天然氣采集過程防砂裝置的應用

王 虎，韓東興，賴 燕，高永飛，杜 偉，孫玉強，楊 茂

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710200）

在石油天然氣的生產過程中，地層砂礫以及壓裂砂粒會隨生產油氣到達地面，達到一定數量時，會因堵塞集輸管線而影響生產，嚴重時會損壞節流閘閥，引發安全事故。氣井防砂的形式主要分為井下防砂和地面防砂，根據工藝原理，大致可分為機械防砂、化學防砂和砂拱防砂等。

井下防砂是將防砂工具，礫石篩管等下入油管，防止氣井出砂，達到保證地面設施安全的目的，但對于高產量的水平氣井而言，井下防砂器分離出的砂粒會在氣井水平段堆積而堵塞氣流通道，影響氣井產能的發揮。在高產水平井防砂工藝上，則需采用地面防砂技術，以物理方法進行除砂。榆林、子洲氣田出砂的氣井既包括產量較低的裸眼井也有高產水平井，因此需要綜合使用井下防砂工具和地面防砂裝置、閥組才能實現安全、經濟的防砂增產目的。

1 出砂的類型

氣井井底出砂是由于井底地帶的巖層結構被破壞和裂縫結構被破壞所引起的，故分為地層出砂和裂縫出砂兩種類型。地層出砂是脫落的巖石碎屑，裂縫出砂是氣層壓裂改造過程中所加的壓裂砂[1]。經現場取樣分析發現，目前氣田出砂均為壓裂砂，子洲氣田的多口水平井尤為明顯。這一類出砂的原因主要受氣井的壓裂工藝、生產制度、裂縫出砂臨界產量的影響，井底壓差稍有變化，就會有壓裂砂被生產氣流帶出井底[2]。壓裂砂較普通巖石碎屑硬度大，顆粒細小，對下游管道、閥門、設備的破壞性更強。因此通過除砂工具能有效地去除井底出砂，是榆林、子洲氣田天然氣生產過程的一種需要。

2 防砂裝置的應用

2.1 井下防砂工具

井下防砂工具由井下坐封裝置和防砂篩網兩大部分組成。上部分采用類似井下節流器的座封與打撈裝置，下部分連接高強度濾砂管，屬于機械防砂方法。與其它防砂管柱相比，具有不壓井作業、施工更加簡單可靠的優點。

防砂施工時，將工具由油管下入，地層含砂流體經井底向井口運動時，遇到該防砂工具，流體由篩網而通過油管，固體砂則不能通過由篩網阻擋后并落到井底，這樣起到防止氣井地面出砂，達到保證地面設施安全的目的。

當防砂工具（見圖1）下人預定井深，上提工具串，當卡瓦牙抓緊以后，向上震擊剪斷丟手銷釘，繼續上提工具串通過中心桿、聯動銷、剪切滑板帶動下密封啟動向上運動，使下密封件展開工作[3]。剪切滑板上行到死點時，應用震擊方式剪切聯動銷，下密封啟動在阻力“O”型圈的作用下保持原位置不動，中心桿與下井工具串起出。完成井下防砂工藝。打撈時換用專用的打撈筒，下至工具座封位置后抓住打撈頭，通過震擊方式使卡瓦解封，緩慢上提至井口。

圖1 井下防砂工具的結構示意圖

2.2 地面防砂裝置

2.2.1 地面防砂裝置Ⅰ型 Ⅰ型地面防砂裝置（見圖2）分離管道內設有過濾沙礫的濾網管；分離管道兩端分別連接堵頭和油氣管接頭，儲砂管兩端均連接堵頭；分離管道和儲砂管分別設在管道支撐的上、下部；管道支撐內設有連通分離管道和儲砂管的縱向通道[4]。本防砂裝置以物理方法除砂，可防止節流閘閥及管匯被砂礫沖蝕，防止輸送管線被砂礫堵塞。

圖2 Ⅰ型地面防砂裝置結構示意圖

生產時，本裝置安裝在井口，井口不節流。高壓油氣及砂礫進入本裝置分離通道后，砂礫被阻隔在濾網管外部，干凈的油氣進入濾網管，并經其油氣管接頭進入地面生產流程。高壓油氣及砂礫進入本裝置后，一些砂礫依自身重力，沿管道支撐內的縱向通道直接落入儲砂管，而被濾網管分離出的砂礫則由流動油氣推至分離通道后端，落入儲砂管。當砂量儲積到一定量時，打開儲砂管兩端的堵頭，清理儲砂即可。

2.2.2 地面防砂裝置Ⅱ型 Ⅱ型地面防砂裝置主要有10個關鍵部件組成（見圖3）的除砂筒設在支架上，除砂筒兩端分別連接混合氣進口法蘭和除砂口法蘭蓋，除砂筒頂部設有泄壓口，底部設有氣液出口，氣液出口通過彎管連接氣液出口法蘭；除砂筒內密封設置由導軌支撐的、水平放置的過濾筒；吊桿兩端分別連接除砂口法蘭蓋頂面和除砂筒側面[5]?；旌蠚怏w經混合和氣井口水平進入位于除砂筒內的過濾筒，過濾砂被截留在筒內，氣體和水則通過氣液出口流出，進入下一級管線。由于氣液出口位于除砂筒的最低點，所以裝置內不會存留積液，從而避免凍堵發生。停產時，開啟除砂口法蘭蓋，抽出過濾筒，清除筒內砂粒，將過濾筒放回除砂筒內，繼續使用。

