四川盆地页岩气井地面安全返排测试技术
刘飞;王勃;潘登;曾小军;庞东晓
【摘 要】针对页岩气藏大规模加砂压裂后地面连续返排测试作业以及钻塞冲砂作业期间,返排液含大量砂粒和碎屑,地面返排测试流程易发生堵塞或刺漏,安全风险高等问题,完善地面流程布局,优化设计出专用排砂管线和测试管线,研发配套了105 MPa捕塞器、105 MPa旋流除砂器、105 MPa管柱式除砂器等系列除砂除屑装备,在此基础上开展相关的工艺技术研究,确定出不同返排测试工况条件下流程的最优走向,形成了一套集除砂除屑、流程超压保护、防冰堵和安全监控为一体的页岩气井地面安全返排测试工艺技术,解决了页岩气井地面返排测试作业面临的高回压条件下钻塞捕屑、除砂、大排量连续返排等技术难题,运用该技术安全高效地完成了四川盆地多口页岩气井的地面测试计量作业,保障了页岩气井返排测试期间地面流程设备和作业人员的安全,效果显著.%The shale gas reservoirs mainly rely on horizontal well technology and large - scale separated - layer fracturing technique to enhance productions. Formation sand producing severely after large - scale sand fracturing or during the course of milling the bridge - plug led to a high risk of the surface flow - back test of the shale gas well. Thusly, in
order to solve the problems of catching plug debris, removing sand and achieving continuous high rate flow - back under high wellhead pressure, the new flow - back and well testing plans are designed. Two sand clearance lines are designed for flow - back operations, and self - developed equipment such as 105MPa plug catcher and 105MPa cyclone desander are put into use, which ensure the sand removing efficiency and the smooth flow of the surface flow lines. On that basis, the corresponding technologies are developed , eventually forming a set of unique surface flow - back test technology for shale gas, including ice blockage prevention, overpressure protection and security monitoring technologies. A lot of flow - back tests of shale gas wells have successfully completed in Sichuan basin by using such technology.
【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(032)001
【总页数】5页(P30-34)
【关键词】四川盆地;页岩气;地面流程;控压;除砂;连续返排测试技术
【作 者】刘飞;王勃;潘登;曾小军;庞东晓
【作者单位】川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院,四川广汉618300
【正文语种】中 文
【中图分类】TE358+.5
0 引 言
四川盆地页岩气资源丰富，其页岩气藏的成功勘探开发具有非常重大的意义[1-2]．盆地内元坝区块下侏罗系自流井组东岳庙段黑页岩，富顺区块下志留统龙马溪组黑页岩以及威远区块下古生界寒武系筇竹寺组黑页岩等成为主要勘探的目的层段[3]．目前已在上述区块进行了多口页岩气井的钻探和试油测试工作．页岩气藏属于非常规天然气藏，目前主要采用水平井完井和可钻式桥塞分层大型水力加砂压裂等系列工艺技术进行开发[4-5]，该方式给页岩气井后续的地面返排测试带来诸多的难题，如加砂压裂后地层常常出砂严重，返排前期井口压力高，返排液量大，返排时间长，高压特别是地层出砂时会给地面测试流程设备带来严峻的考验，地面管线设备极易被冲蚀而引起刺漏，导致返排测试作业中断，甚至导致井筒沉砂
而终止测试；另一方面钻塞冲砂期间，返排碎屑对地面管线、设备，特别是节流阀的冲蚀更大，如何有效控压和除屑除砂难度大，风险高．因此进行页岩气井地面安全返排测试技术研究，有效解决高压条件下捕屑、除砂、大排量连续返排等系列难题，意义重大，有利于加快页岩气藏的勘探开发步伐．
