DOI: 10.12677/me.2025.132026, PDF, HTML, XML,  被引量   
作者: 赵菲菲, 代章涛, 易思静, 李瀚翔：重庆科技大学石油与天然气工程学院，重庆
关键词: 页岩气；非侵入式出砂检测；出砂规律；Shale Gas； Non-Invasive Sand Production Detection； Sand Production Law

文章引用：赵菲菲, 代章涛, 易思静, 李瀚翔. 渝西某区块页岩气出砂规律研究[J]. 矿山工程, 2025, 13(2): 219-226. https://doi.org/10.12677/me.2025.132026

1. 引言

近年来，国内页岩气开发热情高涨，页岩气在国内天然气产量中所占的比例也日益增大[1]。由于页岩气田特殊的储层结构及水力压裂开采方式的应用，采出页岩气中含有水及砂粒[2]。随着年产量的增加，气井出砂的情况更加普遍，砂粒被气流带至采气平台，对工艺管道造成冲蚀磨损，对集输管道、设备造成影响，严重时甚至会引起管道或设备失效。冲蚀是指流体束或携带有固体介质的流体束在冲击固体表面时，对固体表面造成损坏的现象[3]。随着天然气地面集输系统投入使用的时间增加，管道及设备在使用过程中由于磨损、腐蚀、材料老化、管材和焊缝缺陷等原因，造成管道局部减薄、设备损坏[4]。管壁减薄只能降压运行，造成投资浪费，严重时造成管道穿孔，带来安全隐患和经济损失。自2020年8月至今，渝西某区块页岩气区块地面站场出现穿孔失效事件共计17次，失效原因均为内腐蚀 + 砂冲刷。穿孔位置主要位于井口至计量撬、计量管汇以及与分离器相连接的金属管道，大部分集中在弯头、三通、出气管口等部位[5]。因此，找到出砂规律，评估砂冲蚀对设备或管道的影响，制定相应的预防措施尤为重要。

2. 出砂监测方法和关键因素分析

从20世纪70年代至今，国外提出了声波检测法、ER检测法、X射线检测法、光纤声波检测法、声纳检测法等多种出砂检测方法。目前，技术比较成熟、应用最广的为ER法和声波法。其中，ER法需要在管线内插入监测探头，测量的过程中需要伴随地面管线的改造，考虑到现场改造安全，选择声波法进行气井出砂监测[6]。

Roxar防砂监测系统是一种非侵入式防砂监测系统，可测量石油、天然气或多相流管线中的砂粒数量。其工作原理是基于声发射传感器，气固混合流体输送过程中，在管道弯管处气体与固体砂粒与管壁碰撞，产生超声波信号，通过置于管道外部的声发射传感器拾取该信号，噪声信号经过预处理和A/D转换后，通过传感器电源线传输至安全区域电子设备。安全区域电子设备包括一个24 VDC电源单元(PSU)、一个计算和接口单元(CIU)和一个针对危险区域中探测器的安全屏障[7]。CIU是一个Modbus从机单元，它根据输送到计算机中的信号，根据出砂率和信号幅度之间的关系建立起的模型，计算出管道的出砂率。如果以每10 s存储一次出砂数据，那么探测器读数存储在内部闪存中可长达90天。

3. 采集周期安排

王浩等人分阶段研究了长宁页岩气产砂规律，发现排采阶段产砂量大，引起冲刷腐蚀和机械磨损[8]。涂敖等人通过研究不同油嘴制度下长宁地区页岩气出砂量，发现5 mm~9 mm油嘴是页岩气出砂最大的时期，不同时期返排砂大小是不一致的。本次出砂采集计划的依据是按照生产阶段进行采集，根据每口井的投产时间、设备数量、采集周期等合理安排采集时间[9]。

第一阶段——排采阶段投产后1~45天，目的：正式地面流程上的周期确定，砂量明显下降后上正式地面流程，找到出砂规律。

第二阶段——投产45~120天，目的：掌握产砂规律。

第三阶段——投产120天之后，目的：是否可以拆除除砂设备。

4. 出砂数据分析

采集数据工作自2023年5月17日至今，共采集8个平台、22口井、160天数据，其中第一阶段采集数据41天、第二阶段采集数据66天、第三阶段采集数据53天，每个阶段采集出砂基本情况汇总如下表1所示。

