高压高产气井出砂机理数值模拟

马亚琴，张 宝，钟建芳，易 俊，郝 剑

（1塔里木油田油气工程研究院2玉门油田分公司油田作业公司）

马亚琴等.高压高产气井出砂机理数值模拟.钻采工艺，2019，42（5）：43-44，58

地层出砂是影响油气井正常生产的重要问题［1］。地层出砂主要出现在疏松砂岩油气藏中。多年来，针对疏松砂岩地层出砂，通过室内实验、理论分析、现场分析验证等手段基本掌握了该类地层的出砂机理、影响因素等［2-6］。但是，近年来，塔里木油田库车山前高压气井出现了地层垮塌、出砂现象。该区域属于致密性裂缝砂岩，地层岩石强度高，经过大规模的酸化压裂改造，气井产量高［7-9］。该类高压高产、致密性裂缝砂岩气藏与疏松砂岩油气藏存在很大的差异，其出砂机理相对复杂。

致密性裂缝砂岩由于胶结强度高，呈现出脆性特征。对于这类高强度的脆性砂岩，过高的生产速率导致近井筒区域产生很强的紊流效应，是导致地层出砂的一种重要原因［10］。但是，这种紊流效应能够产生多大的作用力与气体流速的关系是怎样的？目前还没有见到相关的研究报道。为此，本文以塔里木油田库车山前克深区块为例，通过物理模拟试验和数值模拟分析，研究探讨了高压高产气井的一种出砂机理—高速气体紊流效应。

一、高压流体过孔眼模拟试验研究

为了定性研究高压高产气井炮眼附近产生的紊流效应，研制了一套高压流体过孔眼模拟试验装置。该装置是由高压气源、高压水源、橡胶外筒和打孔碳钢内筒组成。橡胶外筒长度6 m，厚度10 mm。碳钢内筒设置一个孔眼，孔径为3 mm。橡胶外筒包裹在碳钢内筒外，中间保留一定间隙，作为气体流动通道。

试验的基本原理是利用高压气源或高压水源，从橡胶外筒与碳钢内筒之间的缝隙中注入高压流体，通过碳钢内筒的孔眼排出。根据文丘里效应，高压流体在通过孔眼时，流速非常高，产生紊流效应，将会对橡胶外筒产生一定的抽汲作用力，从而会造成橡胶外筒发生变形或破坏。

分别采用高压气源、高压水源注入排量为5 m3／h、压力为5 MPa的空气、清水进行实验。实验30 min后，拆开内外筒，观察橡胶外筒变形情况。

图1 实验后橡胶外筒变形情况

图1为实验后橡胶外筒变形情况。从试验结果来看，高压气井通过孔眼时，产生明显的紊流效应，形成抽汲作用力，造成橡胶外筒内壁接近孔眼处形成明显变形。高压液体通过孔眼时，没有产生明显的紊流效应，橡胶外筒该处没有明显变形。

二、高速气体过炮眼数值模拟分析

通过前面的物模试验可知，高压气体通过孔眼时会形成很强的紊流效应，产生较大的抽汲作用力。对于低速气体，可应用伯努利方程进行计算。但是，对于高速气体，由于涉及到气体的压缩效应和能量交换，应用解析方法计算非常复杂，可以采用流体有限元软件FLUENT进行计算。

1.炮眼处抽汲作用力模拟计算思路

（1）根据气井初期产能参数，利用基础数据和多相动态管流软件OLGA，求出井底气井产量（质量流量）和井底流压。

（2）假设井底气体产量不变的情况下，通过改变储层生产炮眼的数量，应用ANSYS流体模块（FLUENT）模拟求解射孔孔眼处流压和流速分布。

（3）计算不同炮眼处气体流速对应的抽汲作用力。

2.不同炮眼气体流速与抽汲作用力模拟计算

应用FLUENT软件，按照KeS2-A井和KeS2-B井的实际井况进行模拟计算，确定炮眼气体流速与抽汲作用力的关系。

2.1 KeS2-A井模拟计算

采用多相动态管流软件OLGA，按照KeS2-A井的管柱结构和生产参数进行模拟计算，得到气井质量流量：3.1427 kg／s；井口油压：61.1183 MPa；井口气体产量（标况下）：399 282 m3／d。

采用流体有限元软件FLUENT，模拟计算不同等效水力直径下，高压气体通过炮眼时产生抽汲作用力。根据不同等效水力直径，计算高压气体通过炮眼产生的抽汲作用力，见表1。

表1 KeS2-A井气体过炮眼产生的抽汲作用力计算结果

2.2 KeS2-B井模拟计算

采用多相动态管流软件OLGA，按照KeS2-B井的管柱结构和生产参数进行模拟计算，得到气井质量流量：3.643 82 kg／s；井口油压：85.195 5 MPa；井口气体产量（标况下）：462 949 m3／d。

采用流体有限元软件FLUENT，模拟计算不同等效水力直径下，高压气体通过炮眼时产生抽汲作用力。根据不同等效水力直径，计算高压气体通过炮眼产生的抽汲作用力，见表2。

表2 KeS2-B井气体过炮眼产生的抽汲作用力计算结果

2.3 井下气体流速与抽汲作用力关系拟合

根据KeS2-A井和KeS2-B井不同井下气体流速计算得到的抽汲作用力数据进行拟合（如图2所示），得到塔里木油田克深区块高压气井井底流速与抽汲作用力的估算公式：

式中：ΔPf—气体过炮眼抽汲作用力，MPa；v—气体通过炮眼流速，m／s。

图2 不同井下气体流速与抽汲作用力关系拟合

三、高压高产气井出砂临界生产压差修正

将高压气体通过射孔炮眼时，由于紊流效应产生的抽汲作用力理解为附加压差，并考虑酸化改造对储层岩石强度的影响，对常规出砂预测得到的出砂临界生产压差进行修正，从而得到高压高产气井酸化改造后的实际出砂临界生产压差：

式中：Δpcx—修正后的出砂临界生产压差，MPa；A—改造后岩石强度影响系数，根据岩石酸化实验，取值0.2；Δpc—修正前的出砂临界生产压差，MPa；ΔPf—气体过炮眼抽汲作用力，MPa。

四、结论

（1）高速气体通过孔眼时形成紊流效应，这种紊流效应能够产生较强的抽汲作用力。

（2）数值模拟计算了气体流速与抽汲作用力的关系，分析表明，当气体流速较低时，产生的抽汲作用力非常小，可以忽略不计；当气体流速较高时，产生的抽汲作用力非常大，对出砂的影响不可忽视。

（3）考虑高速气体紊流效应产生的附加压差，以及酸化改造对储层岩石强度的影响，建立了高压高产气井出砂临界生产压差预测模型，为克深区块出砂预测提供了更加符合实际的方法。