1 地面返排测试方案设计
页岩气井通常采用大规模的水力加砂压裂改造增产，单井分层改造段数多，压裂改造用液量、加砂量往往超出常规气井增产改造数倍、数十倍，如在美国不同页岩气区域单井改造用水量大致相同，一般为11 000 m3，每段压裂液用量达1 000～1 500 m3，每段支撑剂用量达100～150 t[6]．正是由于页岩气井这种大排量、大液量、大砂量、小粒径、低砂比分层改造方式，导致页岩气井地面测试与常规气井相比，往往需返排液量更大，返排时间更长，特别是大规模加砂压裂后带来的返排测试期间地层大量出砂的控制处理难度更大，同时页岩气井多层合排时需要进行钻塞冲砂作业，期间桥塞碎屑和砂粒被井筒高压流体快速带出，地面安全风险高．因此在进行页岩气井地面测试方案设计时，首要考虑尽量在流程前端高效去除地面返排测试液中携带的大量砂粒或桥塞碎屑，其次是有效提高地面设备如闸阀、节流阀的耐冲蚀能力，从而保证返排测试作业的连续进行．
前端测试和后端测试的区别
为此研发配套了105 MPa捕塞器，用于连续油管钻磨桥塞时，地面捕获桥塞碎屑；同时研发配套了105 MPa旋流除砂器和105 MPa管柱式除砂器，分别用于返排期间除去流体和气体中绝大部分固体砂粒，保护下游测试设备，目前国内外还未见用于去除大排量液体中固相颗粒的高压旋流除砂器的报导，而用于常规气井地面测试除砂作业普遍使用的滤砂器往往除砂效率不高，且更适合用于去除气体中的固相颗粒．另一方面在页岩气井地面测试方案设计中，将常规地面测试作业所用的普通闸阀改进为防砂闸阀，并设计了高抗冲蚀硬质合金油嘴，大大提高闸阀和油嘴的抗冲蚀能力和使用寿命，可更好地保证放喷排液的连续进行．
页岩气井加砂压裂后地面返排测试时，井口压力往往较高，可达70 MPa以上，高压也会给地面测试带来许多难题，因此进行页岩气井地面测试方案设计时，除实现常规试气要求，即要满足放喷返排、计量求产、取样、温度压力监测与数据采集等功能外，必须考虑流程承高压、超压保护与防冰堵等功能，流程高压端采用承压105 MPa的高压管线与设备，通过ESD控制面板远程控制液动安全阀，实现紧急关断功能，主要压力容器设备上安装高低压传导阀，并与远程控制面板结合，实现设备自动超压保护等功能，此外，返排测试期间，主要采用加热保温法和泵注化学试剂法来防止水合物的形成．
2 地面流程设计与装备配套
页岩气地面流程装备主要由井口捕塞除屑装置、气液分离除砂装置、滤砂装置[7]、节流控压设备、紧急关断系统、分离计量装置等组成．地面流程设计了2条专用主副排砂管线与1条分离器测试管线(图1)．
井口至返排管汇与油嘴管汇之间采用采用105 MPa高压法兰管线连接，高压管线前端为液动安全阀，捕塞器及其旁通管线，后端为旋流除砂器和返排管汇，主要用于实现捕获钻屑、除砂与地面关井等功能．
主副排砂管前端连接到返排管汇，每条管线上分别连接1个可调节流阀和1个固定节流阀形成三级节流，排砂管线后端连接旋塞阀组后再进缓冲罐，缓冲罐尾气进小火炬燃烧，排液直接进入返排罐或污水池．排砂管线主要用于前期返排液以及钻塞冲砂等作业．
测试管线与2条排砂管线组成并联方式连接，直接连接在旋流除砂器后端，其上依次为管柱式除砂器、油嘴管汇、热交换器、三相分离器等设备，分离器气路出口经65～14 MPa管线连接到密闭燃烧器或燃烧池，水路出口管线连接到旋塞阀组至返排罐，油路出口连接到计量方罐．测试管线主要用于返排后期大产量时的油气水分离计量测试求产作业．
3 页岩气地面测试工艺技术
3.1 高回压条件下除砂除屑与大排量连续返排工艺技术
页岩气井加砂压裂结束后，返排初期井口压力高，为保证高回压条件下有效的除砂除屑，在流程前端安装专用105 MPa捕塞器、105 MPa旋流除砂器和105 MPa管柱式除砂器，用于钻塞作业期间的捕屑除屑与正常返排期间的除砂，这是与常规气井地面测试最主要的区别之一．捕塞器工作压力105 MPa，主要通过内衬的筛网来实现捕获钻屑的功能，防止桥塞碎屑进入下游，堵塞油嘴或刺坏管线设备，筛网容积大，能同时容纳8个桥塞碎屑，可满足直井或水平井单次钻塞的需要；且在现场无须将捕塞器拆卸进行冲洗和清塞作业，满足了连续钻塞、循环作业目的．旋流除砂器工作压力105 MPa,最大液处理量1 000 m3/d，气处理量150×104 m3/d ，采用旋流方式除砂，流体切向进入筒体后按筒体内部的螺旋分离元件规定的轨迹进行旋流，依靠由此产生的离心力和重力分离固相颗粒，从而有效地减少对下游地面设备的损坏．管柱式除砂器工作压力105 MPa，处理砂粒直径≥100 μm，最大气处理量100×104 m3/d，内置双滤砂筒，主要利用不同等级的加固滤网过滤固相颗粒，不同级别的滤网适用于不同尺寸的固相颗粒，根据页岩气井加砂压裂采用支撑剂粒度大小，现场通常采用滤网尺寸150～300 μm的砂筒．旋流除砂器处理量大，能有效去除液相流体中的固相颗粒，除砂效率高达95%以上，而管柱式除砂器主要用于大气量时的精细除砂作业．
为保证页岩气井的连续返排液或连续测试要求，页岩气井地面返排测试设计了2条专用排砂流程，这是与常规气井地面测试另一主要区别之处，排砂流程走向如线路①所示，测试流程走向如线路②所示.