適度防砂井采油樹沖蝕作用的分析與認識

萬禧煌，汪本武，張紹廣，任大明，許明亮，張彥鑫

（中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300450）

渤海灣砂巖淺層油藏儲層厚度大、層數多，大多數膠結疏松高滲，滲透率高，易出砂[1-2]，目前其實際開發中的完井策略主要采用礫石充填等適度防砂方式[3]。該方式一方面能形成油井的較高生產壓差，造成高誘導應力以促進油井的產能釋放[4-5]；另一方面在開采過程中，不同粒徑的油層砂隨著地下原油運移，能在近井地帶形成“蚯蚓洞”，疏通滲流通道，提高近井地帶的滲透率[6-7]。隨著海上油田的規模開發和適度防砂技術的廣泛應用，一旦單井地層應力超過地層強度，會導致地層砂粒伴隨著油氣水一起產生固相運移[8]，最終被攜帶至地面造成采油樹通道內壁磨損。由于油氣開采是一個連續的過程，因此，伴隨著日常生產砂粒會持續對井口裝置內壁進行沖蝕，逐漸導致采油樹本體形成溝槽、減薄等問題，長期會危害到油氣田安全生產管理。

1 渤海油田采油樹簡介

渤海油田采油樹主要作用是控制生產，并為井口鋼絲作業、生產測壓作業、生產測井作業、井口取樣、井口壓力傳感器、溫度傳感器等提供條件，其基本構件是由生產主閥、清蠟閥、翼閥、油管四通或三通、以及節流閥等眾多部件連接而成。按照結構分類，一般分為整體式和分體式。整體式采油樹是將主閥、安全閥、清蠟閥和翼閥等制成一個整體部件，閥與閥之間的距離較小，既省空間又耐高壓，因此渤海油田多為整體式采油樹[9-11]（圖1）。

圖 1 整體式采油樹及生產流體通道方向示意圖Fig. 1 Diagram of unitized solid-block tree and production channel direction

2 采油樹沖蝕模型

由于采油樹本體結構凹凸變化，建立不規則的三維幾何實際模型十分復雜，為了便于分析研究，通常需要對不規則棱角進行簡化處理。

2.1 控制方程

海上油田整體采油樹在實際生產過程中，油氣水混合物從井筒流出地面可視為是一個連續的過程，在技術分析及數值計算中，我們將近壁區域視為標準壁面函數處理，可以通過求解雷諾平均方程，結合湍流模型來進行。

通常流體定常流動，可得到基于質量守恒的連續方程[12]：

標準k-ε模型方程：

式中：ρ為流體密度，g/cm3；xi、 xj、xk分別為x、y、z坐標；U為流體速度，m/s；ui、 uj、uk分別為絕對速度分量u、υ、ω， m/s；∈為湍流耗散率；k為湍流動能，J；t為時間，s；μt為湍流渦旋黏性系數；C1∈、 C2∈、 σk、σ∈均 為常數，C1∈=1.44，C2∈= 1.92，σ∈= 1.30，σk=1.00。

2.2 幾何模型建立及網格劃分

在油井正常生產過程中，采油樹的主閥、清蠟閥及生產翼閥處于常開狀態，服務翼閥處于常關狀態。因此，可將采油樹法蘭盤連接段內流域模型簡化為光滑過度曲面，并根據生產中流體流動方向及通道情況進行沖蝕速率分析，建立相應CFD幾何模型(圖2)。在計算流體力學分析中，將結合采油樹結構采取非均勻結構化劃分技術進行網格劃分。由于一些物理參數在邊界層處的梯度變化很大，為了精確描述這些參數，可將邊界層處的網格密度較其他地方劃分更加細密，流體域網格模型如圖3所示。

圖 2 采油樹CFD幾何模型Fig. 2 The CFD model of X-tree

圖 3 采油樹有限元網格劃分Fig. 3 Finite element mesh generation of X- tree

3 出砂沖蝕計算分析

為了預測不同出砂工況下的采油樹閥體沖蝕速率，建立多種條件下的沖蝕規律，通過利用FLUENT模擬，可分析和計算油井在生產過程中不同產液量、出砂量及出砂粒徑在井口采油樹的速度分布情況，研究其沖蝕速率的變化。

3.1 產液量變化對沖蝕影響分析

在油井生產過程中，影響井口采油樹內部沖蝕程度的主要因素與其內部結構等有關，而與井深無關。假定介質為穩定的油水混合物，忽略流體壓縮過程中熱效應，通過模擬（圖4）可知，在同一個工況條件下，流體在進入采油樹通道后，其速度分布較為平穩，但在旁通口拐角處容易形成一個高壓區和負壓區，沖蝕速度達到最大。因此，沖蝕的關鍵位置在流道發生變化的內部上壁面，且隨著產液量的不斷增大，沖蝕效果會更加明顯。

