氣井井下防砂工作筒沖蝕性能研究

摘要：為降低氣井壓裂后出砂對生產(chǎn)管柱及地面設(shè)備造成的危害，延長氣井生產(chǎn)管柱使用壽命，提高生產(chǎn)安全性，研發(fā)了氣井井下防砂工藝技術(shù)。研制的工作筒作為防砂篩管井下定位的關(guān)鍵部件，在壓裂過程中受高速支撐劑顆粒沖蝕作用而磨損，其定位可靠性存在風(fēng)險。為研究工作筒的沖蝕規(guī)律，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對工作筒在不同排量、砂比、粒徑條件下的沖蝕情況進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：支撐劑對工作筒的沖蝕磨損主要發(fā)生在筒內(nèi)變徑區(qū)域；隨著施工排量的增加，工作筒的沖蝕速率隨之增加，且成近似指數(shù)關(guān)系；在施工排量及砂比一定的條件下，顆粒直徑變大，沖蝕磨損呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。分析結(jié)果可為防砂工作筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：井下防砂；工作筒；沖蝕磨損；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TE934文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.02.003

Study on Erosion Performance of Downhole Sand Control Working Cylinder in Gas Wells

XING Junjie1，2

（1.Production Engineering amp; Research Institute， Daqing Oilfield ， Daqing 163453，China；2.Heilongjiang

Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Stimulation， Daqing163453，China）

Abstract：In order to reduce the harms caused by sand production after fracturing to production string and ground equipment， prolong the service life of production string and improve production safety， Daqing oilfield has developed the downhole sand control technology of gas wells. As the key component of the downhole positioning mechanism of the sand control screen， the working cylinder developed by the technology is eroded by high-speed proppant particles during the fracturing process， and its positioning reliability is at risk. In order to study the erosion law of the working cylinder， the numerical simulation software was used to analyze the erosion situation of the working cylinder under different displacements， sand ratios and particle sizes. The research results show that the erosion wear of the working cylinder mainly occurs in the internal diameter changing area. With the increase of the construction displacement， the erosion rate of the working cylinder increases with an approximate exponential characteristic. Under the condition of certain construction displacement and sand ratio， the particle diameter becomes larger， and erosion wear tends to increase first and then decrease. The analysis results provide a theoretical basis for optimization design of the working cylinder structure.

Key words：downhole sand control；working cylinder；erosion wear；numerical simulation；optimizing design

大慶油田深層火山巖氣藏的巖性及構(gòu)造復(fù)雜，儲層低孔、低滲，非均質(zhì)性強(qiáng)，單井產(chǎn)能低，需通過壓裂實現(xiàn)有效開發(fā)。部分氣井壓裂后，在試氣或生產(chǎn)過程中有不同程度的出砂現(xiàn)象，且出砂井比例有逐年上升的趨勢。出砂會增加天然氣的處理難度，加快磨損井下管柱、工具和地面設(shè)備，造成氣井減產(chǎn)甚至停產(chǎn)［1-2］。為降低出砂對井下及地面管線設(shè)備運(yùn)行造成的危害，實現(xiàn)氣井高效、安全平穩(wěn)生產(chǎn)，大慶油田自主研發(fā)了氣井井下防砂工藝技術(shù)。該技術(shù)通過鋼絲作業(yè)或油管攜帶的方式，將防砂篩管及其配套工具坐落在預(yù)先隨壓裂完井一體化管柱下入井下的防砂工作筒內(nèi)，利用篩管阻擋砂粒進(jìn)入油管，從而實現(xiàn)防砂［3］。該技術(shù)中研制的防砂器采用預(yù)置式結(jié)構(gòu)，主要依靠防砂器鎖塊與防砂工作筒配合實現(xiàn)可靠錨定。但是，防砂工作筒內(nèi)部定位結(jié)構(gòu)在壓裂施工過程中會受到高速支撐劑沖蝕，影響后期防砂器投送過程的定位效果，甚至可能出現(xiàn)定位失效。定位失效會導(dǎo)致防砂器落入井內(nèi)管柱下部縮徑處，給生產(chǎn)帶來一定的安全隱患，因此，有必要對防砂工作筒易沖蝕位置及沖蝕程度進(jìn)行分析。

本文采用ANSYS軟件中的CFD方法［4-5］，研究防砂工作筒在不同排量、砂比、粒徑條件下的沖蝕規(guī)律，并借助分析結(jié)果對防砂工作筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升井下防砂器的定位可靠性，同時為同類型定位結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1氣井井下防砂工藝

