秋林區塊致密氣設備沖蝕和除砂工藝分析*

李 靜，古純勇，殷建成，楊 立，駱敏珠

(中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司，四川 遂寧 629000)

致密砂巖氣是指覆壓基質滲透率小于或等于0.1 mD的砂巖氣層，國內的致密砂巖氣藏主要分布于含煤系地層的盆地中[1]，四川致密氣資源量豐富，估算量有3×1012m3左右。秋林區塊致密氣儲層物性較差，采取的壓裂工藝：變黏滑溜水體系(低黏滑溜水造縫，提高裂縫復雜程度；高黏滑溜水攜高濃度支撐劑，提高導流能力)，40～70目(425～212 μm)覆膜石英砂和70～140目(212～106 μm)石英砂組合支撐劑。秋林區塊致密氣各單井生產階段存在出砂現象，需采取有效的除砂工藝，防止生產過程中管線和設備發生堵塞或刺漏。井口高壓除砂器是秋林區塊致密氣地面除砂作業的主要設備，優化除砂器使用中的關鍵技術，提高除砂器使用效率，對現場安全生產具有重要意義。

1 秋林區塊致密氣出砂現狀

氣井出砂是由于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后支撐劑隨地層流體進入井筒、堵塞井氣通道造成氣井停產的現象[2]。出砂較大會減弱支撐裂縫的導流能力，影響氣井的產能，同時對集輸帶來諸多不利影響[3-4]。出砂主要分為地層出砂和裂縫出砂(支撐劑回流)，地層出砂產物主要是巖石碎屑，裂縫出砂產物主要是壓裂所加支撐劑[5]。

投產以來，秋林區塊致密氣各井出砂無明顯規律，整體表現為投產初期出砂量多，后期越來越少，目前均微量出砂。部分細砂通過除砂器進入下游流程，導致下游設備含砂，對閥門、油罐和脫水器等設備造成了影響。經統計，從投產至今因出砂造成的設備失效達35次。

據觀察巖心、巖屑及薄片鏡下鑒定結果，秋林區塊致密氣儲層主要巖性：石英質量分數為 40%～60%，長石質量分數為23%～40%，巖屑質量分數為8%～24%。對采集的秋林區塊致密氣出砂砂樣開展成分分析(采用X射線衍射對沉積巖全巖進行定量分析)，結果見表1。與氣井壓裂所加石英砂成分相近，即出砂為支撐劑回流。

表1 秋林區塊致密氣出砂樣成分分析 w,%

對出砂砂樣進行粒徑檢測(篩析法)，出砂粒徑范圍主要集中在70～200目，見圖1。通過掃描電鏡觀察，原始狀態石英砂較為圓潤，無明顯棱角，部分返出砂棱角分明，具有破碎特征，即140目以上細砂為石英砂破碎后形成，見圖2和圖3。

圖1 秋林區塊致密氣出砂砂樣粒徑分布

圖2 原始狀態石英砂

圖3 返出砂

2 設備失效原因分析

秋林區塊致密氣氣井生產初期出砂量較大，研究和生產實際表明，砂粒會對地面設備、管道等造成沖蝕。通常,當高速流體攜帶顆粒以一定速度和角度沖擊材料表面，形成相對運動并造成材料損耗的,便被認為是沖蝕[6]。

2019年西南油氣田分公司針對頁巖氣除砂器前管段沖蝕問題通過建立離散相模型開展了相關研究，發現沖蝕速率隨速度、砂量的增大而增大[6]。

通過分析，秋林區塊所在的金秋氣田致密氣氣井含砂流體在集輸過程中，當砂遇到彎頭時，大量砂沿著彎頭外側運動、只有極少量砂沿著彎頭內側運動，此時砂沖蝕的主要位置是彎頭的外側；當砂遇到三通時，砂集中在流動方向這一區域發生沖蝕；當砂遇到管道內的焊瘤時，砂因撞擊到焊縫的異常突變而發生流向改變，將折射到焊縫下游的管壁處[7]。長期沖蝕會造成管道壁厚持續減薄，進而導致其穿孔失效。

3 除砂工藝

為解決氣井采出物砂含量大的問題，國內外先后研究出多種除砂方法及配套設施，除砂器是地面除砂作業的主要設備，其分離原理主要有過濾分離、旋流分離、重力分離和慣性分離[11]。

3.1 除砂方法

(1)過濾分離：過濾分離是含砂流體通過多孔介質，將固體與流體分離的過程。

(2)旋流分離：旋流分離是在離心力的作用下利用相間的密度差實現相間分離。

(3)重力分離：重力分離一般包括進氣口、沉降室和出氣口，其原理是當含砂流體進入沉降室后，因流通面積擴大，速度減慢，砂粒在流體和重力作用下，同時做水平運動和向下沉降，若砂粒在到達出口前已經沉降，則被分離，流體從出氣口排出[8]。

