高壓高產氣井出砂機理數值模擬

馬亞琴，張 寶，鐘建芳，易 俊，郝 劍

（1塔里木油田油氣工程研究院2玉門油田分公司油田作業公司）

馬亞琴等.高壓高產氣井出砂機理數值模擬.鉆采工藝，2019，42（5）：43-44，58

地層出砂是影響油氣井正常生產的重要問題［1］。地層出砂主要出現在疏松砂巖油氣藏中。多年來，針對疏松砂巖地層出砂，通過室內實驗、理論分析、現場分析驗證等手段基本掌握了該類地層的出砂機理、影響因素等［2-6］。但是，近年來，塔里木油田庫車山前高壓氣井出現了地層垮塌、出砂現象。該區域屬于致密性裂縫砂巖，地層巖石強度高，經過大規模的酸化壓裂改造，氣井產量高［7-9］。該類高壓高產、致密性裂縫砂巖氣藏與疏松砂巖油氣藏存在很大的差異，其出砂機理相對復雜。

致密性裂縫砂巖由于膠結強度高，呈現出脆性特征。對于這類高強度的脆性砂巖，過高的生產速率導致近井筒區域產生很強的紊流效應，是導致地層出砂的一種重要原因［10］。但是，這種紊流效應能夠產生多大的作用力與氣體流速的關系是怎樣的？目前還沒有見到相關的研究報道。為此，本文以塔里木油田庫車山前克深區塊為例，通過物理模擬試驗和數值模擬分析，研究探討了高壓高產氣井的一種出砂機理—高速氣體紊流效應。

一、高壓流體過孔眼模擬試驗研究

為了定性研究高壓高產氣井炮眼附近產生的紊流效應，研制了一套高壓流體過孔眼模擬試驗裝置。該裝置是由高壓氣源、高壓水源、橡膠外筒和打孔碳鋼內筒組成。橡膠外筒長度6 m，厚度10 mm。碳鋼內筒設置一個孔眼，孔徑為3 mm。橡膠外筒包裹在碳鋼內筒外，中間保留一定間隙，作為氣體流動通道。

試驗的基本原理是利用高壓氣源或高壓水源，從橡膠外筒與碳鋼內筒之間的縫隙中注入高壓流體，通過碳鋼內筒的孔眼排出。根據文丘里效應，高壓流體在通過孔眼時，流速非常高，產生紊流效應，將會對橡膠外筒產生一定的抽汲作用力，從而會造成橡膠外筒發生變形或破壞。

分別采用高壓氣源、高壓水源注入排量為5 m3／h、壓力為5 MPa的空氣、清水進行實驗。實驗30 min后，拆開內外筒，觀察橡膠外筒變形情況。

圖1 實驗后橡膠外筒變形情況

圖1為實驗后橡膠外筒變形情況。從試驗結果來看，高壓氣井通過孔眼時，產生明顯的紊流效應，形成抽汲作用力，造成橡膠外筒內壁接近孔眼處形成明顯變形。高壓液體通過孔眼時，沒有產生明顯的紊流效應，橡膠外筒該處沒有明顯變形。

二、高速氣體過炮眼數值模擬分析

通過前面的物模試驗可知，高壓氣體通過孔眼時會形成很強的紊流效應，產生較大的抽汲作用力。對于低速氣體，可應用伯努利方程進行計算。但是，對于高速氣體，由于涉及到氣體的壓縮效應和能量交換，應用解析方法計算非常復雜，可以采用流體有限元軟件FLUENT進行計算。

1.炮眼處抽汲作用力模擬計算思路

（1）根據氣井初期產能參數，利用基礎數據和多相動態管流軟件OLGA，求出井底氣井產量（質量流量）和井底流壓。

（2）假設井底氣體產量不變的情況下，通過改變儲層生產炮眼的數量，應用ANSYS流體模塊（FLUENT）模擬求解射孔孔眼處流壓和流速分布。

（3）計算不同炮眼處氣體流速對應的抽汲作用力。

2.不同炮眼氣體流速與抽汲作用力模擬計算

應用FLUENT軟件，按照KeS2-A井和KeS2-B井的實際井況進行模擬計算，確定炮眼氣體流速與抽汲作用力的關系。

2.1 KeS2-A井模擬計算

采用多相動態管流軟件OLGA，按照KeS2-A井的管柱結構和生產參數進行模擬計算，得到氣井質量流量：3.1427 kg／s；井口油壓：61.1183 MPa；井口氣體產量（標況下）：399 282 m3／d。

采用流體有限元軟件FLUENT，模擬計算不同等效水力直徑下，高壓氣體通過炮眼時產生抽汲作用力。根據不同等效水力直徑，計算高壓氣體通過炮眼產生的抽汲作用力，見表1。

表1 KeS2-A井氣體過炮眼產生的抽汲作用力計算結果

2.2 KeS2-B井模擬計算

采用多相動態管流軟件OLGA，按照KeS2-B井的管柱結構和生產參數進行模擬計算，得到氣井質量流量：3.643 82 kg／s；井口油壓：85.195 5 MPa；井口氣體產量（標況下）：462 949 m3／d。

采用流體有限元軟件FLUENT，模擬計算不同等效水力直徑下，高壓氣體通過炮眼時產生抽汲作用力。根據不同等效水力直徑，計算高壓氣體通過炮眼產生的抽汲作用力，見表2。

表2 KeS2-B井氣體過炮眼產生的抽汲作用力計算結果

2.3 井下氣體流速與抽汲作用力關系擬合

根據KeS2-A井和KeS2-B井不同井下氣體流速計算得到的抽汲作用力數據進行擬合（如圖2所示），得到塔里木油田克深區塊高壓氣井井底流速與抽汲作用力的估算公式：

式中：ΔPf—氣體過炮眼抽汲作用力，MPa；v—氣體通過炮眼流速，m／s。

圖2 不同井下氣體流速與抽汲作用力關系擬合

三、高壓高產氣井出砂臨界生產壓差修正

將高壓氣體通過射孔炮眼時，由于紊流效應產生的抽汲作用力理解為附加壓差，并考慮酸化改造對儲層巖石強度的影響，對常規出砂預測得到的出砂臨界生產壓差進行修正，從而得到高壓高產氣井酸化改造后的實際出砂臨界生產壓差：

式中：Δpcx—修正后的出砂臨界生產壓差，MPa；A—改造后巖石強度影響系數，根據巖石酸化實驗，取值0.2；Δpc—修正前的出砂臨界生產壓差，MPa；ΔPf—氣體過炮眼抽汲作用力，MPa。

四、結論

（1）高速氣體通過孔眼時形成紊流效應，這種紊流效應能夠產生較強的抽汲作用力。

（2）數值模擬計算了氣體流速與抽汲作用力的關系，分析表明，當氣體流速較低時，產生的抽汲作用力非常小，可以忽略不計；當氣體流速較高時，產生的抽汲作用力非常大，對出砂的影響不可忽視。

（3）考慮高速氣體紊流效應產生的附加壓差，以及酸化改造對儲層巖石強度的影響，建立了高壓高產氣井出砂臨界生產壓差預測模型，為克深區塊出砂預測提供了更加符合實際的方法。