目前，壓裂完井一體化工藝是大慶徐深氣田深層氣井壓裂的主體工藝，壓裂后直接完井，可有效避免儲層污染［6］。大慶油田自主研制防砂工具，結(jié)合壓裂完井一體化工藝管柱，形成了井下預(yù)置式防砂工藝技術(shù)，在壓裂后不更換管柱的情況下實現(xiàn)井下防砂，工藝原理如圖1所示。預(yù)置式防砂工藝應(yīng)用的防砂工具主要包括防砂器和防砂工作筒。防砂器包括懸掛器和防砂篩管，懸掛器起錨定懸掛作用，防砂篩管實現(xiàn)過濾防砂功能［7］。現(xiàn)場應(yīng)用時，防砂工作筒隨壓裂管柱一起下入井內(nèi)，壓裂后根據(jù)出砂砂粒直徑確定防砂篩管規(guī)格，然后采用鋼絲或油管投送防砂器至對應(yīng)的防砂工作筒內(nèi)。生產(chǎn)過程中，氣流攜帶地層砂或壓裂砂到篩管外緣，直徑大于篩管孔眼的砂粒無法進(jìn)入油管內(nèi)，從而實現(xiàn)擋砂，篩管擋砂精度可由布縫寬度參數(shù)進(jìn)行控制［8-9］。

井下預(yù)置式防砂工藝技術(shù)在大慶徐深氣田取得了良好應(yīng)用效果，工藝具有施工簡單，不污染儲層的特點，降低了施工費(fèi)用，同時保證了氣井防砂后可以充分發(fā)揮產(chǎn)能，減少了氣井出砂帶來的地面集輸系統(tǒng)生產(chǎn)風(fēng)險，滿足氣田高峰生產(chǎn)需求和開發(fā)壓力控制需求［10］。

2防砂工作筒沖蝕模擬分析

2.1沖蝕幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

防砂工作筒是預(yù)置式防砂器在井下定位的關(guān)鍵部件，其與防砂器鎖塊配合定位方式如圖2所示。預(yù)置式防砂器隨鋼絲下入到工作筒內(nèi)部后，在振擊器的作用下，鎖塊進(jìn)入防砂工作筒定位槽內(nèi)，定位槽兩端倒角與鎖塊倒角貼合，從而限制防砂器上下移動，實現(xiàn)可靠錨定。

本文研究的防砂工作筒結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸如圖3所示。工作筒左入口與出口直徑均為50 mm，防砂工作筒內(nèi)部定位槽兩側(cè)倒角角度相同。

根據(jù)防砂工作筒結(jié)構(gòu)尺寸，建立流場域幾何模型。幾何模型劃分過程應(yīng)用六面體網(wǎng)格，同時對模型外壁附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，使防砂工作筒內(nèi)部流動情況能夠分析的更為準(zhǔn)確。防砂工作筒網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

2.2沖蝕計算模型與邊界條件設(shè)置

防砂工作筒內(nèi)部存在突擴(kuò)突縮的結(jié)構(gòu)。由于流場在該結(jié)構(gòu)區(qū)域的變化較大，為保證模擬結(jié)果更為精確，本文中湍流模型選用能較為準(zhǔn)確反映突擴(kuò)突縮結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場的RNG k-ε模型［11-12］。液固兩相流采用能夠清楚追蹤顆粒運(yùn)動細(xì)節(jié)的離散相模型DPM（Discrete Phase Model）［13］進(jìn)行模擬，并采用FLUENT軟件中定義的沖蝕模型［14-16］來模擬防砂工作筒內(nèi)壁與固體顆粒碰撞沖擊產(chǎn)生的磨損情況。

2.3邊界條件設(shè)置

設(shè)置入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為自由出口；壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；顆粒在入口與出口的邊界條件為逃逸，壁面邊界條件設(shè)置為反射。

模擬過程選取的流體介質(zhì)攜砂排量計算數(shù)據(jù)為1.0～6.0 m3/min，含砂比體積分?jǐn)?shù)計算數(shù)據(jù)為5％～35％；顆粒為球形陶粒，密度為1 750 kg/m3，粒徑計算數(shù)據(jù)為0.25～0.85 mm。

3沖蝕模擬結(jié)果分析

3.1防砂工作筒速度場分析

圖5為防砂工作筒速度流線云圖。從圖5可以看出，在防砂工作筒內(nèi)部的流體速度較大，壁面區(qū)域在黏性力的作用下速度相對較小；在定位槽內(nèi)部區(qū)域，流場方向發(fā)生改變，流體在槽內(nèi)形成漩渦流動，流速有明顯降低；在防砂工作筒內(nèi)部縮徑區(qū)域，流動截面減小導(dǎo)致流體加速流動，流體向中心區(qū)域集中。流速增加使顆粒與壁面碰撞的能量增大，導(dǎo)致縮徑區(qū)域即倒角位置的沖蝕較為嚴(yán)重。

