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)出流體對支撐劑的拖曳力過大時，會導(dǎo)致支撐劑克服裂縫對其壓實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，同時在新井投產(chǎn)時使用氣井出砂含量監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測氣井出砂量，以便及時對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，會產(chǎn)生較大的瞬時生產(chǎn)壓差，當(dāng)該瞬時生產(chǎn)壓差大于氣井臨界出砂生產(chǎn)壓差時，會導(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，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)氣井的最短開井時間（表1）。從2014年至今，在生產(chǎn)實踐中按時間要求控制開井速度后，氣井的瞬時生產(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，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，同時減小氣井出砂對下游管網(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轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪瘟鲃?，攜砂天然氣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場后，在離心力及重力的聯(lián)合作用下，相對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)出井場進(jìn)行處理，分離后的天然氣經(jīng)過計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，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，會出現(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)的措施來解決這個問題。實踐證明，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)測技術(shù)

對于新投產(chǎn)氣井，為判斷其是否出砂以及出砂量的多少，以便對出砂量高的氣井及時采取防砂措施，蘇里格氣田主要采用氣井出砂含量監(jiān)測技術(shù)對氣井出砂量進(jìn)行實時監(jiān)測。該技術(shù)通過砂含量監(jiān)測儀來實現(xiàn)，其工作原理為：高速流動的砂粒撞擊管線內(nèi)壁將產(chǎn)生高頻率的超聲波信號，通過管壁傳播，傳感器監(jiān)測到超聲波信號后將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出處理，最后經(jīng)過軟件系統(tǒng)模擬計算，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時使用砂含量監(jiān)測儀對一口新投產(chǎn)氣井進(jìn)行了46 h的出砂監(jiān)測，傳感器安裝在除砂器上游入口處，監(jiān)測出砂量總共為4 246 g（圖2），除砂器排出砂稱重為4 560 g?？梢钥闯鰞煞N方式測量得到的氣井出砂量相差不大，砂含量監(jiān)測儀準(zhǔn)確率在90%以上。

圖2 LP-SHLBX型砂含量監(jiān)測儀監(jiān)測新投產(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為支撐劑回流，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，這些措施在實際應(yīng)用中取得了較好的效果。

3）氣井出砂含量監(jiān)測技術(shù)可以有效識別氣井是否出砂，并能測定出較為準(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.