高壓高產氣井出砂治理工藝技術研究

楊麗夢 劉雪霏 張煒

1大慶油田采氣分公司

2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井分公司

氣井出砂在國內很多氣田是一種普遍現象，徐深氣田自深層氣井開發后，出砂問題逐漸嚴重。氣井井筒內高壓天然氣將砂從地層帶上地面，進入地面工藝，部分砂粒會沉積在分離器底部或工藝管道低點，為正常生產帶來諸多不便。同時，砂粒在高壓天然氣裹挾下，快速通過工藝管道，對閥門、彎頭等位置造成不同程度的沖蝕，降低了地面工藝承壓能力，給生產造成較大安全風險，因此需采取有效的技術措施實現防砂、控砂。

1 建設現狀及存在的問題

徐深氣田目前以水平井開發為主，為了提高單井開發效益，均采用千方砂、萬方液的壓裂工藝。此類氣井投產后普遍存在出砂問題[1]，對地面節流工藝造成損傷，導致閥門嚴重內漏。在早期產能建設中，部分壓裂投產井井筒下入防砂篩網，采氣樹設置簡易除砂器[2]。

徐深氣田地面工藝流程為井口一次節流→多井進站換熱二次節流→分離脫水計量外輸工藝。為了盡量減少砂害，簡易除砂器安裝在井口一次節流閥前。

簡易除砂器分為本體和沉砂體兩部分。本體長度978 mm，內部裝有旋流元件，利用離心力改變天然氣中砂粒流向，砂粒向下落入沉砂體，實現旋流除砂。沉砂體長度1 433 mm，存儲空間約0.03 m3，底部采用絲堵封口，需人工定期排砂。簡易除砂器結構示意圖及現場安裝照片見圖1。

圖1 簡易除砂器結構示意圖及安裝照片Fig.1 Structure diagram and installation photo of simple desander

根據除砂器卸砂量發現如下問題：

（1）隨著產氣量、產水量增加，出砂量增加；產量較小時，若開、關井壓力差值較大，出砂量大。

（2）井下防砂措施可有效減少出砂，防砂后氣井出砂粒徑小于0.3 mm，每周出砂量1.89～32.55 g；無防砂措施情況下，氣井出砂粒徑小于1 mm，每周出砂量56～210 g。

（3）井口簡易除砂器可有效除去部分砂粒，部分高產氣井建設初期未安裝簡易除砂器，氣井投產1 h 內出現閥門沖蝕損壞，管件沖蝕穿孔等情況。安裝簡易除砂器后，閥門損壞情況得到緩解，但并不能完全消除砂害，下游工藝仍存在閥門沖蝕損壞等問題，尤其在流速較大的節流閥處損壞明顯。

根據經驗數據，井下防砂與簡易除砂器對于產量小、開井壓力與關井壓力差小的氣井具備一定防砂能力，但對于產量大、流速大的氣井，簡易除砂器已無法滿足除砂需要，下游工藝仍然存在較嚴重的砂害問題。對簡易除砂器應用情況進行統計，具體運行參數見表1。

表1 簡易除砂器運行情況統計Tab.1 Operation statistics of simple desander

2 解決方案及工藝對比分析

為解決高壓、高產氣井出砂量較大、簡易除砂器難以防護的問題，2019 年在氣井X 井口應用了新型橇裝除砂工藝。該井壓裂段數13 段，加砂量357 m3，加壓裂液量8 260 m3，壓裂后返排短期測氣，經計算合理產氣量為13×104m3/d、產水量7 m3/d、井口壓力18 MPa，具體開發參數、氣質組分及水質情況見表2～表4。

