謝 奎, 曾小軍, 王 雷

(中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院)

頁巖氣藏屬于非常規(guī)天然氣藏，目前主要采用水平井完井和橋塞分段大型水力加砂壓裂工藝進(jìn)行開發(fā)。壓裂后返排前期面臨井口壓力高、地層出砂嚴(yán)重的難題，高速流體攜帶碎屑顆粒，輕則造成地面流程堵塞，影響排液作業(yè)的連續(xù)性；重則造成地面設(shè)備刺漏和人員傷亡等事故事件，現(xiàn)場作業(yè)存在較大的安全隱患。

目前在壓裂后排液、鉆塞、測試等作業(yè)中，除砂器是地面除砂作業(yè)的主要設(shè)備，如何優(yōu)化改進(jìn)除砂器使用中的關(guān)鍵技術(shù)，形成一套有效的除砂工藝，提高除砂器使用效率，對于保障頁巖氣的正常生產(chǎn)和人員設(shè)備安全，具有重要意義。

一、大量出砂工況

威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層改造目前形成了橋塞分段，滑溜水體系+弱凝膠體系，大液量、高排量、小粒徑支撐劑、低砂比、段塞式注入的頁巖氣水平井體積壓裂技術(shù)[1]。單段壓裂液量1 800～2 400 m3,單段支撐劑用量100～200 t，以100目粉砂和40/70目陶粒為主。

壓裂后返排工況惡劣,回壓高、高速流體含砂、砂量大，單平臺回流砂通常大于20 t。壓裂砂堵返排、多段壓裂后混合返排、鉆磨橋塞返排，這三種工況下都存在大量出砂現(xiàn)象。

1.壓裂砂堵返排

由于儲層特性、壓裂設(shè)計(jì)以及施工決策等因素，頁巖氣井加砂壓裂時(shí)砂堵超壓屢有發(fā)生，試擠幾次如不成功，則立即通過地面流程開井，用?8 mm～?10 mm大油嘴快速放噴1～1.5個(gè)井筒容積，將井底及井筒里的砂粒帶至地面，防止井筒砂堵，重新建立壓裂通道。

砂堵返排時(shí)開井壓力高，通常達(dá)到55～60 MPa。大量砂粒隨攜砂液返至地面，如不在井口進(jìn)行有效除砂，砂粒在節(jié)流形成的高壓差作用下將對地面流程造成較大沖蝕。

2.多段壓裂后混合返排初期突發(fā)性大量出砂

威遠(yuǎn)頁巖氣藏采用多段壓裂后，經(jīng)過≤5 d的悶井階段，一次性混合返排，先利用?3 mm～?6 mm小油嘴控制排液，待裂縫閉合之后，在地層不出砂的情況下逐級放大油嘴加速排液，后期利用?10 mm以上的油嘴快速降低井口壓力，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)排液。

壓裂后返排，常常會使支撐劑回流進(jìn)入井筒，有時(shí)甚至回流10%～20%的支撐劑。砂?？赡茉诰壮练e并形成砂堵，影響單井產(chǎn)量，且磨損井底和地面設(shè)備。威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣井壓后返排出砂較為嚴(yán)重，特別是在?5 mm～?9 mm油嘴加速排液期間容易發(fā)生突發(fā)性大量出砂，短時(shí)間內(nèi)大量砂粒沉積井底，形成砂柱壓力，堵塞井筒。井筒砂堵猶如人的血管硬化，不及時(shí)解堵，會導(dǎo)致停產(chǎn)。

3.鉆磨橋塞返排

頁巖氣井如使用易鉆橋塞作為分段工具，壓裂完后使用連續(xù)油管一次性鉆開所有橋塞。鉆塞時(shí)，特別是在捕塞器除屑效果不佳或鉆磨不理想情況下，鐵屑、橡膠碎屑、復(fù)合材料混同砂粒返排出井筒，易發(fā)生地面流程堵塞。此外，鉆塞過程中往往需要采用黏度較大的膠液以增加攜砂帶屑效果，當(dāng)此類流體進(jìn)入濾砂器后，易在濾網(wǎng)形成一層黏膜，各種粒徑大小的顆粒在壓差作用下，造成濾網(wǎng)堵塞[2]。

