大影響了氣井產(chǎn)能的發(fā)揮，導(dǎo)致井區(qū)調(diào)產(chǎn)余地變小，在冬季供氣高峰期控制氣井出砂與發(fā)揮氣井產(chǎn)能的矛盾更加突出。為了充分發(fā)揮上古氣井在冬季供氣高峰期的調(diào)峰作用，同時(shí)減小氣井出砂對(duì)下游管網(wǎng)設(shè)備造成的沖蝕傷害，蘇里格氣田采取了氣井防砂工藝措施。

2.3.1 井口加熱排砂

井口加熱排砂的原理是利用除砂器強(qiáng)制改變攜砂天然氣的流向，使攜砂天然氣由直線形流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪瘟鲃?dòng)，攜砂天然氣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)后，在離心力及重力的聯(lián)合作用下，相對(duì)密度較大的砂粒等其他雜質(zhì)向下沉降并流向沉砂筒，從而達(dá)到在井口除砂的同時(shí)保證高產(chǎn)氣井有效發(fā)揮產(chǎn)能的目的。

蘇里格氣田井口加熱排砂技術(shù)采用“除砂＋加熱＋節(jié)流＋三相分離＋計(jì)量＋低壓輸送”的地面建設(shè)工藝模式。該工藝的具體流程為：天然氣從井筒產(chǎn)出，經(jīng)過除砂裝置將攜帶的支撐劑去除，通過加熱爐加熱后進(jìn)入三相分離器，使天然氣攜帶的液體得到沉降分離，三相分離器將天然氣中分離出的液體排入污水罐，由污水車運(yùn)出井場(chǎng)進(jìn)行處理，分離后的天然氣經(jīng)過計(jì)量裝置后通過采氣管線輸向集氣站；當(dāng)井口沒有污水罐時(shí)，直接將三相分離器的排污流程接入采氣管線，三相分離器分離出的液體與天然氣混合后輸向集氣站（圖1）。

圖1 蘇里格氣田井口加熱排砂生產(chǎn)模式流程圖

2.3.2 井下防砂

蘇里格氣田上古叢式井開發(fā)采用上古中壓集氣模式，通過在氣井井筒下入節(jié)流器實(shí)現(xiàn)降壓，利用地溫補(bǔ)償節(jié)流溫降損失。但當(dāng)氣井出砂時(shí)，會(huì)出現(xiàn)砂粒刺壞節(jié)流器氣嘴及砂埋節(jié)流器等情況，蘇里格氣田目前主要采用在節(jié)流器氣流入口處增設(shè)防砂網(wǎng)的措施來解決這個(gè)問題。實(shí)踐證明，在節(jié)流器氣流入口處增設(shè)防砂網(wǎng)能夠有效降低砂粒刺壞節(jié)流器氣嘴及砂埋節(jié)流器的發(fā)生頻率。

2.4 使用氣井出砂含量監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)于新投產(chǎn)氣井，為判斷其是否出砂以及出砂量的多少，以便對(duì)出砂量高的氣井及時(shí)采取防砂措施，蘇里格氣田主要采用氣井出砂含量監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)氣井出砂量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該技術(shù)通過砂含量監(jiān)測(cè)儀來實(shí)現(xiàn)，其工作原理為：高速流動(dòng)的砂粒撞擊管線內(nèi)壁將產(chǎn)生高頻率的超聲波信號(hào)，通過管壁傳播，傳感器監(jiān)測(cè)到超聲波信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出處理，最后經(jīng)過軟件系統(tǒng)模擬計(jì)算，給出砂?？傆绊懧?、撞擊率及砂粒質(zhì)量等。

蘇里格氣田某作業(yè)區(qū)于2016年3月16日18時(shí)使用砂含量監(jiān)測(cè)儀對(duì)一口新投產(chǎn)氣井進(jìn)行了46 h的出砂監(jiān)測(cè)，傳感器安裝在除砂器上游入口處，監(jiān)測(cè)出砂量總共為4 246 g（圖2），除砂器排出砂稱重為4 560 g?？梢钥闯鰞煞N方式測(cè)量得到的氣井出砂量相差不大，砂含量監(jiān)測(cè)儀準(zhǔn)確率在90%以上。

圖2 LP-SHLBX型砂含量監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)新投產(chǎn)氣井出砂量變化圖

3 結(jié)論

1）蘇里格氣田上古氣井出砂原因?yàn)橹蝿┗亓?，即裂縫出砂。

2）蘇里格氣田上古氣井出砂防控措施主要為優(yōu)化氣井配產(chǎn)、控制開井速度、井口加熱排砂和井下防砂，這些措施在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

3）氣井出砂含量監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效識(shí)別氣井是否出砂，并能測(cè)定出較為準(zhǔn)確的出砂量，能夠合理指導(dǎo)蘇里格氣田新投產(chǎn)氣井的防砂工作。

［1］李蓮明，劉占良，喬亞斌，等.榆林上古壓裂氣井防砂工藝技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.石油化工應(yīng)用，2006，25（2）：6-10.

［2］宋軍正，郭建春.壓裂氣井出砂機(jī)理研究［J］.鉆采工藝，2005，28（2）：20-21.

［3］蒲仁瑞，姜青梅，余治國，等.壓裂氣井出砂機(jī)理研究及防治［J］. 內(nèi)蒙古石油化工，2006，32（10）：87-89.

［4］陳冬林，周天春，劉華杰，等.川西氣田壓裂井出砂機(jī)理及防砂技術(shù)［J］. 天然氣工業(yè)，2007，27（8）：91-93.