出砂气井及其井下除砂短节的制作方法

1.本发明涉及疏松砂岩气藏防砂技术领域，特别涉及一种出砂气井及其井下除砂短节。


背景技术：

2.常规石油与天然气储层中，70％以上是弱胶结疏松砂岩油气藏，在开采过程中地层出砂严重。所谓出砂，是指石油与天然气疏松砂岩储层以及天然气水合物储层在开采过程中，地层砂粒随地层流体产出到井筒或地面的现象；防砂是目前解决出砂问题的主要途径。随着我国储气库建设进程不断加快，储气库出砂现象也时有发生。
3.常用的防砂工艺是使用砾石通过循环充填或挤压充填的方式在防砂筛管和油气层之间形成一个挡砂屏障，用于阻挡地填层砂。随着气井开发过程的持续，出砂量持续增加，必然会导致筛管和砾石层堵塞，增大表皮系数，降低生产压差和天然气产量。大部分防砂理论集中在防止地层砂从地层进入井筒，其主要原因在于地层砂进入井筒后会随着产出流体运移至地面，会导致抽油杆、泵筒、柱塞、管线等地面及井下设备磨蚀严重或砂卡，严重时甚至导致设备停止正常工作；造成地面清罐、冲砂检泵等工作的工作量剧增，大大增加生产维护成本。另一种防砂的核心理念是，并非完全限制地层砂进入井筒，而是适当降低当前防砂工艺中防砂层的挡砂精度，使少量粒径较小的地层砂进入井筒随后通过除砂装置使该部分地层砂从产出气中去除，最终得到合格含砂率的产出气。这种理念可以大幅度缓解由于挡砂层堵塞导致产量降低的现象，同时减少更换防砂管导致的巨额作业费用。
4.目前，除砂装置的使用主要集中在地面，专利文献cn110316791a公开了一种注水管线旋流分离除砂装置，解决了现有的注水管线用过滤装置在工作过程中易堵塞或破损，需要经常停井清理或维修，从而浪费人力物力的问题，以及由于注水井压力高，拆装风险大，且频繁拆装易造成密封部位磨损失效泄漏的问题。专利文献cn101707916b公开了一种多路旋流沉淀过滤器，其具有：沉淀杯、柱形旋流外壳、可拆卸和替换的旋流筒，其插入该旋流外壳中；扩散板、流体入口。插入旋流外壳中的旋流筒包括多个竖直布置的倒置圆锥形旋流器，每个旋流器在下端处具有小开口而在上端处具有较大开口。该筒具有多个流体流径，所述流体流径将流体引向在移动流体中诱发涡旋的旋流器。当在每个旋流器中将沉淀物从流体中除去时，沉淀物被分离出来并向下传送到沉淀杯贮槽中，而流体被向上引导并离开流体出口。专利文献cn104060977b发明了一种多相旋流除砂装置，所述进液管的输出端为所述气液分离分流器的输入端，所述气液分离分流器的输出分两路，一路从所述气液分离分流器的顶端将分离后的气相输出，另一路从所述气液分离分流器的底端将分离后的液相混合物传输给所述多筒旋流除砂器；多筒旋流除砂器引入引流管，建立了引流拽砂机制。消除了气相对旋流除砂器稳定运行的扰动，除砂效率高，实现了处理量可调、增加了高效工作点数，提高了适应性。
5.然而，除砂装置设置在地上的技术方案中，进入井筒的地层砂已提升至井口，这样仍会造成设备的损坏以及运维成本的增加。
6.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

7.本发明的目的之一在于，提供一种出砂气井及其井下除砂短节，从而实现出砂气井生产运行过程中的井下除砂，避免进入井筒的地层砂提升并到达井口造成设备损坏、运维成本增加。
8.本发明的另一目的在于，提供一种出砂气井及其井下除砂短节，从而缓解由于挡砂层堵塞导致产量降低和更换挡砂筛管产生巨额作业费用等问题。
9.为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种井下除砂短节，其包括：短管，其为管状结构；气体旋流管，其同轴设置在短管内，气体旋流管为上宽下窄的管状结构，其上端与短管的内壁相接，下端与短管之间具有间隙，气体旋流管的管壁中上部设有多条割缝；沉砂腔，其为短管的内壁与气体旋流管的外壁所围成的腔体；分流锥，其设置在气体旋流管的下部中心；以及螺旋进气通道，其环绕分流锥。
10.进一步，上述技术方案中，螺旋进气通道由螺旋导流槽和气体旋流管的内壁围合而成。
