天然气采集过程防砂装置的应用

王 虎，韩东兴，赖 燕，高永飞，杜 伟，孙玉强，杨 茂

（中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西西安 710200）

在石油天然气的生产过程中，地层砂砾以及压裂砂粒会随生产油气到达地面，达到一定数量时，会因堵塞集输管线而影响生产，严重时会损坏节流闸阀，引发安全事故。气井防砂的形式主要分为井下防砂和地面防砂，根据工艺原理，大致可分为机械防砂、化学防砂和砂拱防砂等。

井下防砂是将防砂工具，砾石筛管等下入油管，防止气井出砂，达到保证地面设施安全的目的，但对于高产量的水平气井而言，井下防砂器分离出的砂粒会在气井水平段堆积而堵塞气流通道，影响气井产能的发挥。在高产水平井防砂工艺上，则需采用地面防砂技术，以物理方法进行除砂。榆林、子洲气田出砂的气井既包括产量较低的裸眼井也有高产水平井，因此需要综合使用井下防砂工具和地面防砂装置、阀组才能实现安全、经济的防砂增产目的。

1 出砂的类型

气井井底出砂是由于井底地带的岩层结构被破坏和裂缝结构被破坏所引起的，故分为地层出砂和裂缝出砂两种类型。地层出砂是脱落的岩石碎屑，裂缝出砂是气层压裂改造过程中所加的压裂砂[1]。经现场取样分析发现，目前气田出砂均为压裂砂，子洲气田的多口水平井尤为明显。这一类出砂的原因主要受气井的压裂工艺、生产制度、裂缝出砂临界产量的影响，井底压差稍有变化，就会有压裂砂被生产气流带出井底[2]。压裂砂较普通岩石碎屑硬度大，颗粒细小，对下游管道、阀门、设备的破坏性更强。因此通过除砂工具能有效地去除井底出砂，是榆林、子洲气田天然气生产过程的一种需要。

2 防砂装置的应用

2.1 井下防砂工具

井下防砂工具由井下坐封装置和防砂筛网两大部分组成。上部分采用类似井下节流器的座封与打捞装置，下部分连接高强度滤砂管，属于机械防砂方法。与其它防砂管柱相比，具有不压井作业、施工更加简单可靠的优点。

防砂施工时，将工具由油管下入，地层含砂流体经井底向井口运动时，遇到该防砂工具，流体由筛网而通过油管，固体砂则不能通过由筛网阻挡后并落到井底，这样起到防止气井地面出砂，达到保证地面设施安全的目的。

当防砂工具（见图1）下人预定井深，上提工具串，当卡瓦牙抓紧以后，向上震击剪断丢手销钉，继续上提工具串通过中心杆、联动销、剪切滑板带动下密封启动向上运动，使下密封件展开工作[3]。剪切滑板上行到死点时，应用震击方式剪切联动销，下密封启动在阻力“O”型圈的作用下保持原位置不动，中心杆与下井工具串起出。完成井下防砂工艺。打捞时换用专用的打捞筒，下至工具座封位置后抓住打捞头，通过震击方式使卡瓦解封，缓慢上提至井口。

图1 井下防砂工具的结构示意图

2.2 地面防砂装置

2.2.1 地面防砂装置Ⅰ型 Ⅰ型地面防砂装置（见图2）分离管道内设有过滤沙砾的滤网管；分离管道两端分别连接堵头和油气管接头，储砂管两端均连接堵头；分离管道和储砂管分别设在管道支撑的上、下部；管道支撑内设有连通分离管道和储砂管的纵向通道[4]。本防砂装置以物理方法除砂，可防止节流闸阀及管汇被砂砾冲蚀，防止输送管线被砂砾堵塞。

图2 Ⅰ型地面防砂装置结构示意图

生产时，本装置安装在井口，井口不节流。高压油气及砂砾进入本装置分离通道后，砂砾被阻隔在滤网管外部，干净的油气进入滤网管，并经其油气管接头进入地面生产流程。高压油气及砂砾进入本装置后，一些砂砾依自身重力，沿管道支撑内的纵向通道直接落入储砂管，而被滤网管分离出的砂砾则由流动油气推至分离通道后端，落入储砂管。当砂量储积到一定量时，打开储砂管两端的堵头，清理储砂即可。

2.2.2 地面防砂装置Ⅱ型 Ⅱ型地面防砂装置主要有10个关键部件组成（见图3）的除砂筒设在支架上，除砂筒两端分别连接混合气进口法兰和除砂口法兰盖，除砂筒顶部设有泄压口，底部设有气液出口，气液出口通过弯管连接气液出口法兰；除砂筒内密封设置由导轨支撑的、水平放置的过滤筒；吊杆两端分别连接除砂口法兰盖顶面和除砂筒侧面[5]。混合气体经混合和气井口水平进入位于除砂筒内的过滤筒，过滤砂被截留在筒内，气体和水则通过气液出口流出，进入下一级管线。由于气液出口位于除砂筒的最低点，所以装置内不会存留积液，从而避免冻堵发生。停产时，开启除砂口法兰盖，抽出过滤筒，清除筒内砂粒，将过滤筒放回除砂筒内，继续使用。