威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣井鉆塞期間，如氣量達(dá)到0.2×104m3/d時(shí)即經(jīng)過分離器進(jìn)入生產(chǎn)管線。若分離不徹底，部分粉砂將進(jìn)入生產(chǎn)管線，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)施受損。

二、關(guān)鍵除砂設(shè)備

1.雙筒管柱式濾砂器

雙筒管柱式濾砂器由濾砂筒、旁通管線和閥門等組成，濾砂筒內(nèi)安置可更換式專用濾網(wǎng)。根據(jù)壓裂砂粒徑選擇合適的濾網(wǎng)，威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣加砂壓裂通常采用40/70/100目的支撐劑，因此一般選用100或200目的濾網(wǎng)。流體進(jìn)入濾砂筒后沖擊到止退環(huán)上，被折射到各個(gè)方向，依靠由此產(chǎn)生的離心力和重力，固相顆粒沉淀在濾網(wǎng)的底部，過濾后的流體經(jīng)過濾網(wǎng)與除砂筒之間的環(huán)空排出(見圖1)。濾砂筒一用一備，當(dāng)使用中的砂筒裝滿時(shí)，則切換另一個(gè)濾砂筒，再取出濾網(wǎng)進(jìn)行清洗即可。雙筒管柱式濾砂器可采用上提濾網(wǎng)或在線排砂兩種除砂方式進(jìn)行排砂。

2.旋流除砂器

旋流除砂器主要由耐磨外筒、內(nèi)部螺旋分離原件、閥門、儀表和旁通管線等組成，利用離心力和重力分離清除固相顆粒，即井內(nèi)流體切向進(jìn)入砂分離器后沿內(nèi)部螺旋分離原件流動(dòng)，其中的大部分液體及所有固相顆粒沉淀在砂分離器底部的漏斗中，并通過底部排砂口排出，氣體及小部分液體通過螺旋分離原件的中心管向上運(yùn)動(dòng)，并從頂部的導(dǎo)流管排出(見圖2)。旋流除砂器能夠有效處理直徑大于等于100 μm的固相顆粒。

圖1 雙筒管柱式濾砂器工作原理示意圖

圖 2 旋流除砂器工作原理示意圖

三、頁巖氣排采除砂工藝優(yōu)化

1.優(yōu)化設(shè)計(jì)除砂模塊

在遵從“安全、環(huán)保、高效、穩(wěn)定、連續(xù)、快速”的排液需求且在降本增效的前提下，對地面返排測試流程進(jìn)行了集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要?jiǎng)澐譃椋壕诓⒙?lián)模塊、捕屑除砂模塊、節(jié)流降壓模塊、加熱系統(tǒng)和分離計(jì)量模塊(見圖3)。為適應(yīng)鉆磨、捕屑、除砂工藝要求，在地面返排測試流程中設(shè)計(jì)了除砂模塊，該模塊由捕屑器、雙筒管柱式濾砂器/旋流除砂器和排砂管線組成?；趯νh(yuǎn)頁巖氣井返排特征的認(rèn)識及作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，地層大量出砂集中在返排初期?5 mm～?9 mm油嘴階段，一般持續(xù)3～4 h，因此一個(gè)平臺4～6口井合用1套或2套除砂器，各井錯(cuò)峰使用，可以提高設(shè)備使用效率，節(jié)省流程占地面積，并滿足返排期間的除砂要求[3]。

除砂器下游設(shè)計(jì)排砂管線，主要用于前期返排液以及鉆塞沖砂等作業(yè)(見圖4)。排砂管線采用單級節(jié)流的油嘴容易發(fā)生刺壞，排砂管線上的壓力控制主要通過二級節(jié)流來實(shí)現(xiàn)，把壓降分配在兩個(gè)串聯(lián)的油嘴上，動(dòng)力油嘴實(shí)現(xiàn)一級降壓，固定油嘴實(shí)現(xiàn)二級降壓，因而就可降低油嘴破壞的機(jī)率，確保下游管線設(shè)備安全。二級節(jié)流下游加裝抗沖蝕法蘭管線，防止過油嘴后高速攜砂流體沖蝕管線，造成刺漏。地面排出流體性質(zhì)的監(jiān)測，通過在排砂管線出口取樣分析，確定排出液體性質(zhì)和含砂量。

圖 3 頁巖氣地面返排測試流程圖

圖 4 除砂器排砂管線

2.在線排砂技術(shù)