3.2入口排量對沖蝕速率的影響

為分析入口排量對防砂工作筒的沖蝕作用，在粒徑0.6 mm，砂比20%和30%條件下，根據(jù)實際施工排量選取1、2、3、4、5、6 m3/min共6組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，模擬分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在不同砂比條件下，隨著入口排量的增加，最大沖蝕速率和平均沖蝕速率都隨之增大，且排量越大，增加的幅度越快。在排量1～6 m3/min，沖蝕磨損速率呈近似指數(shù)增大。沖蝕速率增加的原因在于：流體流速會隨著入口排量的增加而增大，進(jìn)而使流體中的顆粒運(yùn)動速度增大，壁面與顆粒撞擊時產(chǎn)生的沖擊能量也會隨之增加，沖蝕也就越嚴(yán)重。同時，由于顆粒的沖蝕速率與顆粒流速呈指數(shù)倍關(guān)系，顆粒流速越大，沖蝕速率增長的越快。

3.3砂比對沖蝕速率的影響

為分析沖蝕速率與砂比之間的關(guān)系，在粒徑為0.6 mm，入口排量為2 m3/min和4 m3/min的條件下，共選取7組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，砂比分別是5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%，模擬分析結(jié)果如圖7所示。

對圖7分析可知，在不同入口排量條件下，隨著砂比的增加，最大沖蝕速率和平均沖蝕速率也隨之增大。這是因為在入口排量不變的情況下，砂比越高，顆粒在單位體積壓裂液中的數(shù)量也就越多。單位時間內(nèi)，壁面受到顆粒撞擊的次數(shù)也就越多，沖蝕速率也就越大。

3.4顆粒直徑對沖蝕速率的影響

在砂比10%，入口排量為1 m3/min和2 m3/min條件下，結(jié)合壓裂作業(yè)施工參數(shù)，選擇20 ～60目的支撐劑陶粒作為試驗對象，共選取7組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，粒徑分別是0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75、0.85 mm，模擬分析結(jié)果如圖8～9所示。

從圖8～9可以看出，隨著粒徑的增加，工作筒的最大沖蝕速率和平均沖蝕速率均會先升高后降低。其原因是在壓裂液砂比和排量為定值的情況下，當(dāng)支撐劑粒徑較小時，流體攜帶顆粒運(yùn)動的能力較強(qiáng)，顆粒的速度較高。隨著粒徑增加，支撐劑粒子的沖擊動能增大，對工作筒壁面材料的沖擊更為嚴(yán)重，導(dǎo)致沖蝕速率增加；當(dāng)粒徑增加到一定范圍后，粒徑對流體攜砂能力影響較大，顆粒沖擊壁面的速度降低，單位面積上碰撞的粒子數(shù)也有所減少。同時，顆粒間的碰撞機(jī)率增加，顆粒因碰撞損失的能量也隨之增大，因此導(dǎo)致沖蝕速率降低。

4優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)以上模擬分析結(jié)果，對防砂工作筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在工具表面處理方面，對防砂工作筒沖蝕嚴(yán)重區(qū)域采用抗沖蝕磨損涂層防護(hù)，即碳化鎢噴涂［17-18］，提高防砂工作筒內(nèi)表面硬度和抗沖蝕性能。

在工具結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，在防砂工作筒中心通道尺寸滿足工具通過性要求的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減小內(nèi)孔直徑，增加壁厚，提升防砂工作筒耐沖蝕裕量。同時，對沖蝕比較嚴(yán)重的倒角位置進(jìn)行優(yōu)化，分析倒角分別在20、25、30、40、45、50、60、70°時的沖蝕情況，獲得了不同倒角下的沖蝕速率云圖以及倒角對沖蝕速率的影響關(guān)系曲線，其中倒角為30、45、60°時的沖蝕速率云圖如圖10所示，不同倒角角度對沖蝕速率的影響關(guān)系曲線如圖11所示。

由圖10可知，不同倒角下，防砂工作筒嚴(yán)重沖蝕磨損區(qū)域均在倒角位置。分析圖11可知，隨著倒角角度的增加，防砂工作筒沖蝕速率在角度達(dá)到30°前呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，在30°達(dá)到?jīng)_蝕速率最高值后迅速下降，角度達(dá)到45°后下降速度逐漸減小。在倒角大于30°的情況下，增大倒角有利于降低沖蝕磨損，但是倒角過大不利于投撈防砂器時鎖塊進(jìn)出定位槽。由于倒角大于50°后沖蝕速率值相對較小且比較接近，因此，綜合考慮沖蝕速率、定位效果以及加工難易程度等因素，優(yōu)化防砂工作筒定位槽倒角為60°。

