油管下深對水平氣井泡排效果的影響

馬文敏，王修武＊，廖銳全，劉 捷

1昆明理工大學化學工程學院，云南 昆明

2中國石油天然氣集團公司氣舉試驗基地多相流研究室，湖北 武漢

3長江大學石油工程學院，湖北 武漢

1. 引言

水平井具有能擴大儲層裸眼面積，提高采收率，經濟性顯著等特點而在實際氣井開采中受到廣泛應用[1]。水平氣井特殊的井身結構使得產出流體經水平段、斜井段時能量損失較大，造成其在開采過程中易產生井筒積液[2] [3]，因而及時排出積液對維持氣井有效生產至關重要[4]。目前國內外開展的排液采氣措施有氣舉、優選管柱、泡沫排水等工藝[5] [6] [7]已取得一定成效，可以發現，泡排措施投資成本低、施工便捷且對氣井的日常生產干擾小，在直井中具有較好的現場應用效果[8] [9]，然而針對水平井該技術仍處于試驗探索階段[10]。

國外學者最早將泡排工藝應用于水平氣井，Barious [11]通過實驗發現泡排劑的類型會影響泡沫流型，從而引起排液量的波動；Campbell [12]等人提出了有效泡排的臨界流速；Keuning [13]等人通過實驗驗證了水平氣井斜井段處臨界攜液氣流量與傾角的關系；現階段國內學者對水平井泡排的研究主要集中在工藝的優化方面，如黎琴[14]為解決涪陵頁巖氣井底積液問題，優化了泡排加注參數；蔣玉勇[15]等利用實際生產中的靖邊油田提升了泡排工藝的效率；許園[16]開展了水平井造斜段不同斜度對泡排攜液效果影響的模擬評價；李佳欣[17]針對泡排劑的使用方式、用量及泡排制度展開研究；李旭成[18]等提出固體消泡工藝。學者們研究發現，影響泡排采氣措施效果的因素有：井身結構[19]、最佳助劑深度[20]、泡排制度[21]、氣井能量[22]、氣流流速[23]等。程金金[24]通過不同油管下深的排水率實驗，首次提出油管不同下深會影響水平井氣水流動，從而對泡排效果也會產生一定的影響。近幾年針對水平井的氣水流動狀況、不同井段攜液能力、油管下入深度對泡排效果的影響關注過少[25]，所以需對其進行深入探討。

基于此，本文自主研發水平氣井氣水流動實驗裝置，開展油管分別下深至水平氣井不同位置處氣水流動規律、攜液氣體流量及壓降規律等研究，分析油管不同下深對水平氣井氣水流動規律及泡排效果的影響。

2. 實驗裝置及方法

為了研究油管不同下深水平氣井泡排效果，比較不同情況下各井段的氣水流動規律，自行設計改進的模擬氣井動態狀況的實驗裝置如圖1 所示，該裝置由循環供水系統、供氣系統、水平氣井及數據監測采集系統構成，為泡排劑的有效注入還設計了助劑加注系統等，能夠直觀地觀測油管下深對氣流攜液流動動態的影響。其中采集監測系統包括高速攝像儀、壓力傳感器、溫度傳感器、數據采集部分以及計算機；設置壓力監測點11 個，溫度監測點2 個，流量監測點4 個。可以實時監測和記錄各井段管線上壓力、壓差數據、溫度及氣體流量、液體流量的波動規律。實驗時，以井口液體計量罐測得的攜液量作為參考標準，通過井段上各壓力監測數據，結合測量點管線長度換算成井段壓力梯度，井口排液量計量時是以0.01 s 為單位進行計量，處理過程中以20 s 為一個穩定段進行井口排液量的數據對比，來研究生產管柱不同下深情況下助劑罐注入不同濃度起泡劑時的泡排效果。

Figure 1. Experimental setup圖1. 實驗裝置圖

由現場水平氣井提供的參數可知，油管與套管的實際尺寸較大，因而在實驗時設置其比例尺1:2；實際積液和采出氣在實驗時用水和空氣替代，這樣將有利于直接觀測實驗現象。泡排過程中，起泡劑選擇目前現場常用的CAB-35 和OA-12 [26] [27]。詳細選用實驗參數見表1。

Table 1. Detailed Experimental parameters表1. 詳細實驗參數

3. 油管不同下深對水平氣井氣水流動的影響

油管不同下深時會影響生產通道中的流體速度，也會影響管壁剪切應力對流體所做的功等，使得油管下深時井筒中氣流攜液規律有所不同。因此針對水平井全井筒條件，油管下入到積液水平段、斜井段等不同位置處進行氣水流動實驗，結合實驗對其流動規律進行分析研究。

1) 井口排液穩定性

對于一定產液量，油管不同下深對水平井氣流攜液的影響不同。如設置產液量為0.4 m3/h，模擬實際氣井氣量由大變小的過程，重復實驗，得到油管不同下深時氣體流量與井口排液量之間的變化關系見下圖2。

Figure 2. The law of air flow carrying liquid at different depths of tubing圖2. 油管不同下深時氣流攜液規律

可以得出，當水平氣井產氣量能夠滿足生產過程中氣流連續攜液時，可認為該氣井處于一定的穩定生產狀態。但是油管不同下深時，井口排液的穩定性存在較大差異。總體來看，油管下深至水平段端部時，排液量曲線在產液量上下波動的幅度最小，表明此情況下井口排液的穩定性最好。