11.进一步，上述技术方案中，气体旋流管的底端向外延伸有导流沿。
12.进一步，上述技术方案中，分流锥由同轴设置的圆锥体和圆柱段组成，螺旋进气通道环绕分流锥的圆柱段。
13.进一步，上述技术方案中，割缝沿竖直方向延伸，每一条割缝的长度为8～12cm，宽度为0.05～0.15mm。
14.进一步，上述技术方案中，多条割缝沿气体旋流管的管壁周向均匀分布。
15.进一步，上述技术方案中，多条割缝排布为上下两排，并且上下两排的割缝交错设置。
16.根据本发明的第二方面，本发明提供了一种出砂气井，其包括：井筒，其包括套管、采气柱和固定封隔器；挡砂组件，其设置用于防止地层砂进入井筒；以及如上述技术方案中任意一项的井下除砂短节，其连接在采气柱的底端。
17.进一步，上述技术方案中，挡砂组件包括复合防砂筛管和/或砾石层。
18.进一步，上述技术方案中，当挡砂组件包括复合防砂筛管时，除砂割缝的宽度大于或等于复合防砂筛管的挡砂精度。
19.进一步，上述技术方案中，井下除砂短节与采气柱通过螺纹连接。
20.进一步，上述技术方案中，出砂气井用于疏松砂岩出砂气藏。
21.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.1.通过井下除砂短节的含砂气体旋流和地层砂分离沉降功能，将常规挡砂组件无法阻挡而进入井筒的地层砂与气体分离并沉降，防止该部分地层砂被气体携带至井口装置，避免造成设备堵塞甚至损坏。
23.2.通过挡砂组件与井下除砂短节的配合，在保证防砂效果的条件下，可以适当降低挡砂组件的挡砂精度，从而缓解由于挡砂组件堵塞导致产量降低的现象，同时减少更换挡砂组件导致的巨额作业费用。
24.3.通过分流锥的设计将含砂气体分流至螺旋进气通道，同时还能够降低地层砂的冲蚀作用。
25.4.通过气体旋流管底端的导流沿设计，一方面对进气形成导流效果，另一方面防止沉砂腔沉降的地层砂再被向上的气体带入气体旋流管，造成二次污染。
26.5.割缝的尺寸和布置设计，既能够确保除砂效果又保证了井下除砂短节的强度。
27.上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
28.图1是根据本发明的一实施方式的井下除砂短节的结构示意图。
29.图2是根据本发明的一实施方式的气体旋流管的结构示意图。
30.图3是根据本发明的一实施方式的气体旋流管的截面示意图，其中示出了割缝的分布。
31.图4是根据本发明的一实施方式的割缝的分布示意图。
32.图5是根据本发明的一实施方式的出砂气井的结构示意图。
33.图6是本发明的实施例1的南海某气井地层砂粒径分布曲线。
34.图7是本发明的实施例2的青海某气井地层砂粒径分布曲线。
35.主要附图标记说明：
36.11-套管，12-采气柱，121-安全阀，13-固定封隔器，20-井下除砂短节，21-短管，211-螺纹段，22-气体旋流管，221-导流沿，222-割缝，23-沉砂腔，24-分流锥，241-圆锥体，242-圆柱段，25-螺旋进气通道，251-螺旋导流槽，30-采气树，41-复合防砂筛管，42-砾石层。
具体实施方式
37.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
38.除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
39.在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
40.在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此
互换。
