李建陽，楊繼剛，白建收，李 娜

（1.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710021；2.西安長慶化工集團有限公司，陜西西安 710018）

蘇里格氣田S區(qū)氣井配套防砂技術(shù)及應(yīng)用

李建陽1，楊繼剛2，白建收1，李 娜1

（1.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安 710021；2.西安長慶化工集團有限公司，陜西西安 710018）

出砂是由于油氣井開采和作業(yè)等綜合因素造成井底附近地層破壞出砂或者壓裂施工結(jié)束支撐劑砂隨地層流體進入井筒的現(xiàn)象，除了嚴重影響氣井正常生產(chǎn)外，還會沖蝕套管、井下工具、井口、地面管線，嚴重者會引發(fā)安全事故。本文對蘇里格氣田S區(qū)氣井出砂機理展開分析，從出砂不同歷程分別提出了工藝優(yōu)化建議及配套防砂工藝，對于氣田防砂工作具有重要意義。

出砂機理；配套防砂；蘇里格氣田S區(qū)；臨界流量

氣井出砂，作為天然氣生產(chǎn)中的“第二殺手”，除了嚴重影響氣井正常生產(chǎn)外，還會沖蝕套管、井下工具、井口、地面管線，嚴重者會引發(fā)安全事故，較氣井出水具有更嚴重的危害性。歷年來，通過對氣井出砂機理進行分析總結(jié)，蘇里格氣田S區(qū)形成了一系列配套氣井防砂工藝。

1 蘇里格氣田S區(qū)氣井出砂現(xiàn)狀

要研究地層砂在地層內(nèi)的流動狀態(tài)，必須先對氣井出砂機理進行研究[1，2]。氣井出砂根據(jù)產(chǎn)出砂來源可分為地層出砂和支撐劑回流兩種情況。

由于蘇里格氣田S區(qū)下古儲層為碳酸鹽巖儲層，且大部分采用酸化工藝不使用支撐劑，以上兩種出砂方式均不存在，因此僅研究上古砂巖儲層及壓裂工藝。

研究表明，蘇里格氣田S區(qū)上古儲層為致密砂巖儲層，交接情況良好，地層不出砂，結(jié)合地面返排砂情況，認為蘇里格氣田出砂類型為支撐劑回流。

據(jù)統(tǒng)計，目前蘇里格氣田S區(qū)共有42口氣井存在氣井出砂問題，出砂氣井平均產(chǎn)量1.49×104m3/d，近年來，通過下現(xiàn)場不斷試驗及理論研究。結(jié)合氣井出砂監(jiān)測工藝，蘇里格氣田S區(qū)逐漸形成了配套的防砂工藝。

2 氣井防砂工作的基礎(chǔ)－氣井出砂監(jiān)測技術(shù)

歷年來，在蘇里格氣田生產(chǎn)過程中，從未在井口配備相應(yīng)的出砂監(jiān)測設(shè)備，此前對于氣井出砂的判斷主要從井口防砂器排砂情況、通井探砂面、氣井放噴觀察排出物等方式進行。這些方法大部分僅能定性判定氣井是否出砂，卻無法對氣井出砂情況進行量化評價。而要對氣井出砂情況進行深入研究，必須引進相應(yīng)的氣井出砂監(jiān)測工藝[3，4]。

2016年，蘇里格氣田S區(qū)引進了氣井出砂監(jiān)測技術(shù)，并在井口進行了出砂監(jiān)測試驗。

2.1 氣井出砂監(jiān)測原理

從20世紀70年代至今，國外提出了聲波檢測法、ER檢測法、X射線檢測法、光纖聲波檢測法、聲納檢測法等多種油氣井出砂檢測方法。目前，技術(shù)比較成熟、應(yīng)用最廣的為ER法和聲波法。其中ER法需要在管線內(nèi)插入監(jiān)測探頭，測量的過程中需要伴隨地面管線的改造，考慮到現(xiàn)場改造安全，選擇聲波法進行氣井出砂監(jiān)測。其主要原理為：