頁巖氣井返排時(shí)井口回壓高、出砂量大，需要除砂器在線排砂。常規(guī)氣井使用固定油嘴或可調(diào)針型節(jié)流閥進(jìn)行控制。固定油嘴耐沖蝕，但需要頻繁更換，勞動(dòng)強(qiáng)度大。針型節(jié)流閥可調(diào)節(jié)油嘴大小，但存在耐沖蝕性能差和使用壽命短的問題，不適合頁巖氣井加砂壓裂后排液作業(yè)。

因此動(dòng)力油嘴是實(shí)現(xiàn)在線排砂作業(yè)的關(guān)鍵，動(dòng)力油嘴總成閥芯與閥座采用特殊柱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有更好的節(jié)流特性，同時(shí)閥芯閥座采用硬質(zhì)合金加工，能有效減少了對閥芯閥座的沖蝕。此外，動(dòng)力油嘴系統(tǒng)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)蝸桿蝸輪的結(jié)構(gòu)傳遞動(dòng)力進(jìn)行節(jié)流通徑調(diào)節(jié)，并配合遠(yuǎn)程液壓控制裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制(見圖5)。動(dòng)力油嘴系統(tǒng)將固定油嘴與常規(guī)針型節(jié)流閥的優(yōu)點(diǎn)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精細(xì)壓力控制與在線排砂，提高了返排測試作業(yè)的安全性、連續(xù)性與可控性。

圖 5 動(dòng)力油嘴結(jié)構(gòu)示意圖

3.出砂探測技術(shù)

在頁巖氣排采過程中，長期出砂或者嚴(yán)重出砂會損壞地面設(shè)備，也會影響氣井產(chǎn)量，縮短氣井壽命。含砂在線監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)氣井出砂狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，預(yù)測出砂趨勢，為防砂提供準(zhǔn)確、可靠的信息，最終達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。含砂在線監(jiān)測系統(tǒng)采用聲波監(jiān)測法，利用外置式的超聲波傳感器固定于管道彎管的外壁處，檢測砂粒碰撞管壁的聲波信號，并通過濾波電路和信號處理技術(shù)把出砂信號從噪聲中提取出來；然后通過建立的出砂信號與出砂量之間的關(guān)系模型，實(shí)時(shí)計(jì)算出管道中的含砂量，對井筒出砂有一定的預(yù)警作用，現(xiàn)場技術(shù)人員可以實(shí)時(shí)掌握出砂情況，選擇合適的除砂措施。

4.現(xiàn)場除砂流程

返排期間，通過監(jiān)測壓力和探砂儀數(shù)據(jù)，并取水樣進(jìn)行含砂量分析，保持對砂量的密切監(jiān)控，出砂后將流程導(dǎo)入除砂模塊，經(jīng)除砂器對流體中的固相顆粒進(jìn)行分離。不同工況下，流程的走向不同：當(dāng)返出液量大，天然氣量小的情況(小于2 000 m3/d)，保持排砂管線處于常開狀態(tài)，使用動(dòng)力油嘴控制井口回壓，在線實(shí)時(shí)排砂；當(dāng)返出液量小，天然氣量大的情況(大于2 000 m3/d)，保持排砂管線處于常關(guān)狀態(tài)，間斷排砂。除去固相顆粒后的流體經(jīng)節(jié)流降壓模塊后進(jìn)入分離計(jì)量模塊。

四、現(xiàn)場應(yīng)用

1.除砂模塊在威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊使用情況

除砂模塊在威遠(yuǎn)頁巖氣平臺推廣，效果顯著，起到了很好的固相顆粒分離作用，現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明除砂率>95%(見表1)，壓裂砂等固相顆粒在節(jié)流降壓前能很好地除去，有效地保護(hù)和減輕了下游設(shè)備不受損壞，減少地面流程的安全風(fēng)險(xiǎn)，保障了排液的連續(xù)性。經(jīng)除砂模塊后，分離器入口處的探砂儀僅監(jiān)測到微量固相顆粒，分離器排液管線處取樣結(jié)果也驗(yàn)證了這點(diǎn)。