表2 氣井X 開發參數Tab.2 Development parameters of Gas Well X

表3 氣井X 氣質參數Tab.3 Gas quality parameters of Gas Well X 體積分數/%

表4 氣井X 水質參數Tab.4 Water quality parameters of Gas Well X mg/L

2.1 除砂工藝流程

考慮到試驗井X 產氣量、產水量較高，在除砂工藝中設計了天然氣處理流程[3-5]、除砂與排砂流程、排污水流程及反沖洗流程（圖2）。主要設備包括除砂筒、集砂筒、液位計、聯鎖排液控制等。除砂過程為在除砂筒內完成兩級除砂工作：第一級，氣質流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，由于各種介質密度不同，在離心力、向心力、浮力和流體曳力的共同作用下，形成旋流運動，最終使密度較小的氣體上升，氣流沿上部出口進入下游工藝，密度居中的水流由中部的出水口排出并收集，密度較大的砂粒由設備底部的排污口泄放，定期由人工進行清理；第二級，天然氣上升通過筒上部過濾網，過濾分離進一步除砂[6-7]。

圖2 除砂筒內部工作示意圖Fig.2 Diagram of internal working conditions of the desander

（1）天然氣處理流程。含砂氣體從除砂筒中部進入，從上部排出，砂粒和液體落入除砂筒下部。

（2）除砂排砂流程。人工定期打開除砂筒底部閥門排砂，砂礫伴隨少量生產水排放至集砂筒，集砂筒集滿后拉運處理。

（3）排液流程。除砂筒中液位超過高限值時自動排液，排至除砂后及一次節流降壓后的天然氣管道，氣液混輸回集氣站，井場不用設置污水罐，無需車運污水。

（4）反沖洗流程。關閉除砂筒天然氣進出口閥門，打開排液閥門，液體從除砂筒底部排砂口進入除砂筒，從反沖洗口排出；關閉除砂筒天然氣進出口閥門，打開排液閥門，液體沖洗集砂筒。

2.2 除砂工藝內部結構及材質

為增大除砂筒除砂能力，對筒體內部結構進行設計[8-9]，在天然氣進口增加旋流導流件，使氣、砂、液旋流分離；在天然氣出口前增加過濾網，攔截粒徑大于50 μm 砂粒；在除砂筒下部設置防擾動網，防止排液時將砂粒攪動起來，阻礙排液；除砂筒上部采用快開盲板封閉，方便檢修、清洗或更換過濾網。考慮到試驗井X 產出氣二氧化碳含量0.46%、分壓0.11 MPa，屬于輕度腐蝕，除砂筒內壁采用防腐材質作為內襯，同時考慮到壓裂砂硬度較高，采用16MnIV 鍛鋼內襯合金鋼，旋流導流件、過濾網、防擾動網均采用硬質合金材質，連接件及快開盲板采用304 鋼材質；集砂筒采用16Mn材質鍛造[10]。除砂工藝所有設備均成橇設計[11]，方便氣井除砂量變化后，靈活調整到其他高壓、高產氣井使用。

3 試驗及效果分析

試驗井X 安裝簡易除砂器情況下，按照配產13×104m3/d 生產2 天后，節流閥門受損嚴重。為了防止砂害，對產氣量進行限制，經過生產摸索，試驗井產氣量需控制在8×104m3/d。該井安裝新型除砂器后，產氣量從8×104m3/d 逐步提產，投產前期為每日排砂，砂量穩定后為每周排砂，平均周除砂量為150～330 g，當產氣量提高至13.5×104m3/d時，下游工藝未發現出砂及工藝損壞問題。氣井X生產情況對比見表5。

表5 氣井X 試驗前后對比分析Tab.5 Comparative analysis of Gas Well X before and after experment

4 結論

（1）壓裂投產后氣井普遍存在出砂問題，井下防砂可濾除粒徑為0.3 mm 砂粒，小于此粒徑砂粒仍會帶上地面，需要井下、地面同時采取防砂治理對策。

（2）出砂井中，產氣量、產水量較少的氣井，以及開、關井壓力差較小的氣井，出砂量較小，反之出砂量較大，通過限產可控制出砂量。

（3）低壓、低產氣井可通過簡易除砂器除砂；高壓、高產氣井需要考慮采用大型除砂器。

（4）新型橇裝除砂工藝通過優化內部結構及局部工藝材質，具備除砂、自動排液、氣液混輸、反沖洗等功能，可濾除粒徑小于50μm 砂粒，試驗井X 除砂工作情況穩定，可恢復原計劃配產。