苏里格气田上古气井防砂措施研究

2018-03-06张城玮梁海鹏

天然气技术与经济 2018年1期

李波张城玮梁海鹏

（成都理工大学能源学院，四川成都 610059）

0 引言

以水力压裂为核心的储层改造技术在苏里格气田开发过程中得到大范围应用。但在压裂液返排及采气过程中，常常出现压裂井出砂现象。出砂不仅造成管线、阀门及设备的损坏，给安全生产带来重大隐患，同时也严重影响了气井生产效率。如果不能及早地控制出砂量，可能会造成油气层砂埋、油管砂堵、地面管线及天然气集气站内设备刺漏等严重后果。因此，在天然气生产过程中必须采取有效的气井防砂措施［1］。

1 气井出砂机理

气井出砂是投产初期的一种常见现象，主要可分为地层出砂和裂缝出砂。地层出砂产出物主要是脱落的岩石碎屑，裂缝出砂产出物主要是气藏压裂改造过程中所加的支撑剂。苏里格气田上古气井出砂均为支撑剂回流，即裂缝出砂。

在水力压裂中采用石英砂或陶粒做支撑剂，压裂后支撑剂随携砂液进入人工裂缝并充填其中，从而达到提高裂缝导流能力的目的。当裂缝中的压力梯度过大或产出流体对支撑剂的拖曳力过大时，会导致支撑剂克服裂缝对其压实力作用和支撑剂之间的摩擦力作用而随流体从裂缝中流出，即气井出砂［2-4］。

2 苏里格气田上古气井防砂措施

针对苏里格气田上古气井出砂问题，主要解决方法是在生产过程中优化气井配产制度，控制开井速度，结合井口加热排砂、井下防砂工艺等辅助手段，尽可能减少气井出砂带来的危害，同时在新井投产时使用气井出砂含量监测技术，监测气井出砂量，以便及时对出砂量高的气井采取防砂措施。

2.1 优化气井配产

考虑气井配产与携砂的关系，若配产大于井筒临界携砂流量，大量支撑剂将被返排出地层并被气体带出井筒，造成气井出砂。因此，必须对气井进行合理配产，防止气井出砂。苏里格气田上古气井在生产过程中，通过计算井筒临界携砂流量（式1）并控制配产小于井筒临界携砂流量，有效防止了气井出砂。

式中，Qgf为井筒临界携砂流量，104m3／d；ut为静止流体中的砂粒沉降速度，m／s；A为油管截面积，m2；Zsc为标准状态下的压缩因子，Zsc＝1；Tsc为标准状况下的温度，Tsc＝293 K；Psc为标准状况下的压力，Psc＝0.101 MPa；P为井底流压，MPa；Z为井底流压及温度下的压缩系数，无量纲；T为井底气流温度，K；D为井筒内径，m；Vgf为在紊流状态下的临界携砂流速，m／s；Dp为砂粒直径，m；g为重力加速度；ρc为砂粒密度，kg／m3；ρg为天然气密度，kg／m3；▽p为井筒中的压力梯度，MPa／m；Cd为拖曳力系数，无量纲。

2.2 控制开井速度

在气井开井作业过程中，如果开井速度过快，会产生较大的瞬时生产压差，当该瞬时生产压差大于气井临界出砂生产压差时，会导致气井出砂，为了避免这种现象的发生，苏里格气田要求操作员工开井时按照操作规程进行缓慢操作，控制开井速度。根据生产经验，苏里格气田某作业区逐步摸索探索出了适用于该作业区气井的最短开井时间（表1）。从2014年至今，在生产实践中按时间要求控制开井速度后，气井的瞬时生产压差被控制在合理范围内，气井出砂现象明显减少。

表1 苏里格气田某作业区开井速度控制表

2.3 采取气井防砂工艺措施

限制气井配产、控制气井开井速度的办法，在控制气井出砂量的同时，也大大影响了气井产能的发挥，导致井区调产余地变小，在冬季供气高峰期控制气井出砂与发挥气井产能的矛盾更加突出。为了充分发挥上古气井在冬季供气高峰期的调峰作用，同时减小气井出砂对下游管网设备造成的冲蚀伤害，苏里格气田采取了气井防砂工艺措施。

2.3.1 井口加热排砂

井口加热排砂的原理是利用除砂器强制改变携砂天然气的流向，使携砂天然气由直线形流动转变为螺旋形流动，携砂天然气产生旋转流场后，在离心力及重力的联合作用下，相对密度较大的砂粒等其他杂质向下沉降并流向沉砂筒，从而达到在井口除砂的同时保证高产气井有效发挥产能的目的。

苏里格气田井口加热排砂技术采用“除砂＋加热＋节流＋三相分离＋计量＋低压输送”的地面建设工艺模式。该工艺的具体流程为：天然气从井筒产出，经过除砂装置将携带的支撑剂去除，通过加热炉加热后进入三相分离器，使天然气携带的液体得到沉降分离，三相分离器将天然气中分离出的液体排入污水罐，由污水车运出井场进行处理，分离后的天然气经过计量装置后通过采气管线输向集气站；当井口没有污水罐时，直接将三相分离器的排污流程接入采气管线，三相分离器分离出的液体与天然气混合后输向集气站（图1）。

图1 苏里格气田井口加热排砂生产模式流程图

2.3.2 井下防砂

苏里格气田上古丛式井开发采用上古中压集气模式，通过在气井井筒下入节流器实现降压，利用地温补偿节流温降损失。但当气井出砂时，会出现砂粒刺坏节流器气嘴及砂埋节流器等情况，苏里格气田目前主要采用在节流器气流入口处增设防砂网的措施来解决这个问题。实践证明，在节流器气流入口处增设防砂网能够有效降低砂粒刺坏节流器气嘴及砂埋节流器的发生频率。

2.4 使用气井出砂含量监测技术

对于新投产气井，为判断其是否出砂以及出砂量的多少，以便对出砂量高的气井及时采取防砂措施，苏里格气田主要采用气井出砂含量监测技术对气井出砂量进行实时监测。该技术通过砂含量监测仪来实现，其工作原理为：高速流动的砂粒撞击管线内壁将产生高频率的超声波信号，通过管壁传播，传感器监测到超声波信号后将其转换成电信号输出处理，最后经过软件系统模拟计算，给出砂粒总影响率、撞击率及砂粒质量等。

苏里格气田某作业区于2016年3月16日18时使用砂含量监测仪对一口新投产气井进行了46 h的出砂监测，传感器安装在除砂器上游入口处，监测出砂量总共为4 246 g（图2），除砂器排出砂称重为4 560 g。可以看出两种方式测量得到的气井出砂量相差不大，砂含量监测仪准确率在90%以上。