靖邊氣田氮氣泡沫氣舉排液技術(shù)研究與應用

郭 鋼，孫 翼，田鎮(zhèn)東，許 飛

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務分公司長慶項目部，天津 300283；4.中國石油長慶油田分公司第十采油廠華慶采油作業(yè)區(qū)綜合管理室，甘肅華池 745609；5.中國石油長慶油田分公司工程技術(shù)管理部，陜西西安 710018）

靖邊氣田氮氣泡沫氣舉排液技術(shù)研究與應用

郭 鋼1，2，孫 翼3，田鎮(zhèn)東4，許 飛5

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安 710018；3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務分公司長慶項目部，天津 300283；4.中國石油長慶油田分公司第十采油廠華慶采油作業(yè)區(qū)綜合管理室，甘肅華池 745609；5.中國石油長慶油田分公司工程技術(shù)管理部，陜西西安 710018）

針對靖邊氣田產(chǎn)水氣井，目前普遍采用泡沫排水采氣工藝。而制約泡沫排水采氣工藝實施效果的難點就是氣井后期自身能量不足，不能將大量攜液泡沫帶出井口。針對產(chǎn)氣量低及水淹氣井等自身能量不足等問題，筆者提出氮氣氣舉結(jié)合泡沫排水采氣的思路，通過氣流擾動，降低液柱密度，從而增強泡排劑起泡能力和攜液能力。為有效解決泡排增能問題，本文通過室內(nèi)試驗優(yōu)選起泡劑，結(jié)合氣井工況計算優(yōu)化氣舉施工參數(shù)，制定合理的氣舉氣液比和每段泡沫的泵注時間，在保證套管承壓的范圍內(nèi)達到施工時間最短，并在多口氣井開展現(xiàn)場試驗。實踐證明，氮氣泡沫氣舉排液技術(shù)能夠滿足靖邊氣田泡沫排水采氣需要，擴大了泡沫助排工藝的應用范圍，為氣田中后期產(chǎn)水氣井合理開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

氣舉；泡沫排水；氣舉水量；泡沫密度

天然氣田在開采后期地層壓力降低，井底和井筒內(nèi)產(chǎn)生積液，天然氣產(chǎn)量降低。隨著氣田的持續(xù)開發(fā)，地層能量逐漸下降，氣井的壓力不斷降低，攜液能力不斷減弱。泡沫排水采氣成本低、見效快，實施時操作簡便、不需要修井作業(yè)，也不需要關(guān)井，故不影響氣井日常采氣生產(chǎn)，適應各種環(huán)境及井身狀況，是國內(nèi)外提高氣井產(chǎn)量、延長氣井開采周期最經(jīng)濟有效的方法之一[1]。

除泡排劑適應性外，目前制約泡沫排水采氣工藝實施效果的難點就是氣井自身能量不足，不能將大量攜液泡沫帶出井口。針對產(chǎn)氣量低及水淹氣井等自身能量不足等問題，筆者提出氮氣氣舉結(jié)合泡沫排水采氣的思路，通過氣流擾動，降低液柱密度，從而增強泡排劑起泡能力和攜液能力。從這個角度出發(fā)，筆者利用現(xiàn)有泡沫排水采氣工藝基礎(chǔ)上，引入氮氣氣舉工藝，探索研究了氮氣泡沫氣舉排液工藝。

1 氣井排液技術(shù)概況

1.1 長慶氣田目前排液技術(shù)

目前，長慶油田氣井排液技術(shù)主要有以下幾種:液氮層內(nèi)助排技術(shù)、抽汲排液、連續(xù)油管排液、油套環(huán)空液氮助排技術(shù)、下多級氣舉閥氣舉排液技術(shù)，各排液技術(shù)的特點如下。

液氮層內(nèi)助排技術(shù)，是在壓裂或酸化施工過程中，將液氮和起泡劑按一定比例伴注在施工液體中，隨施工液體進入地層深處。施工結(jié)束后第一次放噴排液過程中，液氮膨脹，推動施工液體排出井筒。這項技術(shù)的有效期就是施工后的第一次油放期間，如果第一次油放結(jié)束后關(guān)放排液不通，就要用其他方式排液，包括抽汲排液、連續(xù)油管排液、環(huán)空注氮排液，多級氣舉閥氣舉排液等。