(4)慣性分離：慣性分離是利用流動時砂粒與流體慣性差異，當含砂流體急劇改變方向或受擋板阻擋后，由于慣性力作用使砂粒與流體分離。

3.2 除砂主要設備

目前使用的除砂器結構基本分為立式和臥式兩種，其中立式除砂器可以利用重力進行分離，理論分離效果好；臥式除砂器在安裝操作上有優勢。

根據除砂原理的不同，除砂設備主要有過濾式除砂器(管道除砂器、雙筒管柱式除砂器等)和旋流式除砂器。

(1)管道除砂器

當含砂流體經過管道除砂器時，經重力沉降和濾筒過濾，砂能有效沉積于裝置濾筒內且不影響天然氣的正常輸送[9]。

(2)雙筒管柱式除砂器

雙筒管柱式除砂器是在除砂器的除砂筒中安裝一定規格的濾網管，一般由兩個除砂筒和一路旁通管線組成(一備一用)。當工作中的濾砂筒砂量裝滿時，則打開另一個濾砂筒進出口，然后關閉前一個濾砂筒的進出口，在充分卸壓后，再取出濾網進行清洗即可。

(3)旋流式除砂器

旋流式除砂器多為立式結構，是一種利用離心沉降原理將非均相混合物通過密度差進行相分離的機械分離設備，基本構造包括1個分離腔、1個入口和2個出口。含砂流體切向進入旋流管，在圓柱腔內產生高速旋轉流場，混合物中密度大的組分在旋轉流場的作用下沿軸向向下運動，由底流口排出；密度小的組分向中心軸線方向運動，然后由溢流口排出。

4 優化及現場應用

4.1 在線監測系統

投產初期，秋林區塊致密氣氣井未在井口配備相應的出砂監測設備，主要從除砂器濾筒清洗情況等對出砂進行判斷，優化時考慮采取相應的氣井出砂監測工藝，實現氣井出砂狀況的實時監測。目前，應用最廣的為ER(electrical resistant)法和聲學法出砂監測方法。ER法需要在管線內插入監測探頭，考慮到現場施工安全性，選擇聲學法進行氣井出砂監測[10]。工作原理：將外置式的超聲波傳感器固定于管道彎管的外壁處，采集砂粒碰撞管壁的聲波信號，并將其轉換成電信號后，傳至控制單元，通過一定的計算公式計算出砂粒的流量并實時顯示。

4.2 除砂器優選

投產時秋林區塊致密氣各單井井口至水套爐之間各安裝1臺單濾管道除砂器。實際應用效果表明：使用單濾管道除砂器，由于投產初期砂量大、沉砂快，很容易堵塞濾網，造成濾網內外壓差大，導致濾網變形、損壞，且清洗除砂器時需倒換旁通。由于出砂無規律，清洗時可能有砂粒進入下游，給下游設備造成沖蝕。2018—2019年，西南油氣田分公司在現場開展中壓過濾式除砂器和旋流式除砂器性能測試,結果表明：同樣工作條件下，旋流式除砂器除砂效率為88.2%，過濾式除砂器除砂效率為85.7%。針對秋林區塊致密氣前期投產出現的出砂問題，綜合考慮過濾式、旋流式除砂器的優缺點后，最終確定采取旋流式除砂器。

4.3 除砂器現場應用實例

(1)非浸入式聲學砂粒監測系統

16平臺生產初期采用管道除砂器進行除砂，投產7 d后水套爐內部盤管彎管處出現破損，優化時將單濾管道除砂器更換為旋流式除砂器，同時使用Sand Alert非浸入式聲學砂粒監測系統，該系統由聲學探頭、數據處理顯示器、完整性工具包和數據處理分析器等組成，見表2。

表2 Sand Alert非浸入式聲學砂粒監測系統組成

現場安裝流程：

①沿氣流方向選擇彎頭外緣下游2倍管徑處(盡量避開焊縫、閥門等特殊部位)，打磨管線外壁至金屬光澤，打磨面積約100 mm×600 mm；

②聲學探頭監測面充分涂抹專用耦合劑，保證與外部空氣/水隔絕；

③使用金屬卡箍將聲學探頭牢牢固定在打磨面上；

④連接數據線和電源線。

在線監測系統顯示,旋流式除砂器除砂效率為77.39%，后端流程取樣未見出砂。

(2)在線監測系統

在新投產的207平臺采用旋流式除砂器，并安裝在線監測系統，在線監測系統顯示該井初期日出砂量約5 kg，后期日出砂量不到100 g，除砂效率約99.4%。每隔2 h對除砂器排污口進行取樣，未發現出砂，偶爾微量見砂。在線監測系統顯示：在氣井產量發生明顯變化時出砂量也有明顯改變，總體趨勢前期出砂較穩定，后期砂量降低較明顯。

207平臺在線監測系統使用效果顯示：環境噪聲對探頭采集聲波數據的準確度影響較大，因此，實際砂量數據仍需進一步驗證。

在整個生產過程中，除砂器下游的彎頭、管線等均未出現刺漏失效現象，保障了生產過程的連續安全。

5 結論及建議

(1)秋林區塊致密氣出砂為支撐劑(石英砂)回流，返出砂粒徑主要分布在70～200目。

(2)秋林區塊致密氣支撐劑回流主要受高速流體、閉合應力和氣液兩相流動等因素的影響。

(3)回流的支撐劑長期沖蝕會造成管壁持續減薄，最終引起穿孔。

(4)要正確選擇除砂器。過濾式除砂器難以從根本上解決濾網堵塞問題，主要適用于返排流體黏度不大的除砂作業及出砂量不大的環境。旋流式除砂器結構簡單，操作方便，除砂效率高。建議在投產初期采取旋流式除砂器，后期采用過濾式除砂器。

(5)考慮到陶瓷內襯的抗沖蝕性及其在頁巖氣的成功應用，建議選取一口井開展陶瓷內襯彎頭試驗，為設備選型提供依據。