王新濤，鞠少棟，王世強(qiáng)

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

在原油的開采過(guò)程中，油井的含水量和出砂量都會(huì)逐漸變高，而油氣井出砂的問題是制約油藏開采的重要因素。在油氣井出砂量較少時(shí)，會(huì)在管道內(nèi)形成砂粒的沉積，使得管道變狹窄，致使油井的產(chǎn)能降低，同時(shí)攜砂原油會(huì)對(duì)地面和井下設(shè)備造成沖蝕磨損，在出砂嚴(yán)重時(shí)，攜砂原油的沖蝕磨損甚至?xí)?dǎo)致油井報(bào)廢[1]。

篩管是井下防砂關(guān)鍵器材，對(duì)防砂質(zhì)量、成本和油氣井產(chǎn)量等都有很大影響，一旦篩管失效將導(dǎo)致油井出砂停產(chǎn)，使整個(gè)防砂作業(yè)失敗。篩管在油氣開發(fā)過(guò)程中的損壞或失效主要有以下幾種形式：一是篩管的沖蝕磨損失效。導(dǎo)致篩管沖蝕磨損失效的因素有很多，例如攜砂液流速、液流的含砂濃度、含砂砂粒的粒徑與攜砂液的沖蝕角度等。二是井下油液開采中產(chǎn)生的腐蝕性氣體引發(fā)的損壞失效等。三是由于生產(chǎn)過(guò)程中井眼應(yīng)力變化導(dǎo)致篩管出現(xiàn)擠壓破壞而失效。在正常原油開采過(guò)程中，主要失效形式是由于攜砂液的沖蝕磨損和腐蝕性氣、液流的長(zhǎng)時(shí)間相互作用而引起[2]。對(duì)于氣井而言，氣井生產(chǎn)主要靠地層壓力進(jìn)行自噴開采，在氣井的生產(chǎn)過(guò)程中，壓差過(guò)大或其他因素可能會(huì)導(dǎo)致氣井內(nèi)部巖層松動(dòng)出砂[3]，砂礫被采出的高速氣流攜帶出來(lái)，導(dǎo)致井筒、管線堵塞或者沖刷設(shè)備管線等。對(duì)于出砂的氣井如何保證能夠安全生產(chǎn)，就需要進(jìn)行篩管沖蝕臨界產(chǎn)氣量計(jì)算，分析篩管尺寸、擋砂精度和含砂量等因素變化對(duì)臨界產(chǎn)氣量的影響。

1 篩管耐沖蝕臨界產(chǎn)氣量計(jì)算

單液相體系沖蝕的問題研究較多，多相流的研究則相對(duì)較少。當(dāng)含有固體微粒的多相流高速流動(dòng)時(shí)，其沖蝕磨損作用比較明顯。多相流中的固體微粒對(duì)所接觸的材料表面進(jìn)行高速、持續(xù)沖擊造成磨損，磨損效果很難進(jìn)行預(yù)測(cè)，因?yàn)樵撨^(guò)程中涉及因素較多，包括液流的流速、固體微粒粒徑分布和被沖蝕的管線的內(nèi)徑、曲度等參數(shù)。美國(guó)API-14E 標(biāo)準(zhǔn)中提出磨損的計(jì)算公式為：

式中：E——磨損速度，mm/a；

W——砂產(chǎn)量，g/s；

V——流體速度，m/s；

D——管內(nèi)徑，m。

式(1)的提出，有特定的前提條件：假設(shè)多相流的流動(dòng)類型恒定，多相流中氣液兩相流的比值恒定，忽略不計(jì)固體微粒尺寸的影響等。

研究發(fā)現(xiàn)[4]，在粒徑小于100μm 時(shí)，粒徑與沖蝕速率成正比關(guān)系，即使微粒的總質(zhì)量相等，小微粒對(duì)材質(zhì)的沖蝕作用也明顯小于大微粒。因此可以合理地假設(shè)固體微粒存在最小臨界粒徑，即：小于此粒徑的微粒不會(huì)引起磨損作用。考慮砂粒粒徑和流體混合物的沖擊作用，將上式修正為以下形式[5]：

式中：W——砂產(chǎn)量，kg/d；

d——砂粒徑，μm；

ρ——混合物密度，kg/m3。

氣液混合物密度可通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中：P——工作壓力，psi；

S1——液體比重(水的為1)；

R——?dú)庖罕?，ft3/barrel；

T——工作溫度，℃；

Sg——?dú)怏w比重(空氣的為1)；

Z——?dú)怏w壓縮因子。

管道輸送原油要求含砂量不大于0.03%，即每百方原油中最多含砂量為300kg，現(xiàn)在主流的基于原油的適度防砂標(biāo)準(zhǔn)選用0.05%～0.07%。油井出砂與氣井出砂在產(chǎn)出物流動(dòng)特征、產(chǎn)出時(shí)攜砂與出砂對(duì)井下工具及井下管柱的沖蝕磨損有較大不同，并且目前沒有針對(duì)在生產(chǎn)氣井的出砂量提出相應(yīng)要求。井下有效防砂需滿足兩個(gè)原則：①井下工藝管柱及井下工具在中等及以上的產(chǎn)能下滿足長(zhǎng)期生產(chǎn)要求，即氣井出砂對(duì)井下管柱及工具的磨蝕在較小的范圍內(nèi)；②產(chǎn)出的地層砂砂量在海上平臺(tái)的處理能力之內(nèi)。氣井能夠有效防砂至少需要同時(shí)滿足以上兩點(diǎn)要求。