Table 1. Summary of sand production data collection of the project

表1. 项目出砂数据采集情况汇总

阶段	当前采集天数	当前总 出砂量	当前总出砂频次	每天出砂频次	每次出砂 平均值	单次出砂最大总量	最大出砂质量流量
第一阶段	41天	120.539 kg	81次	1.97次	1.488 kg/次	13.7 kg	0.26 kg/s
第二阶段	66天	180.38 kg	190次	2.9次	0.95 kg/次	4.867 kg	0.19 kg/s
第三阶段	53天	308.757 kg	315次	5.9次	0.97 kg/次	4.63 kg	0.16 kg/s

从上表可知，从第一阶段到第三阶段，每天的出砂频次在增加，单次出砂最大总量在减少，时刻最大出砂量也在减少，从现有采集数据得出每口井的出砂量、出砂频次各不相同，但大部分处于2.5 kg以下，个别出砂点出砂量较大。

4.1. 第一阶段出砂规律分析

Figure 1. Sand production law in the first stage

图1. 第一阶段出砂规律

利用绘图软件Origin对第一阶段的所有井每天出砂量和每天的出砂频次进行绘图，第一阶段时间以0~45天为横坐标，每天出砂量和次数为纵坐标，如采集数据为同一天时则采取求平均值的方式，分别计算每天出砂量和出砂频次作为该天的数据，再使用Origin自带的数据拟合功能或Matlab进行数据的拟合，得出出砂规律。第一阶段采集时间41天，总出砂120 kg左右，出砂81次，大部分出砂量在5 kg/d以下，少量时间出砂多，出砂频次表现在后半程出砂次数明显增加。

利用高斯函数进行分峰拟合，通过作图观察，每口井均存在出砂多的情况，大部分出砂情况处于较低值，符合高斯分布的特点。高斯函数是特征对称的钟的形状，对每个峰进行拟合，一个峰对应两条拟合曲线，将所有拟合曲线进行拟合，得到累计峰值拟合曲线[10]。

由图1(a)、图1(b)得出第一阶段出砂量大部分每天出砂在5 kg/天以下，个别天数的出砂量会急速增加，总体来讲第一阶段每天出砂量是波动的；出砂频率表现出前25天出砂次数少，25~45天出砂次数明显增加的趋势。

图1(c)拟合函数为：

$\begin{array}{c}Ke=a_1\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_1\right)/c_1\right)^2\right)+a_2\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_2\right)/c_2\right)^2\right)\\ +a_3\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_3\right)/c_3\right)^2\right)+a_4\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_4\right)/c_4\right)^2\right)\end{array}$ (1)

图1(d)拟合函数为：

$\begin{array}{c}Ke=a_1\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_1\right)/c_1\right)^2\right)+a_2\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_2\right)/c_2\right)^2\right)\\ +a_3\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_3\right)/c_3\right)^2\right)\end{array}$ (2)

参数取值范围如下表2所示。

Table 2. Range of values of parameters for data fitting in the first stage

表2. 第一阶段数据拟合参数取值范围

参数名称	(1)取值(范围)	参数名称	(2)取值(范围)
a1	12.68 (−2429, 2454)	a1	2.902 (−2.169e+05, 2.169e+05)
b1	11.94 (−128.7, 152.6)	b1	34.09 (−2.79e+04, 2.796e+04)
c1	0.9997 (−169, 171)	c1	0.2806 (−9680, 9681)
a2	4.858 (−2.043e+04, 2.044e+04)	a2	2.6 (1.406, 3.793)
b2	28.2 (−970.7, 1027)	b2	30.07 (29.67, 30.46)
c2	0.3574 (−597.6, 598.4)	c2	1.195 (0.6067, 1.784)
a3	3.12 (−608.7, 614.9)	a3	3.097e+09 (−2.576e+15, 2.576e+15)
b3	15.33 (−1419, 1449)	b3	−2.724e+04 (−1.055e+09, 1.055e+09)
c3	2.461 (−2643, 2648)	c3	5881 (−1.138e+08, 1.138e+08)
a4	1.268e+15 (−7.844e+19, 7.844e+19)	SSE (和方差)	5.82
b4	−5512 (−1.008e+07, 1.007e+07)	R2	0.7184
c4	949.2 (−8.632e+05, 8.651e+05)	RMSE	0.5686
SSE (和方差)	31.15
R2	0.886
RMSE	1.395

4.2. 第二阶段出砂规律分析

将第二阶段数据导入Origin作出每天出砂量和出砂频次的折线图，具体操作和第一阶段数据拟合类似。首先选用Origin自带的函数进行数据拟合，再结合Matlab数据拟合器选用合适的函数进行拟合。第二阶段采集时间66天，总出砂180 kg左右，出砂190次，大部分出砂量在8 kg/d以下，少量时间出砂多，出砂频次表现在前半程出砂次数明显大于后半程。

