蘇里格氣田S區氣井配套防砂技術及應用

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區氣井配套防砂技術及應用

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等綜合因素造成井底附近地層破壞出砂或者壓裂施工結束支撐劑砂隨地層流體進入井筒的現象，除了嚴重影響氣井正常生產外，還會沖蝕套管、井下工具、井口、地面管線，嚴重者會引發安全事故。本文對蘇里格氣田S區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；臨界流量

氣井出砂，作為天然氣生產中的“第二殺手”，除了嚴重影響氣井正常生產外，還會沖蝕套管、井下工具、井口、地面管線，嚴重者會引發安全事故，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，蘇里格氣田S區形成了一系列配套氣井防砂工藝。

1 蘇里格氣田S區氣井出砂現狀

要研究地層砂在地層內的流動狀態，必須先對氣井出砂機理進行研究[1，2]。氣井出砂根據產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區上古儲層為致密砂巖儲層，交接情況良好，地層不出砂，結合地面返排砂情況，認為蘇里格氣田出砂類型為支撐劑回流。

據統計，目前蘇里格氣田S區共有42口氣井存在氣井出砂問題，出砂氣井平均產量1.49×104m3/d，近年來，通過下現場不斷試驗及理論研究。結合氣井出砂監測工藝，蘇里格氣田S區逐漸形成了配套的防砂工藝。

2 氣井防砂工作的基礎－氣井出砂監測技術

歷年來，在蘇里格氣田生產過程中，從未在井口配備相應的出砂監測設備，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，必須引進相應的氣井出砂監測工藝[3，4]。

2016年，蘇里格氣田S區引進了氣井出砂監測技術，并在井口進行了出砂監測試驗。

2.1 氣井出砂監測原理

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，技術比較成熟、應用最廣的為ER法和聲波法。其中ER法需要在管線內插入監測探頭，測量的過程中需要伴隨地面管線的改造，考慮到現場改造安全，選擇聲波法進行氣井出砂監測。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，信號經過預處理和A/D轉換后，輸送到計算機中；根據出砂率和信號幅度之間的關系建立起的模型，計算管道內的砂粒濃度。

2.2 出砂監測設備基本情況介紹

測量前，先將探頭取出放置在測量管線環境處，觀測現場的噪聲幅度，進行手動調零。

測量時，將出砂監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定情況，輸入儀器常數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、流速接近的且標定過出砂量的C值。儀器即可自動測量并記錄數據（見圖1）。

圖1 傳感器安裝位置示意圖

2.3 室內試驗效果評價

在實驗室環境下，模擬井上出砂環境，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

砂粒大小：20～40 目

采樣率：10 000 Hz

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

經過多次試驗測量，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，實際的砂子質量為503 g，誤差率4.76%，在誤差允許范圍內。

2.4 現場測量情況

2016年至2017年對19口氣井先后進行24次氣井出砂監測，重點針對2016年投產氣井、高產出砂氣井進行測量，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。

引進氣井出砂監測工藝可以為出砂氣井安全生產提供參考，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[5，6]。

3 氣井配套防砂技術

3.1 高產氣井井下防砂技術

與井筒內液相流動類似，砂在井筒內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的受力狀態進行分析，砂粒受氣體向上的曳力F：

以及垂向的自身重力G：

當F=G，即二者受力平衡時，砂粒可懸浮至井筒內，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，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），從計算的結果可以看出，當井筒壓力越低時臨界攜砂流量越低，考慮到井筒內有節流器的情況，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。結合2016年氣井出砂監測試驗，對2口下入防砂器的氣井進行了氣井出砂監測，從氣井出砂監測情況看，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

冬季高峰供氣生產過程中，由于部分調產氣井存在出砂問題，且氣井產氣量較大，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，是根據流體中的固體顆粒在旋流器里旋轉時的篩分原理制成，集漩流與過濾為一體，實現除砂及液分離。當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備后，產生強烈的旋轉運動，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 井口除砂器結構圖

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 結論

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

（2）通過引進氣井出砂監測工具，從而實現氣井出砂量化研究，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，蘇里格氣田S區氣田在氣井防砂方面取得了明顯的成果。

［1］劉國昌.氣井出砂預測方法研究［D］.成都：西南石油大學，2008.

［2］何生厚，張琪.油氣井防砂理論及其應用［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確定［J］.石油化工應用，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量優化分析［C］.第十一屆寧夏青年科學家論壇論文集，2015.

TE931.1

A

1673-5285（2017）10-0083-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.021

2017－10-08