DMFS型地面防砂装置应用效果评价

杨 文，金高彦，刘学蕊，崔 东，王庆峰，任 磊，郑 展，惠 玲

（中国石油长庆油田分公司第一采气厂，宁夏银川 750006）

A、B、C井生产层位为盒8，该储层是致密砂岩储层，具有低孔隙度、低渗透率的特点。这三口井采用了水平井开发模式，并采用加砂压裂工艺对储层进行改造。

A井采用裸眼封隔器分段体积压裂改造工艺分10段进行改造，累计入地砂量1 022.9 m3，压裂砂为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井采用水力喷射分段压裂改造工艺分6段进行改造，累计入地砂量223.4 m3，压裂砂全部为0.425~0.85 mm中密度陶粒。C井采用水力喷射分段压裂改造工艺分6段进行改造，累计入地砂量309.9 m3，压裂砂全部为0.425~0.85 mm中密度陶粒。其中，B井和C井共用一条采气管线接入集气站生产。

该三口井采用高压集气流程，生产中出现不同程度出砂，高压高流速气体携带的砂砾对地面管线和设备具有极大的冲蚀作用。为此，在井口安装了地面防砂装置以保护地面管线及设备。

1 气井出砂的影响因素

气井出砂可分为地层出砂和裂缝出砂两种类型。由岩层结构被破坏所引起的出砂称为地层出砂，产出物质是脱落的岩石碎屑。由裂缝结构被破坏所引起的出砂称为裂缝出砂，产出物质是气层压裂改造过程中所加的支撑剂，亦即压裂砂。从地面设备和防砂装置取出的砂样判断，这三口水平井出砂类型均为裂缝出砂。

图1 A井砂样

图2 B、C井砂样

1.1 压裂工艺的影响

（1）液体粘度、返排速度的影响:返排速度和液体粘度的增大，会导致流体的流动阻力增大，由于液体与压裂砂的相互作用，压裂砂回流的动力也增大，更易引起支撑剂回流。

（2）气液两相流动的影响：液体的返排，气、液流经孔隙喉道时将产生毛细管力，由于压裂砂具有亲水性，当接触角大于90°时，毛细管力就成为流体阻力，但对压裂砂而言，毛细管力却表现为动力，易造成压裂砂回流。

（3）裂缝闭合程度的影响：经过压裂工艺所形成人工裂缝，它的闭合过程缓慢。若在裂缝未闭合的情况下开井排液，未胶结压裂砂容易随液体流出地层，造成出砂。

（4）压裂砂强度不够：若入地压裂砂的强度达不到设计要求，当垂直裂缝的地层应力大于其抗压强度时，压裂砂易被挤碎，易被带出裂缝。

1.2 生产制度的影响

（1）突然的开关井作业：气井生产中，突然关井会在井筒中产生激动，突然开井会在井底形成过大的压差，它们都可能破坏砂拱的稳定性，导致大量压裂砂回流。

（2）气井生产压差过大：气井生产压差越大时，渗流速度就越高，裂缝中压力梯度越大，流体对压裂砂的冲刷力就越大，压裂砂受力脱落，造成气井出砂。

（3）气井生产压差建立过快：在突然建立压差时，压力波尚未迅速传播出去，压力分布曲线很陡，井壁周围裂缝中的压力梯度很大，裂缝结构易破坏，引起井底出砂；以缓慢的方式建立压差时，压力波可以逐渐传播出去，井壁附近裂缝中压力分布曲线比较平缓，压力梯度较小，不致影响裂缝结构。

（4）井底流压低：在地层压力相对不变的情况下，井底压力越低，裂缝内压力梯度就越大，致使井筒附近裂缝里的填砂或砂拱更容易发生破坏，从而加剧支撑剂回流。

1.3 气井出砂的危害

（1）造成气井减产或关井停产。砂在井内沉积容易造成油管砂堵，使气井产量降低，甚至使气井停产。

（2）破坏地面管线及设备。A、B、C井自投产以来，累计造成加热炉节流针阀损坏10个，分离器排污闸阀损坏2个，电动球阀阀座损坏4个。节流针阀至分离器的管线及分离器排污管线也因冲蚀破坏严重而全部进行更换。

（3）磨蚀井下管柱和工具。造成套管损坏，气井报废。

（4）给集气站生产带来安全隐患。天然气生产是在高压环境下进行的，气井出砂极易引起采气管线、设备损坏失灵，导致天然气泄漏，造成硫化氢中毒、天然气燃烧和爆炸等事故。

（5）影响气井产能发挥。A、B、C井作为调峰气井，配产较高，达 40×104m3/d。A 井设计配产 30×104m3/d，由于气井大量出砂，导致长时间配产10×104m3/d生产，产能无法发挥。

