适度防砂井采油树冲蚀作用的分析与认识

万禧煌，汪本武，张绍广，任大明，许明亮，张彦鑫

（中海石油（中国）有限公司天津分公司 天津 300450）

渤海湾砂岩浅层油藏储层厚度大、层数多，大多数胶结疏松高渗，渗透率高，易出砂[1-2]，目前其实际开发中的完井策略主要采用砾石充填等适度防砂方式[3]。该方式一方面能形成油井的较高生产压差，造成高诱导应力以促进油井的产能释放[4-5]；另一方面在开采过程中，不同粒径的油层砂随着地下原油运移，能在近井地带形成“蚯蚓洞”，疏通渗流通道，提高近井地带的渗透率[6-7]。随着海上油田的规模开发和适度防砂技术的广泛应用，一旦单井地层应力超过地层强度，会导致地层砂粒伴随着油气水一起产生固相运移[8]，最终被携带至地面造成采油树通道内壁磨损。由于油气开采是一个连续的过程，因此，伴随着日常生产砂粒会持续对井口装置内壁进行冲蚀，逐渐导致采油树本体形成沟槽、减薄等问题，长期会危害到油气田安全生产管理。

1 渤海油田采油树简介

渤海油田采油树主要作用是控制生产，并为井口钢丝作业、生产测压作业、生产测井作业、井口取样、井口压力传感器、温度传感器等提供条件，其基本构件是由生产主阀、清蜡阀、翼阀、油管四通或三通、以及节流阀等众多部件连接而成。按照结构分类，一般分为整体式和分体式。整体式采油树是将主阀、安全阀、清蜡阀和翼阀等制成一个整体部件，阀与阀之间的距离较小，既省空间又耐高压，因此渤海油田多为整体式采油树[9-11]（图1）。

图 1 整体式采油树及生产流体通道方向示意图Fig. 1 Diagram of unitized solid-block tree and production channel direction

2 采油树冲蚀模型

由于采油树本体结构凹凸变化，建立不规则的三维几何实际模型十分复杂，为了便于分析研究，通常需要对不规则棱角进行简化处理。

2.1 控制方程

海上油田整体采油树在实际生产过程中，油气水混合物从井筒流出地面可视为是一个连续的过程，在技术分析及数值计算中，我们将近壁区域视为标准壁面函数处理，可以通过求解雷诺平均方程，结合湍流模型来进行。

通常流体定常流动，可得到基于质量守恒的连续方程[12]：

标准k-ε模型方程：

式中：ρ为流体密度，g/cm³；xi、 xj、xk分别为x、y、z坐标；U为流体速度，m/s；ui、 uj、uk分别为绝对速度分量u、υ、ω， m/s；∈为湍流耗散率；k为湍流动能，J；t为时间，s；μt为湍流涡旋黏性系数；C1∈、 C2∈、 σk、σ∈均 为常数，C1∈=1.44，C2∈= 1.92，σ∈= 1.30，σk=1.00。

2.2 几何模型建立及网格划分

在油井正常生产过程中，采油树的主阀、清蜡阀及生产翼阀处于常开状态，服务翼阀处于常关状态。因此，可将采油树法兰盘连接段内流域模型简化为光滑过度曲面，并根据生产中流体流动方向及通道情况进行冲蚀速率分析，建立相应CFD几何模型(图2)。在计算流体力学分析中，将结合采油树结构采取非均匀结构化划分技术进行网格划分。由于一些物理参数在边界层处的梯度变化很大，为了精确描述这些参数，可将边界层处的网格密度较其他地方划分更加细密，流体域网格模型如图3所示。

图 2 采油树CFD几何模型Fig. 2 The CFD model of X-tree

图 3 采油树有限元网格划分Fig. 3 Finite element mesh generation of X- tree

3 出砂冲蚀计算分析

为了预测不同出砂工况下的采油树阀体冲蚀速率，建立多种条件下的冲蚀规律，通过利用FLUENT模拟，可分析和计算油井在生产过程中不同产液量、出砂量及出砂粒径在井口采油树的速度分布情况，研究其冲蚀速率的变化。

3.1 产液量变化对冲蚀影响分析

在油井生产过程中，影响井口采油树内部冲蚀程度的主要因素与其内部结构等有关，而与井深无关。假定介质为稳定的油水混合物，忽略流体压缩过程中热效应，通过模拟（图4）可知，在同一个工况条件下，流体在进入采油树通道后，其速度分布较为平稳，但在旁通口拐角处容易形成一个高压区和负压区，冲蚀速度达到最大。因此，冲蚀的关键位置在流道发生变化的内部上壁面，且随着产液量的不断增大，冲蚀效果会更加明显。

