基于沖蝕分析的海上氣田篩管臨界產氣量研究

王新濤，鞠少棟，王世強

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

在原油的開采過程中，油井的含水量和出砂量都會逐漸變高，而油氣井出砂的問題是制約油藏開采的重要因素。在油氣井出砂量較少時，會在管道內形成砂粒的沉積，使得管道變狹窄，致使油井的產能降低，同時攜砂原油會對地面和井下設備造成沖蝕磨損，在出砂嚴重時，攜砂原油的沖蝕磨損甚至會導致油井報廢[1]。

篩管是井下防砂關鍵器材，對防砂質量、成本和油氣井產量等都有很大影響，一旦篩管失效將導致油井出砂停產，使整個防砂作業失敗。篩管在油氣開發過程中的損壞或失效主要有以下幾種形式：一是篩管的沖蝕磨損失效。導致篩管沖蝕磨損失效的因素有很多，例如攜砂液流速、液流的含砂濃度、含砂砂粒的粒徑與攜砂液的沖蝕角度等。二是井下油液開采中產生的腐蝕性氣體引發的損壞失效等。三是由于生產過程中井眼應力變化導致篩管出現擠壓破壞而失效。在正常原油開采過程中，主要失效形式是由于攜砂液的沖蝕磨損和腐蝕性氣、液流的長時間相互作用而引起[2]。對于氣井而言，氣井生產主要靠地層壓力進行自噴開采，在氣井的生產過程中，壓差過大或其他因素可能會導致氣井內部巖層松動出砂[3]，砂礫被采出的高速氣流攜帶出來，導致井筒、管線堵塞或者沖刷設備管線等。對于出砂的氣井如何保證能夠安全生產，就需要進行篩管沖蝕臨界產氣量計算，分析篩管尺寸、擋砂精度和含砂量等因素變化對臨界產氣量的影響。

1 篩管耐沖蝕臨界產氣量計算

單液相體系沖蝕的問題研究較多，多相流的研究則相對較少。當含有固體微粒的多相流高速流動時，其沖蝕磨損作用比較明顯。多相流中的固體微粒對所接觸的材料表面進行高速、持續沖擊造成磨損，磨損效果很難進行預測，因為該過程中涉及因素較多，包括液流的流速、固體微粒粒徑分布和被沖蝕的管線的內徑、曲度等參數。美國API-14E 標準中提出磨損的計算公式為：

式中：E——磨損速度，mm/a；

W——砂產量，g/s；

V——流體速度，m/s；

D——管內徑，m。

式(1)的提出，有特定的前提條件：假設多相流的流動類型恒定，多相流中氣液兩相流的比值恒定，忽略不計固體微粒尺寸的影響等。

研究發現[4]，在粒徑小于100μm 時，粒徑與沖蝕速率成正比關系，即使微粒的總質量相等，小微粒對材質的沖蝕作用也明顯小于大微粒。因此可以合理地假設固體微粒存在最小臨界粒徑，即：小于此粒徑的微粒不會引起磨損作用?？紤]砂粒粒徑和流體混合物的沖擊作用，將上式修正為以下形式[5]：

式中：W——砂產量，kg/d；

d——砂粒徑，μm；

ρ——混合物密度，kg/m3。

氣液混合物密度可通過以下公式計算：

式中：P——工作壓力，psi；

S1——液體比重(水的為1)；

R——氣液比，ft3/barrel；

T——工作溫度，℃；

Sg——氣體比重(空氣的為1)；

Z——氣體壓縮因子。

管道輸送原油要求含砂量不大于0.03%，即每百方原油中最多含砂量為300kg，現在主流的基于原油的適度防砂標準選用0.05%～0.07%。油井出砂與氣井出砂在產出物流動特征、產出時攜砂與出砂對井下工具及井下管柱的沖蝕磨損有較大不同，并且目前沒有針對在生產氣井的出砂量提出相應要求。井下有效防砂需滿足兩個原則：①井下工藝管柱及井下工具在中等及以上的產能下滿足長期生產要求，即氣井出砂對井下管柱及工具的磨蝕在較小的范圍內；②產出的地層砂砂量在海上平臺的處理能力之內。氣井能夠有效防砂至少需要同時滿足以上兩點要求。

以南海東部某已開發氣田11口采用橋式復合優質篩管防砂的氣井作為生產實例，11 口井的平均日產氣量為56.3×104m3，控制年出砂量在3t 以下，投產多年后均正常生產，可認為在此工作制度下，可以確保氣井的井下管柱及工具的安全壽命的長期性。則氣井安全生產的單位體積含砂量SG為：

即每萬方產氣量的含砂量不超過0.146kg時，氣井可安全生產。

以星孔篩管為例，對海上某氣田A1井進行篩管沖蝕臨界產氣量計算，分析篩管尺寸、擋砂精度和含砂量等因素變化對臨界產氣量的影響。星孔篩管技術參數見表1。

表1 星孔篩管技術參數

A1井氣液混合密度隨開采時間變化規律如圖1所示。由圖可知，氣液混合密度隨著開采時間的增長先顯著下降后逐漸上升，氣液混合密度主要受天然氣產量、含水量、環境壓力和溫度等因素影響。

圖1 A1井氣液混合密度隨開發年份變化曲線

(1) 篩管尺寸變化對臨界產氣量的影響。臨界日產氣量隨篩管尺寸變化曲線如圖2所示，圖中，隨著篩管尺寸的增大，篩管可承受的耐沖蝕臨界日產氣量逐漸增加。

圖2 臨界產氣量隨篩管尺寸變化曲線圖

(2) 砂粒粒徑變化對臨界產氣量的影響。臨界日產氣量隨砂粒粒徑變化曲線如圖3所示，圖中，隨著砂粒粒徑的增大，篩管可承受的耐沖蝕臨界日產氣量逐漸下降。

圖3 臨界產氣量隨砂粒粒徑變化曲線圖

(3) 含砂量變化對臨界產氣量的影響。臨界日產氣量隨含砂量的變化曲線如圖4所示，圖中，隨著含砂量的增大，篩管其可承受的耐沖蝕臨界日產氣量逐漸下降。

圖4 臨界產氣量隨含砂量變化曲線圖

海上某氣田擬開發井篩管耐沖蝕平均臨界日產量見表2。

2 擬開發氣井篩管尺寸優選

在滿足配產和開發年限條件下，通過篩管耐沖蝕分析，海上某氣田17口擬開發井分別所需的篩管尺寸見表3。對于0.1kg/104m3臨界含砂量，水平井采用5″和5-1/2″篩管即可滿足耐沖蝕要求，定向井產量較大，部分井需要采用6-5/8″篩管，而壓裂井配產較低，3-1/2″篩管即可滿足耐沖蝕要求。由于計算過程中含砂量取值比較保守[6]，若井中不出砂或出砂量較少，對篩管尺寸的要求可適當放寬。

3 結束語

(1) 對南海東部某高產氣田采用橋式復合優質篩管防砂的氣井進行研究，形成有效防砂標準，即每萬方產氣量的含砂量不超過0.146kg時，可以確保生產安全及長效性；

(2)隨著篩管尺寸的減小、砂粒粒徑的增大和含砂量的增大，篩管可承受的耐沖蝕臨界日產氣量逐漸下降；

(3)在滿足配產和開發年限條件下，通過篩管耐沖蝕分析，可對氣井篩管尺寸進行優選。計算過程中含砂量取值比較保守，若井中出砂量較少時，對篩管尺寸的要求可適當放寬。