南海深水A氣田防砂篩管沖蝕風險分析與優選*

邱 浩 李 中 文 敏 黃 輝 馬 楠 侯澤寧 張 銳

(1.中海油研究總院有限責任公司 2.中國石油大學(華東)石油工程學院)

0 引 言

深水油氣生產配產高、巖石疏松易出砂，沖蝕風險大，雖有礫石層阻擋緩解，但低于擋砂精度的砂粒仍會穿過礫石層沖蝕配套篩管，長期沖蝕也會使篩孔增大、礫石失去支撐而導致防砂失效；同時，若存在礫石充填虧空或失敗等問題，砂粒直沖篩管更是加大了防砂失效的風險。另外，深水防砂失效后維修作業成本極大。因此，準確選型合適配套篩管是深水井礫石充填全壽命防砂并保障安全高效生產的關鍵。南海A氣田水深超1 200 m、高孔高滲，儲層巖石疏松，早期探井轉生產井開發效果顯示出砂嚴重，可能危及深水氣田的安全和高效生產。因此充填防砂勢在必行，篩管選型也是重中之重。

關于篩管沖蝕風險問題，國內外有試驗和數值模擬兩方面研究。試驗研究主要是借助試樣旋轉磨蝕和射流沖擊磨損表征篩網沖蝕結果[1-7]。A.PROCYK等[1]在相同條件下使用不同流體介質進行篩管沖蝕試驗,發現沖蝕破壞是氣井生產的主要約束。陳彬等[5]通過試驗分析了4種因素對優質篩管和星孔篩管沖蝕影響程度，并應用灰色關聯法進行了影響程度排序。王典等[6]試驗分析了單層金屬網布篩網沖蝕磨損規律。周歡等[7]開展了礫石充填條件下金屬網布篩管加砂模擬沖蝕試驗，指出當流體到達擾動礫石充填層，篩管會發生部分堵塞，在流通孔眼處會形成高速磨料射流，造成沖蝕破壞。

在數值模擬方面，學者已探究形成了一些篩管沖蝕模擬方法和規律[8-14]。張銳等[8-9]基于計算流體動力學(CFD)理論，考慮氣固耦合流動，認為沖蝕是各砂粒沖蝕疊加的結果，建立了沖蝕新模型，形成了深水氣井防砂篩管沖蝕磨損仿真模擬方法。邱浩等[10]結合生產動態數據給出了出砂沖蝕模型。翟曉鵬等[11-12]基于試驗應用數值模擬預測金屬網布沖蝕壽命和繞絲沖蝕過程。胡成等[13]采用正交分析法確定了各因素影響割縫篩管的主次順序。陳姍姍等[14]著重進行了不同流速下金屬網布篩管沖蝕壽命模擬預測。目前試驗和數值模擬研究均沒有考慮小粒徑砂粒穿過礫石層的篩管沖蝕和選型問題。為此，筆者針對南海深水A氣田充填防砂配套篩管沖蝕風險和選型問題，構建了篩管孔縫物理模型，應用篩管沖蝕磨損仿真模擬方法，開展了防砂篩管沖蝕模擬，探究篩管沖蝕風險并進行篩管選型。所得結論可為深水氣田安全高效開發提供理論支撐。

1 防砂篩管沖蝕模擬方法

高速氣流攜砂過礫石層沖蝕篩管的過程是復雜的氣固兩相三維湍流問題，將砂粒對篩管沖蝕分為氣固耦合流動和砂粒對壁面磨損兩部分。首先構建礫石層和篩管防砂單元模型，并簡化為多孔介質流域，引入氣固耦合運動模型計算流場分布；之后基于篩孔篩縫模型并結合流場分布確定邊界條件，應用離散廣角沖蝕模型疊加計算沖蝕速率。

1.1 氣固耦合流動模型

氣固兩相流中砂粒容積率較小，氣體作為連續相處理，采用氣體控制方程描述氣體流動，而砂粒作為離散相處理，采用砂粒運動方程描述砂粒運動。

應用動量方程、連續性方程和標準k-ε模型描述氣體流動，采用砂粒的各種受力[15-19]描述砂粒運動，同時兩相流場中氣體與砂粒間存在相互影響。其氣固耦合運動模型[8-9]為：

(1)

