長寧構(gòu)造頁巖氣井返排出砂規(guī)律和精細除砂技術(shù)研究

涂 敖， 岳星辰， 曾小軍， 趙 昊， 肖勇軍

(1中石油川慶鉆探工程有限公司試修公司 2四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司)

目前長寧頁巖氣井主要采用水平井+分簇射孔+分段體積壓裂實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，單段壓裂液通常1 800～2 200 m3以上，單段砂量80～130 t，連續(xù)作業(yè)時間長，工作強度大。在返排階段，由于頁巖氣井出砂嚴重，高速流動的含砂液刺壞地面管線，損壞井口閥門的事情時有發(fā)生，很大程度上影響了壓后放噴的正常進行[1]。同時，現(xiàn)有除砂技術(shù)通常只能除去粒徑超過40/70目的陶粒，而對于粒徑小于70目的粉砂，尚未找到有效的解決方法?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)輸氣管線中出現(xiàn)了較多粉砂，并且目前對返出砂類型、數(shù)量均只有粗略認識，未形成有效手段避免集氣站試采生產(chǎn)分離器、管網(wǎng)等生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)的砂堵、閥門被刺等情況。因此，測試、試采流程精細除砂技術(shù)還有待研究完善。

1 地層出砂規(guī)律研究

1.1 研究方法

頁巖氣井的返排是一個排出注入液體，產(chǎn)出氣體的過程，排出的流體主要由壓裂液、天然氣及少量的支撐劑組成，返排效果受地層礦物、地應(yīng)力以及施工情況的影響較大，很難獲得定量的分析結(jié)果[2]。在加砂壓裂后放噴排液過程中，對返出砂類型、數(shù)量均只有粗略認識，缺乏系統(tǒng)性、針對性的地層出砂規(guī)律研究[3-4]。為了更好地進行頁巖氣精細除砂技術(shù)的研究，采用如下實驗方法對地層出砂的規(guī)律進行分析。

1)采用 “CLAMPON”超聲波探頭探砂系統(tǒng)，實時計算出管道中的含砂量，并對砂量進行累計確定各油嘴制度對應(yīng)下的砂量。

2)通過砂取樣、篩分方法，確定砂礫粒徑。

1.2 研究對象

將CH5平臺作為除砂研究對象，該平臺共6口井，井型均為水平井。每口井分多段壓裂試氣，每段施工總液量2 000 m3左右，支撐劑量100 t左右。各井第一段使用連續(xù)油管射孔，后續(xù)層段采用泵送橋塞與射孔聯(lián)作工藝。采用拉鏈式壓裂首先對H5-4、H5-5、H5-6井進行施工，再對H5-2、H5-3、H5-1井進行施工，壓裂后進行放噴測試求產(chǎn)。CH5平臺壓裂砂數(shù)據(jù)如表1所示。

每口井支撐劑平均用量2 400 t，其中70/140目石英砂占21.3%～28.2%，40/70目陶粒量占68.3%～76.1%， 70/140目陶粒占2.7%～8.5%。

1.3 砂量數(shù)據(jù)監(jiān)測分析

為計量每口井在不同油嘴制度下的出砂量，CH5平臺使用了數(shù)套在線探砂儀，砂探頭安裝固定于捕屑器上游和油嘴管匯上游法蘭彎頭處。

表1 CH5平臺壓裂砂數(shù)據(jù)

含砂在線監(jiān)測系統(tǒng)為超聲波非插入式探砂，探頭采用的是世界知名的探砂系統(tǒng)“CLAMPON”的超聲波探頭，其探砂精度在5%以內(nèi)。利用外置式的超聲波傳感器固定于管道彎管的外壁處，檢測砂粒碰撞管壁的聲波信號，并通過濾波電路和信號處理技術(shù)把出砂信號從噪聲中提取出來，然后通過建立的出砂信號與出砂量之間的關(guān)系模型，實時計算出管道中的含砂量。

