DMFS型地面防砂裝置應用效果評價

楊 文，金高彥，劉學蕊，崔 東，王慶峰，任 磊，鄭 展，惠 玲

（中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，寧夏銀川 750006）

A、B、C井生產層位為盒8，該儲層是致密砂巖儲層，具有低孔隙度、低滲透率的特點。這三口井采用了水平井開發模式，并采用加砂壓裂工藝對儲層進行改造。

A井采用裸眼封隔器分段體積壓裂改造工藝分10段進行改造，累計入地砂量1 022.9 m3，壓裂砂為0.425~0.85 mm中密度陶粒812.8 m3、0.212~0.425 mm低密度陶粒210.1 m3。B井采用水力噴射分段壓裂改造工藝分6段進行改造，累計入地砂量223.4 m3，壓裂砂全部為0.425~0.85 mm中密度陶粒。C井采用水力噴射分段壓裂改造工藝分6段進行改造，累計入地砂量309.9 m3，壓裂砂全部為0.425~0.85 mm中密度陶粒。其中，B井和C井共用一條采氣管線接入集氣站生產。

該三口井采用高壓集氣流程，生產中出現不同程度出砂，高壓高流速氣體攜帶的砂礫對地面管線和設備具有極大的沖蝕作用。為此，在井口安裝了地面防砂裝置以保護地面管線及設備。

1 氣井出砂的影響因素

氣井出砂可分為地層出砂和裂縫出砂兩種類型。由巖層結構被破壞所引起的出砂稱為地層出砂，產出物質是脫落的巖石碎屑。由裂縫結構被破壞所引起的出砂稱為裂縫出砂，產出物質是氣層壓裂改造過程中所加的支撐劑，亦即壓裂砂。從地面設備和防砂裝置取出的砂樣判斷，這三口水平井出砂類型均為裂縫出砂。

圖1 A井砂樣

圖2 B、C井砂樣

1.1 壓裂工藝的影響

（1）液體粘度、返排速度的影響:返排速度和液體粘度的增大，會導致流體的流動阻力增大，由于液體與壓裂砂的相互作用，壓裂砂回流的動力也增大，更易引起支撐劑回流。

（2）氣液兩相流動的影響：液體的返排，氣、液流經孔隙喉道時將產生毛細管力，由于壓裂砂具有親水性，當接觸角大于90°時，毛細管力就成為流體阻力，但對壓裂砂而言，毛細管力卻表現為動力，易造成壓裂砂回流。

（3）裂縫閉合程度的影響：經過壓裂工藝所形成人工裂縫，它的閉合過程緩慢。若在裂縫未閉合的情況下開井排液，未膠結壓裂砂容易隨液體流出地層，造成出砂。

（4）壓裂砂強度不夠：若入地壓裂砂的強度達不到設計要求，當垂直裂縫的地層應力大于其抗壓強度時，壓裂砂易被擠碎，易被帶出裂縫。

1.2 生產制度的影響

（1）突然的開關井作業：氣井生產中，突然關井會在井筒中產生激動，突然開井會在井底形成過大的壓差，它們都可能破壞砂拱的穩定性，導致大量壓裂砂回流。

（2）氣井生產壓差過大：氣井生產壓差越大時，滲流速度就越高，裂縫中壓力梯度越大，流體對壓裂砂的沖刷力就越大，壓裂砂受力脫落，造成氣井出砂。

（3）氣井生產壓差建立過快：在突然建立壓差時，壓力波尚未迅速傳播出去，壓力分布曲線很陡，井壁周圍裂縫中的壓力梯度很大，裂縫結構易破壞，引起井底出砂；以緩慢的方式建立壓差時，壓力波可以逐漸傳播出去，井壁附近裂縫中壓力分布曲線比較平緩，壓力梯度較小，不致影響裂縫結構。

（4）井底流壓低：在地層壓力相對不變的情況下，井底壓力越低，裂縫內壓力梯度就越大，致使井筒附近裂縫里的填砂或砂拱更容易發生破壞，從而加劇支撐劑回流。

1.3 氣井出砂的危害

（1）造成氣井減產或關井停產。砂在井內沉積容易造成油管砂堵，使氣井產量降低，甚至使氣井停產。

（2）破壞地面管線及設備。A、B、C井自投產以來，累計造成加熱爐節流針閥損壞10個，分離器排污閘閥損壞2個，電動球閥閥座損壞4個。節流針閥至分離器的管線及分離器排污管線也因沖蝕破壞嚴重而全部進行更換。

（3）磨蝕井下管柱和工具。造成套管損壞，氣井報廢。

（4）給集氣站生產帶來安全隱患。天然氣生產是在高壓環境下進行的，氣井出砂極易引起采氣管線、設備損壞失靈，導致天然氣泄漏，造成硫化氫中毒、天然氣燃燒和爆炸等事故。

（5）影響氣井產能發揮。A、B、C井作為調峰氣井，配產較高，達 40×104m3/d。A 井設計配產 30×104m3/d，由于氣井大量出砂，導致長時間配產10×104m3/d生產，產能無法發揮。

