高壓高產(chǎn)氣井出砂治理工藝技術(shù)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(nèi)很多氣田是一種普遍現(xiàn)象，徐深氣田自深層氣井開發(fā)后，出砂問題逐漸嚴重。氣井井筒內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)造成較大安全風(fēng)險，因此需采取有效的技術(shù)措施實現(xiàn)防砂、控砂。

1 建設(shè)現(xiàn)狀及存在的問題

徐深氣田目前以水平井開發(fā)為主，為了提高單井開發(fā)效益，均采用千方砂、萬方液的壓裂工藝。此類氣井投產(chǎn)后普遍存在出砂問題[1]，對地面節(jié)流工藝造成損傷，導(dǎo)致閥門嚴重內(nèi)漏。在早期產(chǎn)能建設(shè)中，部分壓裂投產(chǎn)井井筒下入防砂篩網(wǎng)，采氣樹設(shè)置簡易除砂器[2]。

徐深氣田地面工藝流程為井口一次節(jié)流→多井進站換熱二次節(jié)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(jié)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(nèi)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(xiàn)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(jié)構(gòu)示意圖及現(xiàn)場安裝照片見圖1。

圖1 簡易除砂器結(jié)構(gòu)示意圖及安裝照片F(xiàn)ig.1 Structure diagram and installation photo of simple desander

根據(jù)除砂器卸砂量發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）隨著產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量增加，出砂量增加；產(chǎn)量較小時，若開、關(guān)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(chǎn)氣井建設(shè)初期未安裝簡易除砂器，氣井投產(chǎn)1 h 內(nèi)出現(xiàn)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(jié)流閥處損壞明顯。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，井下防砂與簡易除砂器對于產(chǎn)量小、開井壓力與關(guān)井壓力差小的氣井具備一定防砂能力，但對于產(chǎn)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(yīng)用情況進行統(tǒng)計，具體運行參數(shù)見表1。

表1 簡易除砂器運行情況統(tǒng)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(chǎn)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(yīng)用了新型橇裝除砂工藝。該井壓裂段數(shù)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(jīng)計算合理產(chǎn)氣量為13×104m3/d、產(chǎn)水量7 m3/d、井口壓力18 MPa，具體開發(fā)參數(shù)、氣質(zhì)組分及水質(zhì)情況見表2～表4。

表2 氣井X 開發(fā)參數(shù)Tab.2 Development parameters of Gas Well X

表3 氣井X 氣質(zhì)參數(shù)Tab.3 Gas quality parameters of Gas Well X 體積分數(shù)/%

表4 氣井X 水質(zhì)參數(shù)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(chǎn)氣量、產(chǎn)水量較高，在除砂工藝中設(shè)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(shè)備包括除砂筒、集砂筒、液位計、聯(lián)鎖排液控制等。除砂過程為在除砂筒內(nèi)完成兩級除砂工作：第一級，氣質(zhì)流體在一定壓力下從除砂器進口以切向進入設(shè)備后，產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)運動，由于各種介質(zhì)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(shè)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(wǎng)，過濾分離進一步除砂[6-7]。

圖2 除砂筒內(nèi)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(chǎn)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(jié)流降壓后的天然氣管道，氣液混輸回集氣站，井場不用設(shè)置污水罐，無需車運污水。

（4）反沖洗流程。關(guān)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(guān)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(nèi)部結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

為增大除砂筒除砂能力，對筒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計[8-9]，在天然氣進口增加旋流導(dǎo)流件，使氣、砂、液旋流分離；在天然氣出口前增加過濾網(wǎng)，攔截粒徑大于50 μm 砂粒；在除砂筒下部設(shè)置防擾動網(wǎng)，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(wǎng)。考慮到試驗井X 產(chǎn)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(nèi)壁采用防腐材質(zhì)作為內(nèi)襯，同時考慮到壓裂砂硬度較高，采用16MnIV 鍛鋼內(nèi)襯合金鋼，旋流導(dǎo)流件、過濾網(wǎng)、防擾動網(wǎng)均采用硬質(zhì)合金材質(zhì)，連接件及快開盲板采用304 鋼材質(zhì)；集砂筒采用16Mn材質(zhì)鍛造[10]。除砂工藝所有設(shè)備均成橇設(shè)計[11]，方便氣井除砂量變化后，靈活調(diào)整到其他高壓、高產(chǎn)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(chǎn)13×104m3/d 生產(chǎn)2 天后，節(jié)流閥門受損嚴重。為了防止砂害，對產(chǎn)氣量進行限制，經(jīng)過生產(chǎn)摸索，試驗井產(chǎn)氣量需控制在8×104m3/d。該井安裝新型除砂器后，產(chǎn)氣量從8×104m3/d 逐步提產(chǎn)，投產(chǎn)前期為每日排砂，砂量穩(wěn)定后為每周排砂，平均周除砂量為150～330 g，當(dāng)產(chǎn)氣量提高至13.5×104m3/d時，下游工藝未發(fā)現(xiàn)出砂及工藝損壞問題。氣井X生產(chǎn)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(jié)論

（1）壓裂投產(chǎn)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(chǎn)氣量、產(chǎn)水量較少的氣井，以及開、關(guān)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(chǎn)可控制出砂量。

（3）低壓、低產(chǎn)氣井可通過簡易除砂器除砂；高壓、高產(chǎn)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(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)及局部工藝材質(zhì)，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(wěn)定，可恢復(fù)原計劃配產(chǎn)。