3.2 出砂量對沖蝕速率影響分析

根據海上油田出砂監測要求及防砂效果評價，對于投產初期的生產井，含砂量取值可適當放寬，但適度防砂的含砂量應控制在0.5%以內[2]，因此計算時可以將出砂量分別設為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%及0.5%五個等級。通過模擬計算發現，在同一出砂粒徑大小的條件下，不同出砂量所對應的砂粒分布運動軌跡存在明顯差異，其所形成的沖蝕速率也存在很大差別（圖5）。

由圖5可見，在選擇砂粒為0.15 mm條件下，隨著含砂量增大，砂粒對流道內壁的碰撞沖蝕量將會明顯增加，分析主要原因是隨著含砂量增大，表現為液體流速增加及攜帶能力增強。因此，一方面砂粒與流道內壁接觸的相對總能增加，另一方面會導致單位碰撞壁面的頻率增高。通過對比分析，不難發現隨著砂粒流量的增加，砂粒運動軌跡會出現逐漸集中規律，沖蝕范圍趨于集中，最大沖蝕量曲線整體呈上升趨勢（圖6）。

3.3 出砂粒徑對沖蝕速率影響分析

結合渤海地區多年以來簡易防砂綜合優選應用研究，渤海防砂篩管孔徑普遍在0.12 mm，我們在計算沖蝕速率時可將出砂粒徑設置為0.05、0.10、0.15、0.20及0.25 mm五個粒徑尺寸。通過模擬計算分析，在相同含砂量的條件下，不同出砂粒徑大小所對應的砂粒分布運動軌跡和其所形成的沖蝕速率差異明顯（圖7）。

圖 4 不同產液量在采油樹通道的速度分布Fig. 4 Velocity distribution of different liquid production in X- tree

圖 5 采油樹通道顆粒運動軌跡及沖蝕速率分布云圖Fig. 5 Cloud chart of particle movement track and erosion rate distribution in the passage of X-tree

圖 6 含沙量與最大沖蝕速率對應關系Fig. 6 Corresponding relationship between sand content and maximum erosion rate

由圖7中可見，砂粒粒徑越小，沖蝕破壞范圍越集中；砂粒粒徑越大，沖蝕破壞的范圍越分散，但粒徑的變化不會引起最大沖蝕位置的調整改變。同時分析結果顯示，采油樹最大沖蝕速率在粒徑小于0.10 mm時隨著出砂粒徑的增大而加快，超過0.10 mm會逐漸降低（圖8）。

3.4 出砂沖蝕應對措施

通過上述不同產液量變化、含砂量及含砂粒徑等對采油樹通道的沖蝕程度研究，并結合其變化趨勢，在渤海油田適度防砂井的生產過程中，可以進一步有針對性地為降低采油樹的沖蝕程度尋找方法，主要措施建議如下。

（1）在流程設施設計管理上進一步優化井口裝置配套。通過沖蝕的關鍵位置變化趨勢，可在井口采油樹旁通口拐角處增加陶瓷耐磨內襯套等，提高沖蝕關鍵位置的邊界強度。

（2）在油井生產制度上進行調整，合理控制產量變化。在油井生產管理過程中，結合實際生產化驗含砂變化趨勢，在正常生產和出砂生產之間確定非固定生產制度策略，以分散含砂顆粒與固定壁面的碰撞幾率，從而避免沖蝕范圍趨于集中。

圖 7 采油樹通道顆粒運動軌跡及沖蝕速率分布云圖Fig. 7 Cloud chart of particle movement track and erosion rate distribution in the passage of X-tree

圖 8 出砂粒徑與最大沖蝕速率對應關系Fig. 8 Corresponding relationship between the sand size and the maximum erosion rate

4 結論與建議

（1）經過研究整體式采油樹的產液流動特征及砂粒的沖蝕變化趨勢，確定了井口裝置受沖蝕磨損嚴重的區域，為適度防砂井采油樹的安全使用提供了科學理論依據。

（2）分析表明，隨著含砂量增大，會加強對采油樹通道內壁的沖蝕作用，且內壁的砂粒沖蝕范圍趨于集中，主要分布在采油樹旁通口拐角處邊界，最大沖蝕率也成增大趨勢。

（3）通過模擬計算，砂粒粒徑越小，造成沖蝕破壞范圍越集中，但最大沖蝕率與砂粒粒徑尺寸并非正相關性。

（4）鑒于油井出砂對采油樹通道內壁磨損沖蝕的分布規律，在實際設計管理中可提高采油樹旁通口拐角段的邊界強度，并在現場生產管理中應重點加強該邊界的定期安全監測與預判。