5現(xiàn)場試驗

截至2021-12，氣井井下防砂工藝在大慶徐深氣田現(xiàn)場試驗8口井，工藝成功率100%。其中徐深A(yù)井為直井，壓裂前通過壓裂完井管柱將防砂工作筒下入到井內(nèi)預(yù)定位置。該井壓裂2層，最高施工排量4.2 m3/min，最高砂比20%，共加入30～70目常規(guī)陶粒115 m3。壓裂后，該井在試氣過程存在出砂現(xiàn)象，隨后利用鋼絲將防砂器下入井內(nèi)，防砂器準(zhǔn)確坐落在工作筒內(nèi)，驗證了防砂工具配合定位性能可靠，可以滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需要。應(yīng)用井下防砂工藝措施后，該井井口未發(fā)現(xiàn)砂粒，目前工藝有效期已達(dá)3 a，取得了良好的應(yīng)用效果。

6結(jié)論

1）高速支撐劑顆粒對防砂工作筒的沖蝕主要集中在內(nèi)部變徑區(qū)域，其中內(nèi)部縮徑倒角位置沖蝕磨損程度最高。

2）防砂工作筒沖蝕速率隨著入口排量、砂比增加而升高，沖蝕速率與入口排量呈近似指數(shù)倍關(guān)系；隨著粒徑增加，沖蝕速率先升高后降低，在粒徑為0.45 mm時沖蝕最為嚴(yán)重。

3）隨著防砂工作筒內(nèi)部倒角角度增加，沖蝕速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在倒角為30°時沖蝕速率最大。

4）利用分析結(jié)果對定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化防砂工作筒內(nèi)部倒角為60°，提高了工具定位結(jié)構(gòu)耐沖蝕能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊麗夢，劉雪霏，張煒.高壓高產(chǎn)氣井出砂治理工藝技術(shù)研究［J］.油氣田地面工程，2021，40（10）：93-96.

［2］張振.氣井防砂工藝技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2021，47（8）：82-83.

［3］葛玉波.深層氣井壓裂后防砂工藝技術(shù)應(yīng)用研究［J］.中國設(shè)備工程，2019（19）：187-189.

［4］莫麗，劉棲，許先雨.基于CFD數(shù)值模擬的異面三通管沖蝕磨損規(guī)律研究［J］.潤滑與密封，2022，47（8）：41-46.

［5］周大鵬，馬學(xué)東，陳燕.基于CFD-DEM耦合幾形管沖蝕磨損的模擬分析［J］.石油機(jī)械，2022，50（7）：136-142.

［6］許永權(quán)，費(fèi)璇，王鵬，等.徐深氣田壓裂完井一體化技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.采油工程，2021（2）：63-67.

［7］翟曉鵬，孟文波，孔祥吉，等.用離散顆粒流數(shù)值模擬方法預(yù)測氣井金屬網(wǎng)布篩管沖蝕壽命［J］.石油鉆采工藝，2020，42（5）：668-672.

［8］劉炳森，李巖，喬鵬，等.蘇里格南氣田生產(chǎn)期防砂工藝應(yīng)用研究［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2017，33（9）：27-29.

［9］王永昌.大慶致密油儲層壓裂滲吸增產(chǎn)表面活性劑研制及性能評價［J/OL］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)：1-7［2022-10-11］.DOI：10.19597/j.issn.1000-3754.202109004.

［10］劉言理.水平井一趟管柱沖防砂完井工藝技術(shù)研究［J］.價值工程，2018，37（24）：129-130.

［11］馮留海，王江云，毛羽，等.突擴(kuò)突縮管內(nèi)液-固沖蝕的數(shù)值模擬［J］.石油學(xué)報，2014，30（6）：1080-1085.

［12］何興建，李翔，李軍.不同工況下異徑管沖蝕磨損數(shù)值模擬研究［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2015，36（3）：29-32.

［13］劉少胡，廖明，吳晗，等.楔形防砂閥沖蝕數(shù)值模擬研究［J］.長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，13（31）：46-49.

［14］彭文山.含固體顆粒多相流彎管沖蝕機(jī)理研究［D］.青島：中國石油大學(xué)（華東），2017.

［15］劉鳴，張川，蔣發(fā)光，等.基于流場分析的壓裂四通管匯沖蝕預(yù)測［J］.石油礦場機(jī)械，2020，49（2）：21-26.

［16］何晨，毛霖，楊仲卿，等.逆流噴淋濃縮塔中霧化參數(shù)對脫硫廢水液滴群流動與蒸發(fā)特性的影響［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2022，42（7）：2588-2597.

［17］詹華，李振東，汪瑞軍，等.硬質(zhì)涂層抗噴砂型沖蝕磨損研究現(xiàn)狀［J］.熱噴涂技術(shù)，2021，13（4）：1-6.

［18］陳昌隆，趙宜妮，李玉閣.液體高速沖蝕與防護(hù)涂層研究現(xiàn)狀［J］.材料導(dǎo)報，2021，35（S2）：361-366.