41.如图1至图4所示，根据本发明具体实施方式的井下除砂短节20，其包括：短管21，其为管状结构。气体旋流管22，其同轴设置在短管21内，气体旋流管22为上宽下窄的管状结构，其上端与短管21的内壁相接，下端与短管21之间具有间隙。气体旋流管22的管壁中上部设有多条割缝222(请参见图3和图4)。短管21的内壁与气体旋流管22的外壁所围成的腔体为沉砂腔23。气体旋流管22的下部中心设有分流锥24，分流锥24周围环绕着螺旋进气通道25。井下除砂短节20主要包括气体旋流和地层砂分离沉降两个功能区，共同实现将进入井筒的地层产出天然气中携带的地层砂去除的目的。
42.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，螺旋进气通道25由螺旋导流槽251和气体旋流管22的内壁围合而成。
43.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，气体旋流管22的底端向外延伸有导流沿221(请参见图1所示)。通过导流沿221的设计，一方面对进气形成导流效果，另一方面防止沉砂腔沉降的地层砂再被向上的气体带入气体旋流管，造成二次污染。
44.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，分流锥24由同轴设置的圆锥体241和圆柱段242组成，螺旋进气通道25环绕分流锥24的圆柱段241。圆锥体241的锥面朝下用于将含砂气体分流，同时降低地层砂的冲蚀作用。
45.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，割缝222沿竖直方向延伸，每一条割缝222的长度可以为8～12cm，优选长度为10cm，宽度可以为0.05～0.15mm。应了解的是，割缝222的宽度可根据地层砂处理精度要求以及当前挡砂介质精度进行自行设计加工，本发明并不以此为限。当气流中的地层砂由于旋流离心力的作用被甩至气体旋流管22的管壁时，需要去除的粒径的地层砂可顺利通过割缝222进入沉砂腔23，失去气体携带作用的地层砂即可通过重力的作用落回井底。
46.结合图3所示，在本发明的一个或多个实施方式中，多条割缝222沿气体旋流管22的管壁周向均匀分布。
47.结合图4所示，在本发明的一个或多个实施方式中，多条割缝222排布为上下两排，并且上下两排的割缝222交错设置，以保证井下除砂短节20的整体强度。
48.结合图5所示，根据本发明具体实施方式的出砂气井，其井筒包括套管11、采气柱12和固定封隔器13。本发明的除砂气井还设有用于防止地层砂进入井筒的挡砂组件。如上述技术方案中任意一项的井下除砂短节20连接在采气柱12的底端。通常情况下，出砂气井的井口为采气树30，采气柱12上还设有安全阀121，本发明的井下除砂短节20可通过螺纹安装在采气柱12端部并长时间在疏松砂岩出砂气井井下工作，起到井下高效除砂的作用。
49.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，挡砂组件可以包括常规的挡砂结构，例如，图5中的挡砂组件为复合防砂管41和砾石层42。应了解的是，本发明并不以此为限。
50.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，当挡砂组件包括复合防砂筛管时，井下除砂短节20的割缝222的宽度大于或等于复合防砂筛管的挡砂精度。
51.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，短管21上端设有螺纹段211，井下除砂短节20通过螺纹段211与采气柱12相连接。应了解的是，本发明并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际条件选择合适的连接方式。
52.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，出砂气井用于疏松砂岩出砂气藏，主要是用于见水前或水气比较低的疏松砂岩出砂气藏。当气藏大量见水后，开采方式和采气柱都将发生巨大改变，本发明将不适用于此类工况。