3.2 出砂量对冲蚀速率影响分析

根据海上油田出砂监测要求及防砂效果评价，对于投产初期的生产井，含砂量取值可适当放宽，但适度防砂的含砂量应控制在0.5%以内[2]，因此计算时可以将出砂量分别设为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%及0.5%五个等级。通过模拟计算发现，在同一出砂粒径大小的条件下，不同出砂量所对应的砂粒分布运动轨迹存在明显差异，其所形成的冲蚀速率也存在很大差别（图5）。

由图5可见，在选择砂粒为0.15 mm条件下，随着含砂量增大，砂粒对流道内壁的碰撞冲蚀量将会明显增加，分析主要原因是随着含砂量增大，表现为液体流速增加及携带能力增强。因此，一方面砂粒与流道内壁接触的相对总能增加，另一方面会导致单位碰撞壁面的频率增高。通过对比分析，不难发现随着砂粒流量的增加，砂粒运动轨迹会出现逐渐集中规律，冲蚀范围趋于集中，最大冲蚀量曲线整体呈上升趋势（图6）。

3.3 出砂粒径对冲蚀速率影响分析

结合渤海地区多年以来简易防砂综合优选应用研究，渤海防砂筛管孔径普遍在0.12 mm，我们在计算冲蚀速率时可将出砂粒径设置为0.05、0.10、0.15、0.20及0.25 mm五个粒径尺寸。通过模拟计算分析，在相同含砂量的条件下，不同出砂粒径大小所对应的砂粒分布运动轨迹和其所形成的冲蚀速率差异明显（图7）。

图 4 不同产液量在采油树通道的速度分布Fig. 4 Velocity distribution of different liquid production in X- tree

图 5 采油树通道颗粒运动轨迹及冲蚀速率分布云图Fig. 5 Cloud chart of particle movement track and erosion rate distribution in the passage of X-tree

图 6 含沙量与最大冲蚀速率对应关系Fig. 6 Corresponding relationship between sand content and maximum erosion rate

由图7中可见，砂粒粒径越小，冲蚀破坏范围越集中；砂粒粒径越大，冲蚀破坏的范围越分散，但粒径的变化不会引起最大冲蚀位置的调整改变。同时分析结果显示，采油树最大冲蚀速率在粒径小于0.10 mm时随着出砂粒径的增大而加快，超过0.10 mm会逐渐降低（图8）。

3.4 出砂冲蚀应对措施

通过上述不同产液量变化、含砂量及含砂粒径等对采油树通道的冲蚀程度研究，并结合其变化趋势，在渤海油田适度防砂井的生产过程中，可以进一步有针对性地为降低采油树的冲蚀程度寻找方法，主要措施建议如下。

（1）在流程设施设计管理上进一步优化井口装置配套。通过冲蚀的关键位置变化趋势，可在井口采油树旁通口拐角处增加陶瓷耐磨内衬套等，提高冲蚀关键位置的边界强度。

（2）在油井生产制度上进行调整，合理控制产量变化。在油井生产管理过程中，结合实际生产化验含砂变化趋势，在正常生产和出砂生产之间确定非固定生产制度策略，以分散含砂颗粒与固定壁面的碰撞几率，从而避免冲蚀范围趋于集中。

图 7 采油树通道颗粒运动轨迹及冲蚀速率分布云图Fig. 7 Cloud chart of particle movement track and erosion rate distribution in the passage of X-tree

图 8 出砂粒径与最大冲蚀速率对应关系Fig. 8 Corresponding relationship between the sand size and the maximum erosion rate

4 结论与建议

（1）经过研究整体式采油树的产液流动特征及砂粒的冲蚀变化趋势，确定了井口装置受冲蚀磨损严重的区域，为适度防砂井采油树的安全使用提供了科学理论依据。

（2）分析表明，随着含砂量增大，会加强对采油树通道内壁的冲蚀作用，且内壁的砂粒冲蚀范围趋于集中，主要分布在采油树旁通口拐角处边界，最大冲蚀率也成增大趋势。

（3）通过模拟计算，砂粒粒径越小，造成冲蚀破坏范围越集中，但最大冲蚀率与砂粒粒径尺寸并非正相关性。

（4）鉴于油井出砂对采油树通道内壁磨损冲蚀的分布规律，在实际设计管理中可提高采油树旁通口拐角段的边界强度，并在现场生产管理中应重点加强该边界的定期安全监测与预判。