王新涛，鞠少栋，王世强

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

在原油的开采过程中，油井的含水量和出砂量都会逐渐变高，而油气井出砂的问题是制约油藏开采的重要因素。在油气井出砂量较少时，会在管道内形成砂粒的沉积，使得管道变狭窄，致使油井的产能降低，同时携砂原油会对地面和井下设备造成冲蚀磨损，在出砂严重时，携砂原油的冲蚀磨损甚至会导致油井报废[1]。

筛管是井下防砂关键器材，对防砂质量、成本和油气井产量等都有很大影响，一旦筛管失效将导致油井出砂停产，使整个防砂作业失败。筛管在油气开发过程中的损坏或失效主要有以下几种形式：一是筛管的冲蚀磨损失效。导致筛管冲蚀磨损失效的因素有很多，例如携砂液流速、液流的含砂浓度、含砂砂粒的粒径与携砂液的冲蚀角度等。二是井下油液开采中产生的腐蚀性气体引发的损坏失效等。三是由于生产过程中井眼应力变化导致筛管出现挤压破坏而失效。在正常原油开采过程中，主要失效形式是由于携砂液的冲蚀磨损和腐蚀性气、液流的长时间相互作用而引起[2]。对于气井而言，气井生产主要靠地层压力进行自喷开采，在气井的生产过程中，压差过大或其他因素可能会导致气井内部岩层松动出砂[3]，砂砾被采出的高速气流携带出来，导致井筒、管线堵塞或者冲刷设备管线等。对于出砂的气井如何保证能够安全生产，就需要进行筛管冲蚀临界产气量计算，分析筛管尺寸、挡砂精度和含砂量等因素变化对临界产气量的影响。

1 筛管耐冲蚀临界产气量计算

单液相体系冲蚀的问题研究较多，多相流的研究则相对较少。当含有固体微粒的多相流高速流动时，其冲蚀磨损作用比较明显。多相流中的固体微粒对所接触的材料表面进行高速、持续冲击造成磨损，磨损效果很难进行预测，因为该过程中涉及因素较多，包括液流的流速、固体微粒粒径分布和被冲蚀的管线的内径、曲度等参数。美国API-14E 标准中提出磨损的计算公式为：

式中：E——磨损速度，mm/a；

W——砂产量，g/s；

V——流体速度，m/s；

D——管内径，m。

式(1)的提出，有特定的前提条件：假设多相流的流动类型恒定，多相流中气液两相流的比值恒定，忽略不计固体微粒尺寸的影响等。

研究发现[4]，在粒径小于100μm 时，粒径与冲蚀速率成正比关系，即使微粒的总质量相等，小微粒对材质的冲蚀作用也明显小于大微粒。因此可以合理地假设固体微粒存在最小临界粒径，即：小于此粒径的微粒不会引起磨损作用。考虑砂粒粒径和流体混合物的冲击作用，将上式修正为以下形式[5]：

式中：W——砂产量，kg/d；

d——砂粒径，μm；

ρ——混合物密度，kg/m3。

气液混合物密度可通过以下公式计算：

式中：P——工作压力，psi；

S1——液体比重(水的为1)；

R——气液比，ft3/barrel；

T——工作温度，℃；

Sg——气体比重(空气的为1)；

Z——气体压缩因子。

管道输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为300kg，现在主流的基于原油的适度防砂标准选用0.05%～0.07%。油井出砂与气井出砂在产出物流动特征、产出时携砂与出砂对井下工具及井下管柱的冲蚀磨损有较大不同，并且目前没有针对在生产气井的出砂量提出相应要求。井下有效防砂需满足两个原则：①井下工艺管柱及井下工具在中等及以上的产能下满足长期生产要求，即气井出砂对井下管柱及工具的磨蚀在较小的范围内；②产出的地层砂砂量在海上平台的处理能力之内。气井能够有效防砂至少需要同时满足以上两点要求。

以南海东部某已开发气田11口采用桥式复合优质筛管防砂的气井作为生产实例，11 口井的平均日产气量为56.3×104m3，控制年出砂量在3t 以下，投产多年后均正常生产，可认为在此工作制度下，可以确保气井的井下管柱及工具的安全寿命的长期性。则气井安全生产的单位体积含砂量SG为：

即每万方产气量的含砂量不超过0.146kg时，气井可安全生产。

以星孔筛管为例，对海上某气田A1井进行筛管冲蚀临界产气量计算，分析筛管尺寸、挡砂精度和含砂量等因素变化对临界产气量的影响。星孔筛管技术参数见表1。

表1 星孔筛管技术参数

A1井气液混合密度随开采时间变化规律如图1所示。由图可知，气液混合密度随着开采时间的增长先显著下降后逐渐上升，气液混合密度主要受天然气产量、含水量、环境压力和温度等因素影响。

图1 A1井气液混合密度随开发年份变化曲线

(1) 筛管尺寸变化对临界产气量的影响。临界日产气量随筛管尺寸变化曲线如图2所示，图中，随着筛管尺寸的增大，筛管可承受的耐冲蚀临界日产气量逐渐增加。

图2 临界产气量随筛管尺寸变化曲线图

(2) 砂粒粒径变化对临界产气量的影响。临界日产气量随砂粒粒径变化曲线如图3所示，图中，随着砂粒粒径的增大，筛管可承受的耐冲蚀临界日产气量逐渐下降。

图3 临界产气量随砂粒粒径变化曲线图

(3) 含砂量变化对临界产气量的影响。临界日产气量随含砂量的变化曲线如图4所示，图中，随着含砂量的增大，筛管其可承受的耐冲蚀临界日产气量逐渐下降。

图4 临界产气量随含砂量变化曲线图

海上某气田拟开发井筛管耐冲蚀平均临界日产量见表2。

2 拟开发气井筛管尺寸优选

在满足配产和开发年限条件下，通过筛管耐冲蚀分析，海上某气田17口拟开发井分别所需的筛管尺寸见表3。对于0.1kg/104m3临界含砂量，水平井采用5″和5-1/2″筛管即可满足耐冲蚀要求，定向井产量较大，部分井需要采用6-5/8″筛管，而压裂井配产较低，3-1/2″筛管即可满足耐冲蚀要求。由于计算过程中含砂量取值比较保守[6]，若井中不出砂或出砂量较少，对筛管尺寸的要求可适当放宽。

3 结束语

(1) 对南海东部某高产气田采用桥式复合优质筛管防砂的气井进行研究，形成有效防砂标准，即每万方产气量的含砂量不超过0.146kg时，可以确保生产安全及长效性；

(2)随着筛管尺寸的减小、砂粒粒径的增大和含砂量的增大，筛管可承受的耐冲蚀临界日产气量逐渐下降；

(3)在满足配产和开发年限条件下，通过筛管耐冲蚀分析，可对气井筛管尺寸进行优选。计算过程中含砂量取值比较保守，若井中出砂量较少时，对筛管尺寸的要求可适当放宽。