以南海東部某已開發(fā)氣田11口采用橋式復(fù)合優(yōu)質(zhì)篩管防砂的氣井作為生產(chǎn)實(shí)例，11 口井的平均日產(chǎn)氣量為56.3×104m3，控制年出砂量在3t 以下，投產(chǎn)多年后均正常生產(chǎn)，可認(rèn)為在此工作制度下，可以確保氣井的井下管柱及工具的安全壽命的長(zhǎng)期性。則氣井安全生產(chǎn)的單位體積含砂量SG為：

即每萬(wàn)方產(chǎn)氣量的含砂量不超過(guò)0.146kg時(shí)，氣井可安全生產(chǎn)。

以星孔篩管為例，對(duì)海上某氣田A1井進(jìn)行篩管沖蝕臨界產(chǎn)氣量計(jì)算，分析篩管尺寸、擋砂精度和含砂量等因素變化對(duì)臨界產(chǎn)氣量的影響。星孔篩管技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 星孔篩管技術(shù)參數(shù)

A1井氣液混合密度隨開采時(shí)間變化規(guī)律如圖1所示。由圖可知，氣液混合密度隨著開采時(shí)間的增長(zhǎng)先顯著下降后逐漸上升，氣液混合密度主要受天然氣產(chǎn)量、含水量、環(huán)境壓力和溫度等因素影響。

圖1 A1井氣液混合密度隨開發(fā)年份變化曲線

(1) 篩管尺寸變化對(duì)臨界產(chǎn)氣量的影響。臨界日產(chǎn)氣量隨篩管尺寸變化曲線如圖2所示，圖中，隨著篩管尺寸的增大，篩管可承受的耐沖蝕臨界日產(chǎn)氣量逐漸增加。

圖2 臨界產(chǎn)氣量隨篩管尺寸變化曲線圖

(2) 砂粒粒徑變化對(duì)臨界產(chǎn)氣量的影響。臨界日產(chǎn)氣量隨砂粒粒徑變化曲線如圖3所示，圖中，隨著砂粒粒徑的增大，篩管可承受的耐沖蝕臨界日產(chǎn)氣量逐漸下降。

圖3 臨界產(chǎn)氣量隨砂粒粒徑變化曲線圖

(3) 含砂量變化對(duì)臨界產(chǎn)氣量的影響。臨界日產(chǎn)氣量隨含砂量的變化曲線如圖4所示，圖中，隨著含砂量的增大，篩管其可承受的耐沖蝕臨界日產(chǎn)氣量逐漸下降。

圖4 臨界產(chǎn)氣量隨含砂量變化曲線圖

海上某氣田擬開發(fā)井篩管耐沖蝕平均臨界日產(chǎn)量見表2。

2 擬開發(fā)氣井篩管尺寸優(yōu)選

在滿足配產(chǎn)和開發(fā)年限條件下，通過(guò)篩管耐沖蝕分析，海上某氣田17口擬開發(fā)井分別所需的篩管尺寸見表3。對(duì)于0.1kg/104m3臨界含砂量，水平井采用5″和5-1/2″篩管即可滿足耐沖蝕要求，定向井產(chǎn)量較大，部分井需要采用6-5/8″篩管，而壓裂井配產(chǎn)較低，3-1/2″篩管即可滿足耐沖蝕要求。由于計(jì)算過(guò)程中含砂量取值比較保守[6]，若井中不出砂或出砂量較少，對(duì)篩管尺寸的要求可適當(dāng)放寬。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1) 對(duì)南海東部某高產(chǎn)氣田采用橋式復(fù)合優(yōu)質(zhì)篩管防砂的氣井進(jìn)行研究，形成有效防砂標(biāo)準(zhǔn)，即每萬(wàn)方產(chǎn)氣量的含砂量不超過(guò)0.146kg時(shí)，可以確保生產(chǎn)安全及長(zhǎng)效性；

(2)隨著篩管尺寸的減小、砂粒粒徑的增大和含砂量的增大，篩管可承受的耐沖蝕臨界日產(chǎn)氣量逐漸下降；

(3)在滿足配產(chǎn)和開發(fā)年限條件下，通過(guò)篩管耐沖蝕分析，可對(duì)氣井篩管尺寸進(jìn)行優(yōu)選。計(jì)算過(guò)程中含砂量取值比較保守，若井中出砂量較少時(shí)，對(duì)篩管尺寸的要求可適當(dāng)放寬。