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色页岩，富顺区块下志留统龙马溪组黑色页岩以及威远区块下古生界寒武系筇竹寺组黑色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．

为此研发配套了105 MPa捕塞器，用于连续钻磨桥塞时，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.

①井口→捕塞器或旁通→旋流除砂器→高压数据头→返排管汇→主(副)排砂管线→旋塞阀组→缓冲罐→小火炬(气)、返排罐(液)

②井口→捕塞器或旁通→旋流除砂器→高压数据头→管柱式除砂器→油嘴管汇→低压数据头→热交换器→三相分离器→大火炬(气)、旋塞阀组→返排罐(液)、计量罐(油).

流程①适用于测试气产量小(≤5 000 m3/d)时的大排量连续返排与钻塞冲砂作业阶段．由于页岩气井返排液量较大，因此在返排前期流程主要走排砂管线，2条排砂管线用于返排液作业时流程倒换，确保返排液更换油嘴期间或者当1条排砂管线发生堵塞等状况时的连续返排．返排期间的压力控制主要通过返排管汇上的固定节流阀实现一级降压，再通过其后排砂管线上的可调节流阀和固定节流阀实现二、三级降压，确保下游管线设备安全．排砂管线上采用设计更为合理的笼式节流阀，耐冲蚀和节流性能较普通针阀大大提高，各级油嘴套前使用镶嵌硬质合金材料的三通堵头，抗冲蚀能力强，从而可有效保证大排量连续返排作业的进行．

在连续返排期间或钻塞阶段，当气产量逐渐增大并超过5 000 m3/d的情况下，产气量已超过小火炬的气处理量，则需将流程导向分离器测试管线②．此时主要通过油嘴管汇上两翼的固定油嘴来实现井口压力控制与流程倒换，井筒流体经过分离器进行分离、计量后，气体可以导入密闭燃烧器进行燃烧，密闭燃烧器采用多燃烧头分压分流燃烧，低辐射、低噪音、占地面积小，能有效减少夜间作业时对井场周围社区居民的干扰，减少纠纷，从而保证连续放喷测试作业的顺利进行．

经过缓冲罐或分离器分离后的返排液，主要使用数个返排罐进行轮流倒换与体积计量，由于页岩气井返排液量最大可达60 m3/h以上，现场处理难度大，若不能有效处理则会影响连续返排测试作业的进行．因此现场主要使用多辆污水车连续作业，运至污水处理厂处理，或是将计量过的返排液泵至污水池或现场空压裂罐，使用过滤装置处理后，再作为下一层的压裂基液使用．

3.2 流程超压保护技术

为保证页岩气井返排测试作业期间人员、设备的安全，主要通过配置安全阀、ESD控制面板和高低压传感器等，实现超压保护[8]．一方面流程上主要的压力容器上都装配有相应压力值的安全阀，一旦设备超压，安全阀会将高压迅速释放掉，保证容器安全，防止爆裂或爆炸发生．另一方面流程多处安装有液动截止阀，返排测试过程中，一旦管线、设备超压，刺漏等，可通过远程ESD面板，迅速关闭相应部位前端的液动截止阀，截断高压危险源．同时，流程中还配备高低压传感器如在热交换器之前、分离器上设置高压传感器，当压力突然增高，超过安全设定值，高压传感器将感应的信号迅速传达到与其相连的ESD控制面板上，控制面板及时自动关闭其控制的液动截止阀，保证压力容器等的安全，防止爆裂．通过远程手动和自动控制各液动阀门的开关，还可以减少作业人员在高压区停留的时间．

3.3 流程防冰堵技术

在页岩气井地面测试过程中，由于天然气在测试管线中经过节流管汇油嘴等突然缩小断面的位置，产生强烈的涡流，使压力下降，产生节流．节流时压力降低会使温度下降，则天然气中的水蒸气会凝析出并使气体与水混合物达到水合物形成的必要条件，如果温度低于天然气形成水合物的温度，则在测试管线中就会形成水合物,造成测试流程堵塞，严重时甚至堵死地面测试管线[9]．在页岩气井测试过程中，防冰堵的方法和常规气井测试类似，主要使用的加热保温法和泵注化学试剂法来防止水合物的形成．一方面通过利用锅炉将水加热成水蒸汽，通过蒸汽管线和蒸汽分配阀，将蒸汽输送到热交换器内和节流管汇处，加热节流过后管线内的天然气，提高温度，使天然气节流降压膨胀后的温度高于形成水化物的临界温度，从而防止天然气形成水化物堵塞流程和管道．另一方面在节流管汇前端，通过化学注入泵(最高泵注压力达到140 MPa)注入防冻剂(如甲醇、乙二醇)，进一步避免天然气在测试管线中形成水合物．