1.2 離散顆粒廣角度篩管沖蝕模型

本文在Alex Procyk經驗模型的基礎上，考慮各顆粒的沖蝕角度不同，通過累加各顆粒對篩網的沖蝕量得到沖蝕結果，則有離散顆粒廣角度沖蝕率模型為[8-9]：

(2)

(3)

式中：ER為沖蝕速率，kg/(m2·s)；B為修正系數，約為4.05×10-5；mp為單個砂粒質量，kg；λ為沖蝕顆粒與靶材硬度比；vp為沖蝕顆粒流速，m/s；dp為顆粒直徑，μm；f(α)為沖蝕角度函數；α為沖蝕角度，rad；A′為受沖蝕網格單元表面積，m2；Np為砂粒撞擊次數。

1.3 防砂篩管孔縫物理模型和流域網格劃分

深水充填防砂常用優質、星孔和繞絲3類配套篩管。星孔篩管和優質篩管通過金屬網布或金屬棉支撐礫石和防砂。繞絲篩管通過梯形繞絲間縫隙支撐礫石和防砂。構建金屬網布、繞絲的篩孔及篩縫模型單元，如圖1所示。

數值模擬時，將防砂層流域分為礫石環形區和篩管中心區，流域整體采用四面體網格進行網格劃分，如圖2所示。流場入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為自由流出口，離散相與碰撞壁面間邊界條件為彈性反彈。

圖1 不同類型篩管對應篩孔和篩縫物模單元Fig.1 Physical model unit of screen mesh and gap corresponded by different types of screens

圖2 礫石層和篩管內部流域模型Fig.2 Gravel layer and internal watershed model of screen

2 不同因素對篩管沖蝕規律分析

針對優質、星孔和繞絲等3類配套篩管，分析不同因素對3類篩管沖蝕的影響規律。表1為不同防砂篩管基本參數表。設定礫石層厚度為0，選定砂粒徑50 μm、單井產氣量配產40×104m3/d、出砂量3 kg/d為基礎參數；保持其中2個參數不變，各因素取值分別為產出砂粒徑0～250 μm、配產量(0～150)×104m3/d、出砂量0～8 kg/d。

表1 不同防砂篩管基本參數Table 1 Basic parameters of different sand control screens

假設井筒入流剖面均勻，攜砂氣流過外護罩孔眼后均勻流經金屬網布或繞絲的孔縫，入口流速和砂粒質量等初始和邊界條件依據篩管性能參數、模擬基礎參數等確定。開展沖蝕模擬，分別分析產出砂粒徑、配產量和出砂量等因素對3類篩管沖蝕影響規律，結果如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可知：模擬條件下3類篩管沖蝕速率隨產出砂粒徑增大先增大后對數減小，隨配產量呈二項式遞增，隨出砂量線性增大；相同條件下繞絲篩管的沖蝕率最小，優質篩管次之，星孔篩管最大。這主要是由于繞絲篩管的過流面積較大，而星孔篩管的過流面積最小，配產相同時繞絲篩管篩縫處氣體流速最低，星孔篩管篩孔處氣體流速最快，從而造成砂粒對不同篩管的沖蝕速率差異較大。此規律可作為篩管優選的一項重要依據。由于各類型篩管都具有其優勢和局限性，如繞絲篩管在下入水平井時易發生亂絲和損壞情況，星孔篩管整體強度較高等，根據實際情況綜合考慮各因素進行防砂篩管選型更為關鍵。

圖3 不同產出砂粒徑對3類篩管沖蝕速率影響規律Fig.3 Effect of different particle sizes of produced sand on erosion rates of 3 types of screens

圖4 不同配產量對3類篩管沖蝕速率影響規律Fig.4 Effect of different proration on erosion rates of 3 types of screens

圖5 不同出砂量對3類篩管沖蝕速率影響規律Fig.5 Effect of different sand influx on erosion rates of 3 types of screens

3 防砂篩管沖蝕規律及選型舉例

本文以南海深水A氣田4口探井轉生產井采氣防砂工藝為例，工藝參數見表2。基于篩管流域和篩孔篩縫模型，應用模擬方法，結合實際生產數據，開展了A氣田4口井可能選用的3種配套篩管沖蝕風險分析和選型。