多級氣舉閥氣舉排液，該技術(shù)要求下壓裂酸化管柱的時候，把多級氣舉閥下到預定位置，施工后第一次油放如果不能排通，可立即用制氮車現(xiàn)場制氮氣舉。優(yōu)點是排液快，施工后4 d～5 d基本可以把施工液體排完。缺點是成本高，除了制氮車工作的成本，還有多級氣舉閥的成本。如果施工后第一次油放能夠排通，則下入的多級氣舉閥就浪費了。正因為這種排液技術(shù)的高成本和潛在的浪費，目前所有的天然氣產(chǎn)建項目組都沒采用這種技術(shù)，只有氣探和蘇探在用。

抽汲排液技術(shù)，該技術(shù)是通過通井機滾筒上的鋼絲繩帶動水力抽子在油管內(nèi)起下，將油管內(nèi)抽子以上的液體排出井筒。優(yōu)點是成本低，不需要額外的設(shè)備，缺點是排液速度慢，排液深度受抽汲繩長度限制，一般只能抽到1 850 m左右，而且氣井抽汲，有很大的風險，規(guī)定只能在白天抽汲。

連續(xù)油管排液技術(shù)，是在油管內(nèi)下入管徑較細的連續(xù)油管，邊下邊注液氮（或現(xiàn)場制氮），排出井內(nèi)液體。該技術(shù)的優(yōu)點是排液快，連續(xù)油管能下到的地方，都可以掏空。缺點是成本最高，比多級氣舉閥排液的成本還要高，所以用的較少。

環(huán)空注氮排液技術(shù)，主要是指沒有下氣舉閥，同時又環(huán)空注液氮或現(xiàn)場制氮的排液技術(shù)，簡單地說，就是利用環(huán)空憋壓，將油管液面提升到井口的排液技術(shù)。與多級氣舉閥氣舉相比，省了氣舉閥的錢，成本適中；缺點是套壓最高只能到達25 MPa，井深超過3 200 m的井，很難舉通，基本使用于3 100 m以內(nèi)的井。

1.2 氮氣泡沫氣舉排液技術(shù)

氮氣泡沫氣舉排液技術(shù)就是將氮氣和起泡劑水發(fā)泡后注入油套環(huán)空，用低密度泡沫加一定的井口套壓平衡油管液柱壓力，將井筒積液舉升到井口進而排出，隨著積液的排出，泡沫流體逐步到達油管管鞋進入油管，降低井底壓力，達到誘噴的目的。

與其他排液技術(shù)相比該技術(shù)不需要下氣舉閥，不受井深限制，排液速度快，成本和多級氣舉閥氣舉基本相當。

影響氮氣泡沫排液效果的關(guān)鍵因素有兩點:

（1）起泡劑的泡沫質(zhì)量，泡沫質(zhì)量好，氣水混合就均勻，水的滑脫就小，可以提高氮氣的利用效率，縮短施工時間。

（2）氮氣泡沫氣舉過程使用的水量和氮氣泡沫密度在井筒內(nèi)的分布。確定水量的目的是讓施工壓力不超過套管的試壓值，確保氣舉過程中施工壓力不過高。確定氮氣泡沫密度在井筒分布的目的是保證泡沫流體能持續(xù)不斷地進入油管。

2 起泡劑優(yōu)選

長慶油田氣井助排使用的起泡劑主要有YFP-1、YFP-2、YFP-3、YFP-10，就從這4種起泡劑中優(yōu)選出泡沫質(zhì)量高，半衰期長的起泡劑作為排液的發(fā)泡劑。實驗室測定相同濃度的不同起泡劑泡沫質(zhì)量和半衰期（見表1）。

表1 不同品種起泡劑性能評價

從表1可以看出，相同濃度下YFP-3起泡劑泡沫質(zhì)量較好，泡沫半衰期最長，因此選用YFP-3作為氣舉起泡劑，進一步測定不同濃度的YFP-3的泡沫質(zhì)量和半衰期（見表2）以及不同溫度下YFP-3的泡沫質(zhì)量和半衰期（見表3）。

表2 YFP-3不同濃度起泡劑性能

表3 0.5%YFP-3不同水溫起泡劑性能評價

表2、表3對YFP-3不同濃度不同溫度進行起泡性能評價表明，水溫越高起泡性能越好但影響不明顯；起泡劑濃度越高起泡效果越好，當起泡劑濃度達2%以上后，起泡劑效果增強趨于平緩。