2 地面防砂工藝

2.1 DMFS地面防砂裝置結構原理

地面防砂裝置由連接法蘭、前后立柱、輸氣通道、過濾裝置、儲砂筒組成，過濾裝置由中心割縫篩管、不銹鋼篩網、護套組成。攜帶砂礫的氣體從上部進入防砂裝置，顆粒狀砂礫阻擋在過濾裝置外，在流動氣體作用下進入防砂裝置下部儲砂筒，砂量到達一定容積后，關閉本裝置兩端閘閥，泄去裝置內壓力后，拆下儲砂筒兩端的堵頭清理砂礫。

2.2 地面防砂裝置現場應用

在現場應用中，將地面防砂裝置與井口原有采氣管線并聯安裝在采氣樹10#針閥后，氣井開井生產時，天然氣通過該裝置濾去砂礫后經單井管線接入集氣站生產。

表1 防砂工具參數

3 DMFS地面防砂裝置防砂效果

3.1 A井除砂情況

A井投產初期，頻繁進行調產作業，產量在20×104m3/d至30×104m3/d變化，調產時氣井采氣速度突然變化，從加熱爐節流針閥損壞時間看，往大調產時更容易造成出砂。

2013年1月24日該井產量先提至20×104m3/d、隨后又提至25×104m3/d，次日從地面防砂裝置儲砂筒中取出壓裂砂2 L。地面防砂裝置安裝使用后，該井加熱爐節流針閥損壞頻率大大減少了，從該井取砂情況看，最多一次取出壓裂砂2 L，防砂效果較好。

表2 A井地面防砂裝置除砂情況

表3 B、C井出砂情況統計表

3.2 B、C井除砂情況

B井、C井共用地面管線和防砂裝置，此兩口氣井自投產到2013年4月16日，兩口井各配產5×104m3/d生產，取砂作業時發現地面防砂裝置儲砂筒較為干凈，氣井出砂極少。4月17日，該井組加熱爐節流針閥內漏嚴重，當天更換加熱爐節流針閥時，發現閥體、閥芯損壞嚴重，并取出大量壓裂砂。當天在井口地面防砂裝置中取出壓裂砂4.5 L，20日取出壓裂砂0.5 L。防砂裝置一次攔截壓裂砂4.5 L，防砂效果較好。

3.3 DMFS地面防砂裝置的不足

在清砂作業時，需關閉防砂裝置兩端閘閥，然后打開旁通閘閥，將防砂裝置泄壓，拆開儲砂筒堵頭后開始清砂，頻繁清砂工作量大。為防止砂礫不經防砂裝置而被帶入集氣站設備，再打開旁通閘閥時，需站內關井或直接關井口，影響開井時率。該裝置儲砂筒容積5.4 L，B、C井在突然大量出砂時，防砂裝置攔截砂礫4.5 L，儲砂筒已經快堆積滿，篩管也已變形，部分砂礫仍被帶入站內設備。另外，從井筒帶出的臟物易堵塞篩網，造成防砂裝置節流，冬季易造成地面管線凍堵。

3.4 與旋流式防砂裝置的比較

A、B井在試采時，井口各安裝了一套旋流式除砂裝置。該裝置的原理是將流體沿切線方向引入到錐形分離筒內，重力作用將砂礫推向錐體的表面，并且向下運動到下部儲砂筒。分離筒與儲砂筒中間有一道閘閥，在清砂作業時，只需將該閥門關閉，然后儲砂筒泄壓即可清砂，氣井可照常生產。和之前使用的防砂裝置相比，清砂作業工作量減小了，也不需要站內配合關井或關井口，如此可不影響氣井開井時率。

4 結論及建議

（1）防砂裝置安裝使用后，閥門損壞的情況大大減少了，該裝置較好地保護了地面管線和設備。但在氣井大量出砂時，DMFS地面防砂裝置攔截砂礫的能力有限。

（2）從減輕清砂作業工作量和保障氣井開井時率的角度，建議安裝旋流式防砂裝置。

（3）對于采用壓裂工藝改造、并采用高壓集氣流程的氣井，建議開井前就安裝防砂裝置，以保障生產安全。

（4）對于壓裂改造的氣井，確定配產時建議先計算出臨界攜砂流量，結合無阻流量綜合考慮。

（5）A井長時間配產10×104m3/d生產時，未出砂。試采后配產12×104m3/d生產時，也未出砂。建議該井繼續提產，探索該井不出砂的臨界產量。

[1]邵春.旋流除砂器的改進及其試驗效果[J].煤田地質與勘探，2006，34（5）：71-72.