假設井筒入流和過礫石層后流經金屬網布或繞絲的孔縫氣流均勻，依據表2中篩管過濾層參數，結合4口井產氣量、篩管段長及布孔數等數據，可計算出井筒入口流速。砂粒密度為2 500 kg/m3，硬度為25 HB，質量流量依據實際出砂量計算。篩管材料為不銹鋼，密度為7 950 kg/m3，硬度為180 HB。

表2 深水A氣田4口采氣井防砂工藝參數Table 2 Sand control process parameters of 4 gas production wells in A deep-water gas field

篩管沖蝕模擬流程如圖6所示。模擬迭代計算中，采用SIMPLE算法進行壓力與速度耦合，動量、湍動能和湍流耗散率的離散均采用二階迎風格式。5次氣流場迭代后，應用式(1)計算1次砂粒群軌跡，并依據砂粒新數據更新氣體控制方程，亞松弛法迭代計算至收斂(殘差值低于0.000 1)，獲得兩相流場分布；同時依據過流砂粒參數、數量、碰撞位置和角度等，結合式(2)得到孔縫處沖蝕磨損情況。

根據實際防砂篩管物理參數構建優質篩管、星孔篩管和繞絲篩管的整體和孔縫物理模型，劃分流域網格，進行篩管沖蝕數值模擬，得到篩管篩網孔縫處沖蝕云圖和沖蝕速率，結果如圖7、圖8、圖9及表3所示。圖7是4口生產井星孔篩管篩孔處沖蝕云圖。圖8是4口生產井優質篩管篩孔處沖蝕云圖。圖9是4口生產井繞絲篩管篩縫處沖蝕云圖。

圖6 篩管沖蝕數值模擬流程圖Fig.6 Flow chart for numerical simulation of screen erosion

由圖7、圖8和圖9可知:星孔篩管的沖蝕嚴重區域主要分布在篩孔上表面；優質篩管的沖蝕嚴重區域主要分布在篩孔內側；繞絲篩管的沖蝕嚴重區域主要分布在篩縫兩側。

深水A氣田4口井實際工況下3類篩管模擬計算沖蝕速率結果如表3所示。

圖7 4口生產井星孔篩管篩孔處沖蝕云圖Fig.7 Cloud chart for erosion at screen mesh of star-hole screen in 4 production wells

圖8 4口生產井優質篩管篩孔處沖蝕云圖Fig.8 Cloud chart for erosion at screen mesh of high quality screen in 4 production wells

圖9 4口生產井繞絲篩管篩縫處沖蝕云圖Fig.9 Cloud chart for erosion at screen gap of wire wrapped screen in 4 production wells

由表3可知，3種篩管沖蝕速率依次是星孔篩管>優質篩管>繞絲篩管；繞絲篩管沖蝕風險最低，但由于其不適用于海上深水水平井和大斜度井防砂，故推薦深水A氣田選擇礫石充填配套優質篩管防砂，能更好地保證防砂效果和可靠性。4口井防砂生產沖蝕實際監測結果與模擬結果相符，驗證了模擬結果的正確性。

表3 3類篩管沖蝕速率Table 3 Erosion rates of 3 types of screens

3 結論與建議

(1)優質、星孔和繞絲3類防砂篩管沖蝕速率影響規律分析結果表明：3類篩管沖蝕速率隨產出砂粒徑先增大后對數減小，隨配產量呈二項式遞增，隨出砂量線性增大；相同條件下繞絲篩管的沖蝕風險最低，優質篩管次之，星孔篩管最嚴重。

(2)南海深水A氣田3類篩管沖蝕風險分析結果表明，星孔篩管沖蝕嚴重區域主要分布在篩孔上表面，優質篩管沖蝕嚴重區域主要分布在篩孔內側，繞絲篩管沖蝕嚴重區域主要分布在篩縫兩側。

(3)南海深水A氣田3類篩管沖蝕速率計算結果表明，4口生產井3種篩管沖蝕速率介于3.60×10-8～6.12×10-7kg/(m2·s)之間，沖蝕風險程度為星孔篩管>優質篩管>繞絲篩管。結合3類篩管適用條件，南海深水A氣田選擇礫石充填配套優質篩管能更好地保證長效可靠性。

(4)防砂篩管沖蝕和選型是一個綜合性復雜問題，受諸多因素影響。文中結果基于井筒入流和砂粒分布攜帶均勻假設等條件下得出，未考慮局部堵塞和充填虧空等情況，建議進一步考慮堵塞影響開展相應研究。