氣固混合流體輸送過程中，在管道彎管處氣體與固體砂粒與管壁碰撞，產(chǎn)生超聲波信號，通過置于管道外部的超聲波傳感器拾取該信號，信號經(jīng)過預(yù)處理和A/D轉(zhuǎn)換后，輸送到計算機中；根據(jù)出砂率和信號幅度之間的關(guān)系建立起的模型，計算管道內(nèi)的砂粒濃度。

2.2 出砂監(jiān)測設(shè)備基本情況介紹

測量前，先將探頭取出放置在測量管線環(huán)境處，觀測現(xiàn)場的噪聲幅度，進行手動調(diào)零。

測量時，將出砂監(jiān)測傳感器安裝在管道流體下游90°彎管下游2倍管徑處，彎管與傳感器接觸面處的油漆應(yīng)銼掉，并清理掉所有雜物，再涂上耦合劑，并用扎帶將傳感器緊固在管道上。注意傳感器的引線一定要與流體流動方向相一致。參照相同井的測試和標(biāo)定情況，輸入儀器常數(shù)C，該值影響到測試的定量精度，參考以前測試過的管徑相同、流速接近的且標(biāo)定過出砂量的C值。儀器即可自動測量并記錄數(shù)據(jù)（見圖1）。

圖1 傳感器安裝位置示意圖

2.3 室內(nèi)試驗效果評價

在實驗室環(huán)境下，模擬井上出砂環(huán)境，測試此出砂裝置的運行狀況：

測試時間：2016年5月8日9:30

空管測試時間：9:30～11:42

測試噪聲：20 mV～30 mV

管徑：25 mm

氣流量：0.3×104m3/d

砂粒大?。?0～40 目

采樣率：10 000 Hz

開泵前濾波后峰值為18 mV，將Sigma值調(diào)整為2.5，C值調(diào)整為1時，正好無出砂信號顯示，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。12 min后開泵，濾波后峰值不變。

經(jīng)過多次試驗測量，最終在濾波后信號幅值為10 mV，Sigma值為4.7，C值為18時，不僅能正常顯示出砂信號，而且計算出的出砂量也比較準確。軟件計算出來的出砂量為479.048 g，實際的砂子質(zhì)量為503 g，誤差率4.76%，在誤差允許范圍內(nèi)。

2.4 現(xiàn)場測量情況

2016年至2017年對19口氣井先后進行24次氣井出砂監(jiān)測，重點針對2016年投產(chǎn)氣井、高產(chǎn)出砂氣井進行測量，并針對部分防砂工藝氣井進行多次測量從而評價防砂工具性能。

引進氣井出砂監(jiān)測工藝可以為出砂氣井安全生產(chǎn)提供參考，同時可以對氣井防砂工具效果進行量化評價，是后期開展氣井防砂工藝的基礎(chǔ)[5，6]。

3 氣井配套防砂技術(shù)

3.1 高產(chǎn)氣井井下防砂技術(shù)

與井筒內(nèi)液相流動類似，砂在井筒內(nèi)被天然氣攜帶至井口，也存在臨界攜砂流量。

參考特納模型對砂粒在井筒內(nèi)的受力狀態(tài)進行分析，砂粒受氣體向上的曳力F：

以及垂向的自身重力G：

當(dāng)F=G，即二者受力平衡時，砂?？蓱腋≈辆矁?nèi)，此時流速μc即為氣井的臨界攜砂流速，通過代入公式可得：

式中：ρs-砂粒密度，kg/m3；ρg-天然氣密度，kg/m3；d-砂粒直徑，m；g-重力加速度，取 9.8 m/s2；Cd-曳力系數(shù)，對于球形模型，取0.44。