图3 Ⅱ型地面防砂装置结构示意图

2.2.3 地面防砂阀组 地面防砂阀组由两套地面防砂器和5个阀门组成，既可并联运行，也能串联运行，共有5种工艺流程输送天然气至集气站。地面防砂阀组首先连接井口来气管线，之后分为两路并联管线，一路串联连接第一闸阀、第一防砂装置和第四闸阀，另一路串联连接第二闸阀、第二防砂装置和第三闸阀[6]。另有第五闸板阀位于两套防砂器中间与第二闸板阀和第四闸板阀相连，导通后可以越过防砂器，直接进行生产（见图4）。

1-第一闸阀；2-第二闸阀；3-第三闸阀；4-第四闸阀；5-闸板阀；6-第一防砂装置；7-第二防砂装置

地面防砂阀组使用灵活，应用条件广泛，可以根据不同生产需要，进行变更不同的工艺流程（见表1）。

3 应用情况

3.1 应用效果

表1 防砂阀组工艺流程及功能作用表

井下防砂工具投放、打捞作业简单，成本较低，工具可定位投放，有防滑功效，防砂效果较好；但若气井出砂量较大时，运行1～2月则会由于形成井底积砂。若不及时更换防砂网，井底积砂会堵塞气井，影响气井排液，降低产量。所以井下防砂工具适用于产气量低，出砂量小的气井。

地面防砂装置应用范围广，费用略高于井下防砂工具，安装简单，防砂效果好，可及时排掉井筒出砂，易管理。但对气井出砂造成的采气树阀门损伤无法防除，且在井口动火焊接作业存在一定安全风险。由于Ⅰ型地面防砂装置在冬季运行时存在冰堵现象，因此Ⅱ型地面防砂装置在结构设计上将气液出口位于除砂筒的最低点，防止积液冻堵。所以在产液量较大的出砂气井应用Ⅱ型地面防砂装置更适合。而地面防砂阀组则适合用于工况更为复杂（出砂大、产量高、压力高、产液量大）的高产气井。

3.2 经济评价

井下防砂工具，共投放4井次。投放防砂工具后，出砂的4口气井无节流压差，不影响正常生产。根据生产的需要，对4口气井进行了不同程度的提产，日产量增加11×104m3（见表2）。在地面未发现出砂，但在连续运行60～80天后需要更换防砂工具滤网，否则会产生气井堵塞、降产现象。

地面防砂装置Ⅰ型安装8套，地面防砂装置Ⅱ型安装1套，防砂阀组安装1套，分别安装在出砂量大，产气量较高的10口气井。同时对上述气井进行提产作业，10口气井日产量共计增加了16.4×104m3（见表2）。且这10口气井下游管线、阀门、分离设备再未发生刺漏等现象，并能够连续开井生产。

表2 除砂、防砂装置应用经济评价表

从防砂后的增产效果分析，上述14口气井进行防砂后可以充分发挥产能，生产需要时可以提产适当放大压差生产。防砂工具安装简单，成本92万元。平均以每口井增产气量1×104m3计算，年增产气量在5 000×104m3以上，天然气价按0.8元/立方米计算，年增收入可达4 000万元以上。同时，降低了气井出砂带来的集气站生产风险，减少了更换刺漏针阀、阀门等设备的工作量，使出砂气井的产能可以充分发挥。

4 结论

（1）榆林、子洲气田气井出砂为压裂砂，主要出砂的原因受气井压裂工艺、生产制度、裂缝出砂临界产量的影响。

（2）榆林、子洲气田出砂的气井出砂量、产量、运行压力等工况差异性大，需要根据出砂气井的工况，具体施行井下、地面的防砂、除砂方法。

（3）井下除砂工具适用于产量较小、出砂量少的气井；地面防砂装置型号多，功能全，除砂效果好，可以解决井底砂堵问题，能适用于高产出砂井，但无法防护井口阀门。综合使用能够达到除砂提产、安全运行的目标。

（4）榆林、子洲气田采用机械防砂法除砂，研发出的井下防砂工具，地面防砂装置，阀组等配套除砂工具除砂效果好、经济效益显著，具有很高推广价值。

[1]田喜军，刘鹏，李耀，等.气井防砂工具在水平井的应用[J］.石油化工应用，2012，31（4）:45-47.

[2]李莲明，刘占良，乔亚斌，等.榆林上古压裂气井防砂工艺技术研究及应用[J］.石油化工应用，2006，25（6）:6-10.

[3]李莲明，乔亚斌，马现超，等.绳索式气井井下防砂工具[P］.中国:ZL200720103856.7.2008.1.30.

[4]王虎，刘帮华，王磊，等.用于天然气井的地面防砂装置[P］.中国:ZL2012206469476.2013.7.3.

[5]王虎，刘帮华，解永刚，等.天然气井除砂装置[P］.中国:ZL201320673271.4.2013.10.29.

[6]刘帮华，解永刚，胡均志，等.天然气井防砂阀组[P］.中国:ZL2011320673122.8.2013.10.29.