考慮到現(xiàn)場施工時井筒有積液會稀釋起泡劑，實際施工時提高起泡劑濃度到5%～6%。

3 氮氣泡沫氣舉水量的確定和泡沫密度的分布

3.1 氮氣泡沫氣舉水量的確定

思路:設(shè)定氣舉施工過程套壓最高為20 MPa，根據(jù)井內(nèi)油管深度和油管內(nèi)液體密度產(chǎn)生的回壓，計算出套壓達到最高（20 MPa）時，油套環(huán)空的氮氣泡沫平均密度，根據(jù)氣體PVT方程，可以計算出井筒內(nèi)氮氣的平均密度，水的密度是恒定的，就可以計算出環(huán)空內(nèi)水比例。

（1）泡沫到達管鞋時，環(huán)空泡沫平均密度D環(huán)的確定（假設(shè)這時油管出口壓力為0）。

式中:H－油管長度，m；ρ－原井筒積液密度。

（2）環(huán)空平均溫度T，平均壓力P平。

式中:t－當?shù)爻Ｄ昶骄乇頊囟龋妫儽钡貐^(qū)取10℃～15℃。

（3）環(huán)空平均溫度、平均壓力狀態(tài)下，氮氣密度dN的確定（氮的臨界壓力3.399 MPa，臨界溫度126.1 K，計算對比溫度Tr=T/TC，對比壓力Pr=P/PC，查表或用公式計算可以知道氮氣的偏差系數(shù)Z）。

根據(jù)真實氣體狀態(tài)方程:P平V=ZRT（m/M），等式兩邊同除以體積V，可以得到:P平=ZRT（m/V/M），m/V就是環(huán)空氮氣的平均密度dN。將方程變換就可以得到求平均密度的方程:

式中:M－氮氣摩爾質(zhì)量（取值0.028 Kg/mol）；m-氮氣的總質(zhì)量；R氣體常數(shù)（取值8.31 J/（mol·K））；Z-氮的氣體偏差系數(shù)（無量綱）。

如果壓力單位為Pa，T的單位取絕對溫度K，則dN的單位為kg/m3。

（4）計算泡沫到達管鞋時，環(huán)空氮氣所占體積VN。環(huán)空泡沫由兩部分組成，水和高壓氮氣，水是不可壓縮的，高壓下水的密度不變，環(huán)空泡沫的平均密度D環(huán)和高壓氮氣的平均密度dN也已經(jīng)求得，假設(shè)環(huán)空中氮氣體積占環(huán)空總體積的比例是A，那么水占總體積的比列是1-A。環(huán)空泡沫的密度是由水和氮氣按比列混合而成的。

D環(huán)=dNA+D水（1-A），此式變換后可以求得環(huán)空氮氣所能占據(jù)比列A=（D水-D環(huán)）/（D水-dN）。

環(huán)空總體積可以根據(jù)井內(nèi)油管，套管規(guī)格得到，則VN可以求得，泡沫達到管鞋時總的水量V水也可以算出。

3.2 環(huán)空泡沫密度的分布

前面的計算已經(jīng)確定了在套壓20 MPa下，環(huán)空內(nèi)氮氣泡沫到達油管管鞋時需要注入環(huán)空的氮氣體積（環(huán)空高壓狀態(tài)）和水的體積。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，環(huán)空內(nèi)高壓氮氣對應的標況氮氣體積。

（1）計算VN對應的標況（0℃、101.325 kPa）體積V標。

根據(jù)真實氣體狀態(tài)方程:P標V標/（Z標T標）=P平VN/（ZT），可以得到V標=（Z標T標）/（ZT）·（P平/P標）·VN。

標況下，氮氣的壓縮因子Z標=1。

根據(jù)制氮車的排量，可以估算出泡沫到達管鞋的時間Δt。

圖1 泡沫到達油管鞋時井筒內(nèi)流體示意圖

（2）確定泡沫密度分布:前面已經(jīng)確定了氣舉過程中總的注水量V水和泡沫到達管鞋的時間Δt，當泡沫到達油管管鞋時，井筒內(nèi)的流體（見圖1），如果井比較深，環(huán)空流體可分更多的階段，如果井淺，分兩個階段就可以了。現(xiàn)在以環(huán)空分三個階段來說明問題，油管內(nèi)全部為水，套管內(nèi)每個階段的氣水比是恒定的，D1、D2、D3、D4分別是每個階段的平均密度，且依次遞增，P1是從環(huán)空這邊計算的井底壓力，P2是從油管這邊計算的井底壓力，不考慮流動摩擦阻力。結(jié)合前面的分析計算，氣舉套壓達到20 MPa，環(huán)空泡沫平均密度為D環(huán)，油管內(nèi)全部為原井筒積液，此時泡沫流體剛剛到達油管管鞋，P1=P2。套壓稍微增加，泡沫流體就開始進入油管。為了方便說明問題，定義一個參數(shù)B:

B=環(huán)空每米容積/油管每米容積

如果環(huán)空內(nèi)1 m密度為D3的泡沫進入油管（同時井口會補充密度D1的泡沫1 m），在油管內(nèi)占據(jù)的高度是B m，此時P1下降了（D3-D1）g帕，P2下降了B（D4-D3）g帕。

如果能滿足（D4-D3）B-（D3-D1）＞0（1）

表4 氮氣泡沫施工實際參數(shù)和計算參數(shù)對比

則環(huán)空流體能持續(xù)地進入油管，且差值越大，環(huán)空流體進入油管的排量越大。

實際氣舉施工中，水和泡沫在整個井筒內(nèi)的摩阻是客觀存在的，摩阻的大小與管道長度、管道的橫截面積、管道面的凸凹程度、流體的黏度等有關(guān)，這些參數(shù)的取得很困難，計算很復雜。根據(jù)洗井的經(jīng)驗，3 000 m左右井深，550 L/min的排量，摩阻5 MPa～6 MPa，用增加注水量的辦法，來克服摩阻。

克服摩阻增加的注水量V增=500×環(huán)空每米容積。

根據(jù)制氮車的排量和注水撬的排量變化以及氣體狀態(tài)方程，可以計算出每一段氮氣泡沫的密度。

在小于等于Δt的時間內(nèi)，將體積為V水+V增的水分段注入環(huán)空，且滿足（1）式，這樣的分配方案都是可行的。

4 現(xiàn)場實施情況

現(xiàn)場實施了3口井，計算的泡沫達到管鞋的時間和實際的時間（見表4）。

表5 氮氣泡沫氣舉效果

靖X-1井和GY-2井實際的Δt和計算的Δt基本一致，GZ-3井Δt相對誤差較大為15.8%，可能是該井比較深（3 871 m）水的滑脫造成的。經(jīng)過對比認為，該計算方法可以用來指導現(xiàn)場施工。這些井在施工后第二天探液面結(jié)果（見表5），靖X-1井和GZ-3井液面都降到了管鞋附近，排液效果明顯。GY-2井由于地層產(chǎn)水量比較大，氣舉后液面仍然很高。

5 結(jié)論

（1）氮氣泡沫排液技術(shù)可以解決未下氣舉閥的低產(chǎn)氣井排液問題，排液速度快，效果好。

（2）氮氣泡沫排液中流動摩阻一般在5 MPa以下，井越深、套管越細，摩阻越高，克服摩阻需要增加的水量越多。

（3）氮氣泡沫排液中，注水撬的排量要逐級遞減，最后一段一般為純氣體。

［1］劉強，石鑫，聞小虎.氮氣泡沫氣舉過程井下腐蝕的原因分析［J］.腐蝕與防護，2012，31（4）:21－24.

［2］彭昱強，王曉春，羅富平，等.QHD32-6油田氮氣泡沫調(diào)驅(qū)數(shù)值模擬研究［J］.特種油氣藏，2009，25（1）:77－79.

［3］楊光璐，藺玉秋，劉加林，等.遼河油田稠油油藏氮氣泡沫驅(qū)適應性研究［J］.新疆石油地質(zhì)，2004，32（4）:102－104.

［4］劉竟成，楊敏，袁福鋒.新型氣井泡排劑SP的起泡性能研究［J］.油田化學，2008，25（2）:111－113.

［5］李謙定，宋吉鋒，薛丹.一種耐油抗甲醇氣井泡排劑的研究［J］.油田化學，2013，30（1）:29－31.

［6］柳燕麗，劉建儀，張廣東，等.新型低分子泡排劑的研制及應用［J］.石油鉆采工藝，2010，32（4）:70－71.

TE375

A

1673-5285（2017）04-0063-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.017

2017－03-03

2017－03-20

郭鋼，男（1986-），碩士，畢業(yè)于西安石油大學化工藝學專業(yè)，主要從事油氣田化學領(lǐng)域的科研與應用工作，郵箱: guog_cq@petrochina.com.cn。