由此可以計算出臨界攜砂流量：

不同壓力下直井中的臨界攜砂流量（見表1），從計算的結(jié)果可以看出，當(dāng)井筒壓力越低時臨界攜砂流量越低，考慮到井筒內(nèi)有節(jié)流器的情況，選取套壓為井筒壓力計算氣井的臨界攜砂流量。

表1 不同壓力下井筒臨界攜砂流量計算值

對于產(chǎn)量高于臨界攜砂流量的出砂氣井，主要采用下入井下防砂工具的方式進行井下防砂。該工具采用多功能數(shù)控激光切割機割出梯形細縫，縫寬可滿足0.3 mm～4 mm加工精度要求；具有鋼性好、抗刮磨、縫隙均勻等特點。結(jié)合2016年氣井出砂監(jiān)測試驗，對2口下入防砂器的氣井進行了氣井出砂監(jiān)測，從氣井出砂監(jiān)測情況看，下入割縫焊管防砂器后氣井出砂情況明顯改善，具有明顯效果。

3.2 冬季高峰供氣氣井地面防砂技術(shù)

冬季高峰供氣生產(chǎn)過程中，由于部分調(diào)產(chǎn)氣井存在出砂問題，且氣井產(chǎn)氣量較大，氣井出砂對地面管線、針閥影響更大，因此需要采取進一步措施進行地面防砂。目前常用的地面防砂工具為撬裝式地面除砂器。

撬裝式除砂器分為旋流器、儲砂筒兩個部分，是根據(jù)流體中的固體顆粒在旋流器里旋轉(zhuǎn)時的篩分原理制成，集漩流與過濾為一體，實現(xiàn)除砂及液分離。當(dāng)攜帶砂子和液體的氣體在一定壓力下，從除砂器進口以切向進入設(shè)備后，產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)運動，由于砂子、液體、氣體密度不同，在離心力、向心浮力、流體曳力的作用下因受力不同，從而使密度低的氣體及液體上升由出氣口排出，密度大的砂子及部分沉降到儲砂筒中由底部排砂口排出，從而達到除砂的目的（見圖2）。

圖2 井口除砂器結(jié)構(gòu)圖

2016年對3口井口安裝撬裝重力式除砂器氣井除砂器上下游進行氣井出砂監(jiān)測，除砂器上游氣井平均出砂129.96 g/h，除砂器下游氣井平均出砂9.24 g/h，表明除砂器在排砂充分、正常使用的情況下可以有效控制氣井出砂，降低氣井出砂傷害。

4 結(jié)論

（1）蘇里格氣田S區(qū)出砂性質(zhì)為支撐劑回流出砂氣井平均產(chǎn)量較高，有必要采取相關(guān)措施對氣井出砂進行控制。

（2）通過引進氣井出砂監(jiān)測工具，從而實現(xiàn)氣井出砂量化研究，對于氣井出砂防治具有重要意義。

（3）通過井筒、井口、地面配套防砂技術(shù)，蘇里格氣田S區(qū)氣田在氣井防砂方面取得了明顯的成果。

［1］劉國昌.氣井出砂預(yù)測方法研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2008.

［2］何生厚，張琪.油氣井防砂理論及其應(yīng)用［M］.北京：中國石化出版社，2003.

［3］劉小利，夏宏南，歐陽勇，等.出砂預(yù)測模型綜述［J］.斷塊油氣田，2005，12（4）：59-62.

［4］李耀，解亞鵬，薛輝，等.榆林氣田氣井出砂機理分析及合理配產(chǎn)確定［J］.石油化工應(yīng)用，2016，35（11）：86-90.

［5］方怡妏，李治平，周龍軍，等.低滲壓裂氣井出砂產(chǎn)量確定方法研究［J］.斷塊油氣田，2007，14（1）：32-34.

［6］溫哲浩，馮朋鑫，曾萍，等.蘇里格氣田防砂合理產(chǎn)量優(yōu)化分析［C］.第十一屆寧夏青年科學(xué)家論壇論文集，2015.

TE931.1

A

1673-5285（2017）10-0083-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.021

2017－10-08