吳宇 葉輝 廖小莉

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

頁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。由于頁巖氣儲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，使得在頁巖氣開采初期井口氣夾帶砂粒進入地面生產(chǎn)設(shè)施，會對設(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。因此，在天然氣出井口后必須用除砂器進行除砂，保證下游生產(chǎn)設(shè)施的安全平穩(wěn)運行。目前，國內(nèi)外對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，對除砂器運行效果的評價也進行了探索性的嘗試，但評價結(jié)果仍需進一步驗證和量化[3-4]。

除砂器進、出口砂粒的流量監(jiān)測是除砂器效果評價的前提。國內(nèi)外砂粒監(jiān)測大致分為聲學(xué)法和ER(electrical resistant)技術(shù)兩大類。聲學(xué)法是通過監(jiān)測油氣流中的砂粒與管壁碰撞或直接對探頭沖擊產(chǎn)生的聲信號，并經(jīng)信號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)致的阻抗變化來監(jiān)測出砂狀況[5-6]。由于聲學(xué)法具有安裝簡單，無需改造管道和設(shè)備等優(yōu)點，近年來逐漸在頁巖氣生產(chǎn)領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文提出將聲學(xué)砂粒監(jiān)測法和離線砂粒取樣分析相結(jié)合，對除砂器效果進行評價，開展了現(xiàn)場試驗驗證，為形成可行的頁巖氣除砂器性能評價方法提供參考。

1 檢測方法簡介

1.1 聲學(xué)檢測法

聲學(xué)檢測法是一種非侵入式的檢測方法，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發(fā)出的聲波信號，將其轉(zhuǎn)換成電信號后傳至控制單元，控制單元自動進行處理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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聲波信號的接收，測試過程對正常生產(chǎn)不產(chǎn)生任何影響。近年來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[7-9]。該方法對頁巖氣生產(chǎn)時管道內(nèi)的三相流工況是否適應(yīng)，尚需進行試驗驗證。

現(xiàn)場試驗擬在除砂器進、出口處分別安裝一臺聲學(xué)傳感器，測得一段時間內(nèi)除砂器進、出口砂粒流量，通過計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聲學(xué)檢測法的補充，現(xiàn)場試驗擬將除砂器排出的砂粒進行稱量并進行粒徑分析，同時，對后續(xù)污水罐中砂粒粒徑進行分析，可進一步驗證除砂器的除砂效率，并可通過計算得到任一粒徑范圍內(nèi)的砂粒的脫除效率。

2 除砂器性能測試試驗

2.1 現(xiàn)場除砂流程簡介及測試裝置配置方案

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)計除砂效率為98%。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，若實際除砂效率達到該設(shè)計值，能夠滿足生產(chǎn)需求。正常生產(chǎn)時，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入下部集砂罐；當(dāng)需要排砂時，關(guān)閉除砂單元和集砂罐之間的閥門，并對集砂罐進行放空卸壓，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)在除砂器進口、除砂器出口與分離器之間的管道上各安裝1臺聲學(xué)砂粒檢測儀，以檢測除砂器進、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)檢測砂粒流量及除砂率計算

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

從圖3可知，砂粒進入除砂器的累積量處于緩慢增長的趨勢，且增長速率并不恒定，某一時間段內(nèi)井口出砂量可能隨機增加，也有可能一直處于低值。若試驗期間井口未出砂，將對測試結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。因此，本次現(xiàn)場試驗盡可能保持較長時間連續(xù)測試，保證傳感器能夠準確捕捉到出砂時機。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，表明試驗期間除砂器運行效果良好。經(jīng)過累計55 h的連續(xù)檢測，結(jié)果如下：

除砂器進口砂粒累積量：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)檢測法測得平均每天除砂量：(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

試驗測試的除砂器為帶集砂罐的除砂器，脫除的砂粒全部進入罐內(nèi)暫存。因此，從集砂罐內(nèi)取出的砂粒質(zhì)量能夠準確地代表除砂器總的除砂量，可作為聲波測砂儀數(shù)據(jù)準確性的校核基礎(chǔ)。采用砂粒稱重法直接測量集砂罐內(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，除砂器累積運行時間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)檢測法與砂粒稱重法得到的砂粒質(zhì)量相比較，相對誤差約為27.5%。初步分析誤差原因是由于傳感器的安裝位置嚴格按照操作說明安裝于彎頭下游2倍管徑處，并保持55 h的連續(xù)測試，確保了氣井出砂時機不被遺漏，從而在空間和時間上盡可能保證了數(shù)據(jù)的準確性。該監(jiān)測設(shè)備在初始設(shè)置時需要人為設(shè)置初始閾值以屏蔽背景噪聲，目前現(xiàn)場試驗所設(shè)閾值為操作說明推薦值，對管道內(nèi)氣液固三相共存環(huán)境的適應(yīng)性還需進一步驗證。對于除砂器性能數(shù)據(jù)有更嚴格要求的場合，則需要開展室內(nèi)試驗探尋更能適應(yīng)頁巖氣氣質(zhì)條件的閾值。

2.3.2粒徑分析

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

在除砂器正常運行，絕大部分砂粒均被脫除進入集砂罐的情況下，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%，聲波測砂器測得除砂器進口砂粒累積量為277.6 g。因此可認為，除砂器進口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%，聲波測砂器測得除砂器出口砂粒累積量為4.9 g。因此可認為，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)果是在除砂器運行正常、性能良好的情況下，基于離線取樣對管道內(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)對于日常的生產(chǎn)管理具有一定的參考意義。但對于更準確的數(shù)據(jù)要求或者當(dāng)除砂器處于非正常運行狀態(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，取得在線砂樣并進行分析計算后得到更準確的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

(1)聲學(xué)砂粒監(jiān)測結(jié)合離線砂粒取樣分析的方法為評價除砂器的效果提供了一種現(xiàn)實可行的評價方法。

(2)該評價方法具有操作簡單，安全風(fēng)險小，不影響正常生產(chǎn)流程的優(yōu)點，其測試數(shù)據(jù)與實際情況相比，誤差低于30%。對頁巖氣生產(chǎn)條件具有較好適應(yīng)性，能夠為大多數(shù)頁巖氣的生產(chǎn)和管理提供參考。

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