3.4 地面返排测试安全监控技术

为了保障返排测试的安全顺利进行，确保作业人员等的安全，作业过程中还集成应用了多种安全监控手段．通过研发配套视频监控系统，实现远程观察监视流程高危区域；应用自主设计开发的数据采集与传输系统实时监测返排测试过程中流程主要节点的压力温度变化并在压力、温度出现异常时及时报警提示；配备了专门用于探测地层出砂量大小的探砂仪和检测管线厚度的壁厚探测仪，使用壁厚探测仪检测流程冲蚀较为厉害部位的弯头、直管等的壁厚变化情况．此外，还在流程主要区域配备可燃、有毒气体检测仪和报警系统，检测大气环境中的有毒可燃有毒气体，防止出现爆炸与人员中毒事故．

4 应用实例

运用页岩气井地面安全返排测试技术,成功地完成了四川盆地威远、长宁、富顺、昭通等多个页岩气藏50余层次的试气作业．以四川盆地富顺区块XX水平井为例，完钻井深4 568 m,水平井段长1 165 m, 测试层位龙马溪组，富含有机质黑色页岩段厚度大于80 m，有机质成熟度高(R0大于2.0%)，脆性矿物含量高[10-11]．该井水平段共分9段加砂压裂，每层段加砂压裂后直接下桥塞封闭下段，然后逐层上返施工，最后一层段改造作业结束，单层进行返排测试，最后用连续钻掉井筒内所有桥塞进行多层合排测试．每层段改造加砂压裂液用量1 150～1 500 m3，平均1 320 m3；加砂量一般100～180 t，平均146 t；各层位压裂改造施工泵注压力高达70 MPa以上, 最高达92.4 MPa．后续控压钻塞数量多，时间长，需返排液量大，返排期间地层出砂量大，给地面测试带来巨大的挑战．最终运用高效的除砂、除屑装备和优化的地面安全返排测试工艺技术，完成该井的返排测试作业，有效解决了该井大规模体积压裂后高回压条件下除砂、除屑，连续控压返排测试等系列技术难题，整个钻塞冲砂、连续返排以及测试作业期间下游设备均正常，管线、设备均未发生堵塞，无油嘴和管线被冲蚀导致作业中断情况，有效保证了返排测试作业的完成，保障了流程设备和作业人员的安全(表1)．

表1 XX井地面返排测试作业情况Tab.1 Flow-back test result of XX well作业工序钻桥塞返排测试主要施工参数井口压力41.43～42.74 MPa,循环排量320～400 L/min,(桥塞8个)开井前井口压力43.94 MPa,初期返排速度约10 m3/h,最大返排速度≥25 m3/h,返排总液量约1 600 m36 mm油嘴,井口稳定油压为55.83～56.53 MPa,测试获得高产技术应用效果(1)上游设备除屑、除砂效率>95%;(2)下游排砂管线及设备工作正常,未发生因油嘴或管线被冲蚀刺漏而导致钻塞冲砂作业停止或中断的情况.(1)上游设备除砂效率>96%,下游只监测到极少量砂粒;(2)管线无冲蚀、刺漏发生;(3)设备、管线、油嘴未出现堵塞情况;(4)返排测试连续进行,人员、设备安全.

5 结 语

自主研发配套了105 MPa捕塞器、105 MPa旋流除砂器等地面高压除砂、除屑专用设备，捕屑、除砂效率高达95%以上，可有效保护下游地面设备和现场作业人员的安全．

运用形成的页岩气井地面安全返排测试工艺技术，安全、高效地完成了四川盆地多口页岩气井的返排测试作业，解决了页岩气井大规模体积加砂压裂后，高压除砂、高压除屑、连续控压钻塞、大排量连续返排测试等一系列难题，为加快四川盆地页岩气藏勘探开发提供了坚实的技术支撑，该技术可为其他区块页岩气井的地面测试作业提供有价值的参考．

针对页岩气等非常规气藏丛式井组开发的需要，建议进一步完善该类气藏地面安全返排测试工艺技术，不断优化配套地面测试设备，降低作业成本，提高作业效率，满足页岩气等非常规天然气藏低成本勘探开发的需要．

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