經(jīng)過近兩年時間，在威遠、長寧頁巖氣片區(qū)長時間的使用，并通過取樣、排污池觀察對比探砂儀所探砂量與實際出砂情況并結(jié)合現(xiàn)場的工況可以看到：探砂儀所探砂量與現(xiàn)場出砂工況相符，可以做到出砂預警提示；探砂儀可實時監(jiān)測管線出砂量，并對砂量進行累計，其精度范圍基本滿足現(xiàn)場計量要求?，F(xiàn)場統(tǒng)計CH5平臺不同油嘴制度下的出砂量如表2所示。

表2 CH5平臺不同油嘴制度下出砂量

1.4 返出砂粒徑分析

現(xiàn)場通過取樣、曬干、選取樣本、篩砂、稱重等幾道工序，對每種油嘴制度下井口返出砂使用篩分儀、采用篩分法進行粒徑分析，并使用數(shù)學歸納法進行結(jié)果統(tǒng)計。

取樣：取樣口在測試分離器排液口出口位置，返排過程中監(jiān)測到出砂后，用取樣勺在排液口取足量的返排砂樣本。

曬干：將取得的砂樣曬干，清除砂粒以外雜質(zhì)。

選樣：用精密電子秤選取100 g返排砂樣品。

篩砂：分樣篩分為80、150、180和300目，將100 g砂樣品倒入分樣篩，然后進行篩砂操作，篩完后用精密電子秤計量每種類型分樣篩中砂粒的重量。

1.5 地層出砂規(guī)律總結(jié)

1)從整個平臺6口井來看，?5 mm～?9 mm油嘴是各井出砂高峰期，所出砂量分別占單井出砂總量的：89.4%、90.4%、89.2%、88.2%、89.1%、90.6%。該階段返出砂主要類型主要為小于等于80目(即大于等于180 μm)砂粒(所占比例：46%～79%)，其次為80～150目(106～180 μm)砂粒(所占比例：20%～38%)。圖1顯示了單井不同油嘴制度下出砂量規(guī)律。

圖1 CH5平臺不同油嘴制度下出砂量

2)在單井返排周期中，返出砂的主要類型為小于等于80目(即大于等于180 μm)砂粒，其次為80～150目(106～180 μm)砂粒，所占比例分別為61%和28%，主要為回流的支撐劑。

3)返排初期，大于等于150目(小于等于106 μm)的細砂幾乎沒有或僅占非常小的比例(1%～5%)，返排一段時間后(特別是?8 mm油嘴之后)，細砂在樣品中所占的重量比例明顯上升，達到15%～30%，最高值達到36%(CH5-4井?12 mm油嘴)。圖2顯示了CH5平臺1到6井在不同油嘴制度下，大于等于150目(小于等于106 μm)的細砂在樣品中所占的平均質(zhì)量百分比。

圖2 “細砂”質(zhì)量比例

4)開采到一段時間以后，返排流體以氣相為主的情況下，加之許多陶粒在地層中經(jīng)過擠壓、研磨，逐漸破碎、磨蝕，變成粒徑更小的“細砂”。隨著“細砂”比率的上升，除砂器的除砂率會有所降低，部分細砂未有效清除， 可能導致集氣站試采生產(chǎn)分離器、 管網(wǎng)等生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)砂堵、被刺等情況。

2 精細除砂技術(shù)研究

現(xiàn)有除砂技術(shù)及裝備通常只能除去粒徑為100 μm的砂礫，而對于粒徑小于100 μm的粉砂，尚未找到有效的解決方法；同時,頁巖氣6井組一般配置1～2套除砂器，平臺上半支3口井如果同時開井，將無法滿足每口井除砂要求，另外，如果下半支再開井，且上半支還有少量砂時，將無法滿足除砂要求，部分小顆粒砂將進入輸氣管線，如W204H6平臺以及CH13平臺，部分砂粒進入了輸氣管線，對后續(xù)輸氣作業(yè)帶來安全風險。

為了有效去除粒徑較小的粉砂，保護集氣站試采生產(chǎn)分離器、管網(wǎng)等生產(chǎn)設(shè)備，專門對精細除砂工藝技術(shù)進行了研究改進，設(shè)計了濾網(wǎng)式管道出砂器，對試采流體進行精細除砂。