Figure 2. Sand production law in the second stage

图2. 第二阶段出砂规律

观察第二阶段每天出砂量，发现其大致是先上升后下降的趋势，采用多项式拟合较为合理；观察第二阶段每天出砂频次，发现其存在峰值这种情况，利用高斯函数进行分峰拟合较为合理。

由图2(a)、图2(b)得出第二阶段60~75天出砂量较大，其余时间出砂量在8 kg/d以下，出砂频次在第二阶段的第70天左右出现最多出砂次数，其余较为平缓，每天出砂次数在12次以下，与第一阶段总体比较每天出砂量和出砂频次增加，但单次最大出砂量在减小。

图2(c)拟合函数公式为：

$K_{\text{e}}=a_1{x}^4+a_2{x}^3+a_3{x}^2+a_{4}x+b$ (3)

图2(d)拟合函数公式为：

$y=a_1\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_1\right)/c_1\right)^\right)2+a_2\ast \exp \left(-\left({\left(x-b\right)}_2/c_2\right)^2\right)$ (4)

参数取值范围如下表3所示。

Table 3. Range of values of parameters for data fitting in the second stage

表3. 第二阶段数据拟合参数取值范围

参数名称	(3)取值(范围)	参数名称	(4)取值(范围)
a1	8.943e−06 (−7.804e−09, 1.789e−05)	a1	22.36 (15.96, 28.75)
a2	−0.001246 (−0.002607, 0.0001156)	b1	70.12 (69.84, 70.41)
a3	0.0452 (−0.02147, 0.1119)	c1	0.7632 (0.4785, 1.048)
a4	−0.0629 (−1.158, 1.032)	a2	10.16 (6.584, 13.73)
b	1.397 (−3.16, 5.954)	b2	37.79 (32.36, 43.21)
SSE (和方差)	177.8	c2	30.06 (21.94, 38.18)
R2	0.65	SSE (和方差)	134.4
RMSE	2.91	R2	0.7924
		RMSE	2.592

4.3. 第三阶段出砂规律分析

Figure 3. Sand production pattern in the third stage

图3. 第三阶段出砂规律

将采集数据导入Matlab进行拟合得出的拟合公式导入Origin进行绘图。第三阶段采集时间53天，总出砂308 kg左右，出砂315次，大部分出砂量在5 kg/d以下，少量时间出砂多，出砂频次表现在后半程出砂次数明显增加，其中出砂次数与前两个阶段比较明显增加。

由图3(a)、图3(b)得出第三阶段出砂次数明显增多，150~200天左右出砂量较低，200~215天出砂量和次数明显增加。

图3(c)拟合公式为：

$Ke=y_0+\left(a/w\ast \sqrt{\pi }/2\right)\ast \exp {\left(-2*\left(\frac{\left(x-x_c\right)}{w}\right)\right)}^2$ (5)

图3(d)拟合公式为：

$\begin{array}{c}y=a_1\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_1\right)/c_1\right)^2\right)+a_2\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_2\right)/c_2\right)^2\right)\\ +a_3\ast \exp \left(-\left(\left(x-b_3\right)/c_3\right)^2\right)\end{array}$ (6)

参数取值范围如下表4所示。

Table 4. Range of values of parameters for data fitting in the third stage

表4. 第三阶段数据拟合参数取值范围

参数名称	(5)取值(范围)	参数名称	(6)取值(范围)
y0	2.420442 (1.368372, 3.472512)	a1	9.227 (6.892, 11.56)
xc	(88.36911 ± 0.63085)	b1	92.04 (91.35, 92.73)
w	(8.18088 ± 0.63085)	c1	2.517 (1.41, 3.625)
a	(267.7111 ± 42.02082)	a2	12.69 (−218, 243.4)
SSE (和方差)	32.85587	b2	85.93 (62.53, 109.3)
R2	0.6273	c2	1.864 (−19.52, 23.25)
		a3	1.415e+05 (−2.81e+09, 2.81e+09)
		b3	6540 (−1.25e+07, 1.251e+07)
		c3	2018 (−1.95e+06, 1.954e+06)
		SSE (和方差)	48.83
		R2	0.8701
		RMSE	1.398

5. 小结

分析第一、二、三阶段的出砂规律，大多数出砂量少，少部分出砂量大，呈现一个峰值后迅速回落，其中第一阶段单个出砂量最大，第二、三阶段依次减少，在生产前期冲蚀较大，应多关注前期的生产状况，检查集输系统，在出砂较为严重时，使用除砂器设施，保障页岩气集输系统的安全生产。

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