表1 除砂模塊使用情況

2.處置突發(fā)性大量出砂

在威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊返排測試中，技術(shù)人員通過探砂儀監(jiān)控地層出砂、觀察井口壓力波動(dòng)和排液口取砂樣等方法對出砂進(jìn)行預(yù)判，地層大量出砂，可能導(dǎo)致井筒砂堵時(shí)，及時(shí)將流程導(dǎo)入“捕屑器+除砂器+動(dòng)力油嘴”的除砂模塊，調(diào)節(jié)動(dòng)力油嘴，加大排量利用地層壓力沖砂，屢次成功解除井筒砂堵。在10余個(gè)平臺進(jìn)20多口井突發(fā)性大量出砂階段，井筒和地面管線未被砂堵，下游設(shè)備、彎頭、管線等均未出現(xiàn)沖蝕、刺漏現(xiàn)象，保障了整個(gè)測試過程連續(xù)安全。除砂模塊對于解除井筒砂堵，保障安全連續(xù)排液是必不可少的。

3.旋流和濾網(wǎng)式除砂器使用對比

多口井的應(yīng)用表明,使用雙筒濾砂器，加砂壓裂后放噴排液初期，砂量大，沉砂快，很容易堵塞濾網(wǎng)，導(dǎo)致濾網(wǎng)內(nèi)外壓差過大，刺壞濾網(wǎng)。當(dāng)返排液黏度較高時(shí)，也容易造成濾網(wǎng)堵塞、刺壞。雙筒濾砂器采用過濾方式除砂始終難以從根本上解決濾網(wǎng)堵塞問題，主要適用于頁巖氣單井作業(yè)、返排流體為純氣相或黏度不大的液相介質(zhì)的除砂作業(yè)、生產(chǎn)井井口除砂作業(yè)。

頁巖氣加砂壓裂通常采用40/70/100目支撐劑，因此可使用200目砂筒在線排砂，此種方式除砂不易造成濾網(wǎng)堵塞，但不能對砂量進(jìn)行精確計(jì)量。如砂量較少，可采取上提濾網(wǎng)方式，輪流使用兩個(gè)濾砂筒除砂，對砂量進(jìn)行精確計(jì)量。

旋流除砂器結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，與濾網(wǎng)式除砂器相比，不使用濾網(wǎng)，避免了濾網(wǎng)堵塞和更換砂筒帶來的不便。利用離心力和重力分離清除固相顆粒，能夠有效處理直徑≥100 μm的固相顆粒。上述優(yōu)勢決定了頁巖氣平臺井組返排測試宜推廣旋流除砂器。

五、結(jié)論和建議

(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的除砂模塊，節(jié)省了流程占地面積，提高了搬安時(shí)效和設(shè)備使用效率，符合當(dāng)前降本、增效和提速的大趨勢。除砂模塊適合返排時(shí)回壓高、砂量大的惡劣工況，除砂效果顯著，在砂堵返排、鉆磨橋塞和井筒解堵中發(fā)揮了重要作用，能確保加砂壓裂后返排測試的連續(xù)性和安全性。

(2)以除砂器為中心，通過使用動(dòng)力油嘴，優(yōu)化排砂管線，配合探砂儀，形成了一套出砂預(yù)警、捕屑除砂、在線排砂的地面除砂解決方案，保障了除砂器使用中的高效和安全。

(3)要正確選擇除砂器。濾砂器難以從根本上解決濾網(wǎng)堵塞問題，主要適用于返排流體為純氣相或黏度不大的液相介質(zhì)的除砂作業(yè)、生產(chǎn)井井口除砂作業(yè)。旋流除砂器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，除砂效率高，更適合頁巖氣井加砂壓裂后的返排工況。

(4)目前出砂量的計(jì)量主要通過計(jì)算返排液池或回流罐中砂粒體積或者根據(jù)探砂儀的讀數(shù)來提供，前者方法比較原始粗糙，而探砂儀又存在定量數(shù)據(jù)不太精確的問題，需要探索一種便于現(xiàn)場操作、計(jì)量相對準(zhǔn)確的出砂量計(jì)量方法。

(5)由于頁巖氣普遍采用的除砂工藝除砂效率不能達(dá)到100% ，始終有部分粉砂會被氣體攜帶進(jìn)入輸氣管網(wǎng)，導(dǎo)致輸氣生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生砂刺的現(xiàn)象偶有存在，建議進(jìn)一步探索精細(xì)除砂工藝。