2.1 臥式撬裝管道除砂裝置的研制

在頁巖氣試油測試過程中，氣體通過撬體上面的閥門組切入經(jīng)道式出砂器，當流體進入濾網(wǎng)后，氣體隨濾網(wǎng)的孔隙出來繼續(xù)流向集氣站，而不規(guī)則的粉砂礫則留在了濾網(wǎng)中，從而實現(xiàn)了對試采流體的精細除砂，有效保護了集氣站試采生產(chǎn)分離器、管網(wǎng)等生產(chǎn)設(shè)備。

管道除砂裝置一端設(shè)有一個開口，從此開口可以更換濾網(wǎng)，用壓差測量系統(tǒng)來判斷濾網(wǎng)內(nèi)是否裝滿砂子或選擇的濾網(wǎng)是否合適。當濾網(wǎng)裝滿砂子時，壓差測量系統(tǒng)有明顯顯示。進口和出口壓力通過壓力傳感器傳輸?shù)綁翰畋?。如果進口壓力上升，出口壓力下降，進口壓力大于出口壓力時，表明濾網(wǎng)已滿，需要清洗除砂管。如果短時間壓差急劇增加，說明濾網(wǎng)已被堵死，會引起濾網(wǎng)變形或損壞，應(yīng)盡快采取措施，及時倒換除砂筒。

2.2 臥式撬裝管道除砂裝置的應(yīng)用效果分析

臥式撬裝管道除砂裝置在CH7平臺中使用，除砂效果良好，能有效除去分離器氣路管線中細砂，有效地保護了外輸管網(wǎng)不受損壞。其現(xiàn)場應(yīng)用情況如圖3所示。

圖3 CH7平臺臥式撬裝管道除砂裝置

現(xiàn)場應(yīng)用過程中本裝置性能良好，如表3所示實驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)場使用高精度的Clampon探砂儀(識別精度0.05 mm)進行驗證，未發(fā)現(xiàn)任何砂礫進入試采管網(wǎng)，充分證明管道式除砂器達到了設(shè)計精度要求(0.05 mm)。

表3 CH7平臺實驗數(shù)據(jù)

現(xiàn)場倒換砂筒，發(fā)現(xiàn)部分150～200目粉砂，充分證明管道式除砂器能充分對進入輸氣管網(wǎng)氣體進行再次精細除砂，能大大避免集氣站試采生產(chǎn)分離器、管網(wǎng)等生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)的砂堵、閥門被刺等情況。

3 結(jié)論

1)基于現(xiàn)場實驗基礎(chǔ)及實驗數(shù)據(jù)分析，基本探明了長寧-威遠區(qū)塊頁巖氣地層出砂規(guī)律，可為我國其他頁巖氣藏的勘探開發(fā)提供借鑒。后續(xù)需在更多井進行更多實驗進一步完善長寧-威遠區(qū)塊頁巖氣地層出砂規(guī)律。

2)?5 mm～?9 mm油嘴返排階段是各井出砂高峰期，該階段所出砂量占單井出砂總量的90%以上。且在單井返排周期中，返出砂的主要類型為小于等于80目(即大于等于180 μm)砂粒，其次為80～150目(96～180 μm)砂粒，所占比例分別為61%和28%。

3)返排初期(3～4 mm期間)，大于等于150目(小于等于96 μm)的細砂幾乎沒有或僅占非常小的比例(1%～5%)，返排一段時間后(特別是?8 mm油嘴之后)，細砂在樣品中所占的重量比例明顯上升，達到15%～30%，最高值達到36%(長寧H5-4井?12 mm油嘴)。而對粗砂而言，在返排的整個階段都占較大質(zhì)量比例(78%～99%)。

4)開采到一段時間以后，返排流體以氣相為主的情況下，加之許多陶粒在地層中經(jīng)過擠壓、研磨，逐漸破碎、磨蝕，變成粒徑更小的“細砂”。隨著“細砂”比率的上升，除砂器的除砂率會有所降低，部分細砂未有效清除， 可能導致集氣站試采生產(chǎn)分離器、 管網(wǎng)等生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)砂堵、被刺等情況。

5)為了有效去除粒徑較小的粉砂，保護集氣站試采生產(chǎn)分離器、管網(wǎng)等生產(chǎn)設(shè)備，研制了濾網(wǎng)式管道出砂器，實現(xiàn)了對試采流體進行精細除砂。