53.需要说明的是，气井(储气库)产量较高，当高流速天然气携带地层砂直接与本发明的出砂气井的设施接触时，会导致严重的冲蚀损坏，因此本发明中气体旋流管22、螺旋导流槽251、分流锥24等部件和结构的材料均采用高抗冲蚀的合金或在与含砂气体直接接触的区域进行抗冲蚀涂层。
54.下面以具体实施例的方式更加详细地说明本发明的出砂气井及其井下除砂短节，应了解的是，本发明并不以此为限。
55.实施例1
56.本实施例以南海某气井为例。目前，南海某气井未出现产水现象，该气藏地层砂粒度中值为0.18mm，具体地层砂粒度分布如图6所示。该出砂气井采用了本发明的井下除砂短节20与复合防砂筛管相配合的方式进行防砂除砂。本实施例选用挡砂精度为0.15mm的复合防砂筛管，由此阻挡超过70％的地层砂，部分粒径低于0.15mm的地层砂进入井筒后在井下除砂短节20中被去除。
57.首先，根据清除地层砂的最小粒径要求对井下除砂短节20的高径比、割缝222的宽度等进行设计。通过螺纹段211将井下除砂短节20连接在采气柱12的最低端。随后通过井下作业将整体采气柱12放入套管11内并通过固定封隔器13在套管11上坐封。出砂气井投产后，天然气携带地层砂进入井筒，在“井底流压—井口油压”压差的作用下向上运移，垂直向上进入井下除砂短节20，在分流锥24的作用下，携砂气体分流后分别进入螺旋状向上延伸的螺旋进气通道25中，并在螺旋进气通道25的螺旋形结构中高速移动。当携砂气体离开螺旋进气通道25时，在原有运动状态产生的惯性作用下继续在气体旋流管22内沿其内壁呈螺旋上升状态，而混相流中密度显著高于天然气的地层砂在离心力的作用下被甩至混相流外侧并与气体旋流管22的管壁接触。气体旋流管22上的割缝222的长度约为10cm，每两条割缝222与轴心的夹角为15
°
，上下两排割缝相错开。当混相流中的地层砂由于旋流离心力的作用被甩至气体旋流管22的管壁时，需要去除的粒径的地层砂可顺利通过割缝222进入沉砂腔23。进入沉砂腔23中的地层砂立即失去了气体向上的拖拽力，即可通过重力的作用落回井底。
58.本实施例的出砂气井能够降低由于复合防砂筛管堵塞导致产量降低的现象，同时减少更换复合防砂筛管及井上设备导致的巨额作业费用。
59.实施例2
60.本实施例以青海某气井为例。目前，青海某气产出流体带有少量地层水，水气比极低。该气藏地层砂粒度中值为0.12mm，粒度分布较为均匀，具体地层砂粒度分布如图7所示。由于该地层出砂量较少且临界出砂压差较高，因此可直接使用井下除砂短节20完成井筒内除砂工作。
61.首先，根据清除地层砂的最小粒径要求对井下除砂短节20的高径比、割缝222的宽度等进行设计。通过螺纹段211将井下除砂短节20连接在采气柱12的最低端。随后通过井下作业将整体采气柱12放入套管11内并通过固定封隔器13在套管11上坐封。出砂气井投产后，天然气携带地层砂进入井筒，在“井底流压—井口油压”压差的作用下向上运移，垂直向
上进入井下除砂短节20，在分流锥24的作用下，携砂气体分流后分别进入螺旋状向上延伸的螺旋进气通道25中，并在螺旋进气通道25的螺旋形结构中高速移动。当携砂气体离开螺旋进气通道25时，在原有运动状态产生的惯性作用下继续在气体旋流管22内沿其内壁呈螺旋上升状态，而混相流中密度显著高于天然气的地层砂在离心力的作用下被甩至混相流外侧并与气体旋流管22的管壁接触。气体旋流管22上的割缝222的长度约为10cm，每两条割缝222与轴心的夹角为15
°
，上下两排割缝相错开。当混相流中的地层砂由于旋流离心力的作用被甩至气体旋流管22的管壁时，需要去除的粒径的地层砂可顺利通过割缝222进入沉砂腔23。进入沉砂腔23中的地层砂立即失去了气体向上的拖拽力，即可通过重力的作用落回井底。
62.本实施例的出砂气井能够避免更换挡砂组件及井上设备导致的巨额作业费用。
63.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。