2 地面防砂工艺

2.1 DMFS地面防砂装置结构原理

地面防砂装置由连接法兰、前后立柱、输气通道、过滤装置、储砂筒组成，过滤装置由中心割缝筛管、不锈钢筛网、护套组成。携带砂砾的气体从上部进入防砂装置，颗粒状砂砾阻挡在过滤装置外，在流动气体作用下进入防砂装置下部储砂筒，砂量到达一定容积后，关闭本装置两端闸阀，泄去装置内压力后，拆下储砂筒两端的堵头清理砂砾。

2.2 地面防砂装置现场应用

在现场应用中，将地面防砂装置与井口原有采气管线并联安装在采气树10#针阀后，气井开井生产时，天然气通过该装置滤去砂砾后经单井管线接入集气站生产。

表1 防砂工具参数

3 DMFS地面防砂装置防砂效果

3.1 A井除砂情况

A井投产初期，频繁进行调产作业，产量在20×104m3/d至30×104m3/d变化，调产时气井采气速度突然变化，从加热炉节流针阀损坏时间看，往大调产时更容易造成出砂。

2013年1月24日该井产量先提至20×104m3/d、随后又提至25×104m3/d，次日从地面防砂装置储砂筒中取出压裂砂2 L。地面防砂装置安装使用后，该井加热炉节流针阀损坏频率大大减少了，从该井取砂情况看，最多一次取出压裂砂2 L，防砂效果较好。

表2 A井地面防砂装置除砂情况

表3 B、C井出砂情况统计表

3.2 B、C井除砂情况

B井、C井共用地面管线和防砂装置，此两口气井自投产到2013年4月16日，两口井各配产5×104m3/d生产，取砂作业时发现地面防砂装置储砂筒较为干净，气井出砂极少。4月17日，该井组加热炉节流针阀内漏严重，当天更换加热炉节流针阀时，发现阀体、阀芯损坏严重，并取出大量压裂砂。当天在井口地面防砂装置中取出压裂砂4.5 L，20日取出压裂砂0.5 L。防砂装置一次拦截压裂砂4.5 L，防砂效果较好。

3.3 DMFS地面防砂装置的不足

在清砂作业时，需关闭防砂装置两端闸阀，然后打开旁通闸阀，将防砂装置泄压，拆开储砂筒堵头后开始清砂，频繁清砂工作量大。为防止砂砾不经防砂装置而被带入集气站设备，再打开旁通闸阀时，需站内关井或直接关井口，影响开井时率。该装置储砂筒容积5.4 L，B、C井在突然大量出砂时，防砂装置拦截砂砾4.5 L，储砂筒已经快堆积满，筛管也已变形，部分砂砾仍被带入站内设备。另外，从井筒带出的脏物易堵塞筛网，造成防砂装置节流，冬季易造成地面管线冻堵。

3.4 与旋流式防砂装置的比较

A、B井在试采时，井口各安装了一套旋流式除砂装置。该装置的原理是将流体沿切线方向引入到锥形分离筒内，重力作用将砂砾推向锥体的表面，并且向下运动到下部储砂筒。分离筒与储砂筒中间有一道闸阀，在清砂作业时，只需将该阀门关闭，然后储砂筒泄压即可清砂，气井可照常生产。和之前使用的防砂装置相比，清砂作业工作量减小了，也不需要站内配合关井或关井口，如此可不影响气井开井时率。

4 结论及建议

（1）防砂装置安装使用后，阀门损坏的情况大大减少了，该装置较好地保护了地面管线和设备。但在气井大量出砂时，DMFS地面防砂装置拦截砂砾的能力有限。

（2）从减轻清砂作业工作量和保障气井开井时率的角度，建议安装旋流式防砂装置。

（3）对于采用压裂工艺改造、并采用高压集气流程的气井，建议开井前就安装防砂装置，以保障生产安全。

（4）对于压裂改造的气井，确定配产时建议先计算出临界携砂流量，结合无阻流量综合考虑。

（5）A井长时间配产10×104m3/d生产时，未出砂。试采后配产12×104m3/d生产时，也未出砂。建议该井继续提产，探索该井不出砂的临界产量。

[1]邵春.旋流除砂器的改进及其试验效果[J].煤田地质与勘探，2006，34（5）：71-72.