圖3 Ⅱ型地面防砂裝置結構示意圖

2.2.3 地面防砂閥組 地面防砂閥組由兩套地面防砂器和5個閥門組成，既可并聯運行，也能串聯運行，共有5種工藝流程輸送天然氣至集氣站。地面防砂閥組首先連接井口來氣管線，之后分為兩路并聯管線，一路串聯連接第一閘閥、第一防砂裝置和第四閘閥，另一路串聯連接第二閘閥、第二防砂裝置和第三閘閥[6]。另有第五閘板閥位于兩套防砂器中間與第二閘板閥和第四閘板閥相連，導通后可以越過防砂器，直接進行生產（見圖4）。

1-第一閘閥；2-第二閘閥；3-第三閘閥；4-第四閘閥；5-閘板閥；6-第一防砂裝置；7-第二防砂裝置

地面防砂閥組使用靈活，應用條件廣泛，可以根據不同生產需要，進行變更不同的工藝流程（見表1）。

3 應用情況

3.1 應用效果

表1 防砂閥組工藝流程及功能作用表

井下防砂工具投放、打撈作業簡單，成本較低，工具可定位投放，有防滑功效，防砂效果較好；但若氣井出砂量較大時，運行1～2月則會由于形成井底積砂。若不及時更換防砂網，井底積砂會堵塞氣井，影響氣井排液，降低產量。所以井下防砂工具適用于產氣量低，出砂量小的氣井。

地面防砂裝置應用范圍廣，費用略高于井下防砂工具，安裝簡單，防砂效果好，可及時排掉井筒出砂，易管理。但對氣井出砂造成的采氣樹閥門損傷無法防除，且在井口動火焊接作業存在一定安全風險。由于Ⅰ型地面防砂裝置在冬季運行時存在冰堵現象，因此Ⅱ型地面防砂裝置在結構設計上將氣液出口位于除砂筒的最低點，防止積液凍堵。所以在產液量較大的出砂氣井應用Ⅱ型地面防砂裝置更適合。而地面防砂閥組則適合用于工況更為復雜（出砂大、產量高、壓力高、產液量大）的高產氣井。

3.2 經濟評價

井下防砂工具，共投放4井次。投放防砂工具后，出砂的4口氣井無節流壓差，不影響正常生產。根據生產的需要，對4口氣井進行了不同程度的提產，日產量增加11×104m3（見表2）。在地面未發現出砂，但在連續運行60～80天后需要更換防砂工具濾網，否則會產生氣井堵塞、降產現象。

地面防砂裝置Ⅰ型安裝8套，地面防砂裝置Ⅱ型安裝1套，防砂閥組安裝1套，分別安裝在出砂量大，產氣量較高的10口氣井。同時對上述氣井進行提產作業，10口氣井日產量共計增加了16.4×104m3（見表2）。且這10口氣井下游管線、閥門、分離設備再未發生刺漏等現象，并能夠連續開井生產。

表2 除砂、防砂裝置應用經濟評價表

從防砂后的增產效果分析，上述14口氣井進行防砂后可以充分發揮產能，生產需要時可以提產適當放大壓差生產。防砂工具安裝簡單，成本92萬元。平均以每口井增產氣量1×104m3計算，年增產氣量在5 000×104m3以上，天然氣價按0.8元/立方米計算，年增收入可達4 000萬元以上。同時，降低了氣井出砂帶來的集氣站生產風險，減少了更換刺漏針閥、閥門等設備的工作量，使出砂氣井的產能可以充分發揮。

4 結論

（1）榆林、子洲氣田氣井出砂為壓裂砂，主要出砂的原因受氣井壓裂工藝、生產制度、裂縫出砂臨界產量的影響。

（2）榆林、子洲氣田出砂的氣井出砂量、產量、運行壓力等工況差異性大，需要根據出砂氣井的工況，具體施行井下、地面的防砂、除砂方法。

（3）井下除砂工具適用于產量較小、出砂量少的氣井；地面防砂裝置型號多，功能全，除砂效果好，可以解決井底砂堵問題，能適用于高產出砂井，但無法防護井口閥門。綜合使用能夠達到除砂提產、安全運行的目標。

（4）榆林、子洲氣田采用機械防砂法除砂，研發出的井下防砂工具，地面防砂裝置，閥組等配套除砂工具除砂效果好、經濟效益顯著，具有很高推廣價值。

[1]田喜軍，劉鵬，李耀，等.氣井防砂工具在水平井的應用[J］.石油化工應用，2012，31（4）:45-47.

[2]李蓮明，劉占良，喬亞斌，等.榆林上古壓裂氣井防砂工藝技術研究及應用[J］.石油化工應用，2006，25（6）:6-10.

[3]李蓮明，喬亞斌，馬現超，等.繩索式氣井井下防砂工具[P］.中國:ZL200720103856.7.2008.1.30.

[4]王虎，劉幫華，王磊，等.用于天然氣井的地面防砂裝置[P］.中國:ZL2012206469476.2013.7.3.

[5]王虎，劉幫華，解永剛，等.天然氣井除砂裝置[P］.中國:ZL201320673271.4.2013.10.29.

[6]劉幫華，解永剛，胡均志，等.天然氣井防砂閥組[P］.中國:ZL2011320673122.8.2013.10.29.