根據不同產液量與井口排液量的差異來研究排液穩定性，分析油管不同下深時井口排液量與產液量的方差，明確油管不同下深的影響，結果見表2。

Table 2. Standard deviation of fluid production and wellhead fluid discharge at different depths of tubing表2. 油管不同下深時產液量與井口排液量的標準差

由表2 可以發現，當產氣量可以攜液連續生產時，油管下深至水平段端部有利于氣井生產系統的穩定及連續生產。當水平氣井完井時，可以合理將油管下深至水平段端部，有利于生產后期氣井穩定排液。

2) 攜液氣體流量

給定同一產液量，分別模擬五種不同油管下深條件下攜液所需氣體流量，為了保證實驗的準確性，每次下深條件需重復3 次，繪制出油管不同下深時攜液所需氣體流量如下圖所示。

Figure 3. The gas flow required to carry the liquid flow of 0.2 m3/h when the oil pipe is at different depths圖3. 油管不同下深時攜帶0.2 m3/h 液體流量所需氣體流量

由圖3 可知，對于產液量較小時，油管下深至水平段端部或者更深處時能夠降低攜液所需氣體流量，這是由于斜井段攜液最為困難，當油管下至水平段端部或者更深處時，能夠有效降低流體過流通道直徑，即相同氣體液體流量條件下，小直徑流通通道內的氣體流速會大大增加，氣流攜液能力增強，使得斜井段處的氣流攜液比油管下至斜井段上端時容易。

3) 各井段壓力梯度

根據室內模擬實驗采集的壓力、壓差數據，選取容易積液的斜井段和氣井水平段[21]進行分析，明確油管不同下深是否會對各井段壓力梯度的波動產生影響，具體分析如圖4 和圖5 所示。

Figure 4. The pressure gradient of the inclined well section when the tubing is at different depths圖4. 油管不同下深時斜井段壓力梯度

Figure 5. The pressure gradient of the horizontal section of the tubing at different depths圖5. 油管不同下深時水平段壓力梯度

由圖4 對比可以發現，一定產液量條件下，隨著氣體流量的增加，斜井段壓力梯度逐漸增加；斜井段壓力梯度在油管下深至斜井段上端時最大，這是由于油管在此下深條件下時，流體進入油管需要與油管鞋碰撞產生額外壓力損失，造成相同條件下這種油管下深時斜井段壓力梯度較大。

由圖5 可知，油管不同下深對水平段壓力梯度影響不明顯。當氣體流量較小不能夠完全攜液連續生產情況下，油管深度處于斜井段上部、水平段跟部、水平段1/3 處和水平段2/3 處時，水平段壓力梯度變化不明顯，這是由于水平段被液相浸沒，水平段的壓力梯度主要來源于油套管管壁對流體的摩擦阻力。

根據室內模擬實驗及以上分析發現，油管不同下深對水平氣井井口排液穩定性具有一定影響，相同條件下油管下深至水平段端部時氣井生產系統較為穩定；完整水平井生產模擬過程中，油管不同下深情況下，斜井段壓力梯度最大；不同油管下深能夠顯著改善生產通道截面積，進而改善攜液氣體流量，促進氣井排液效率。

4. 油管不同下深對水平氣井泡排效果的影響

對水平井實施泡排時，油管下入深度不同，起泡劑在井筒中聚集的位置有所不同，對氣流攜液的影響不同，則導致泡排效果會有很大的差別。

實驗通過調節油管下至水平井不同位置，在環空井口利用計量泵加注起泡劑，監測記錄油管下深至各井段部位時攜液所需氣體流量、氣水流動的變化情況，從而分析泡排措施的作用效果。

4.1. 攜液氣體流量

油管不同下深時泡排采氣室內試驗研究發現，起泡劑對各井段攜液效果有明顯區別，對攜液氣體流量具有很大影響。分析加助劑時各井段攜液氣體流量變化，明確助劑及油管下深對各井段攜液氣體流量的影響。

1) 油管下深至斜井段上端

下圖分別是油管下深至斜井段上端加助劑與不加助劑時井段的攜液氣體流量對照圖。

Figure 6. Gas flow rate when the vertical well section carries liquid from the depth of the tubing to the upper end of the inclined well section when additives are added and no additives are added圖6. 油管下深至斜井段上端加助劑、不加助劑時直井段攜液時氣體流量

Figure 7. Gas flow rate when the inclined well section carries liquid from the depth of the tubing to the upper end of the inclined well section when additives are added and no additives are added圖7. 油管下深至斜井段上端加助劑、不加助劑時水平段攜液氣體流量對比

由上圖6、圖7 可見，油管下深至斜井段上端時直井段的液體流量從0.2 m3/h 上升到1.2 m3/h 時，加助劑后直井段中攜液氣體流量有效降低，表明泡排工藝在水平井直井段作用良好；油管下深至斜井段上端時水平段，液體流量較小加助劑對攜液狀況幾乎無改變，但當產液量大于0.8 m3/h 時加助劑會改善氣體流量，使其略有降低，泡排在水平段一定條件下才能發揮作用。

2) 油管下深至水平段跟端

當油管下深至水平段跟端時，在較小液體流量情況下，斜井段排液所需氣體流量有所減小；當液體流量較大時，加助劑與否對排液所需氣體流量基本無影響，如圖8、圖9 所示。

Figure 8. Gas flow rate in vertical section with or without additives at the heel end of horizontal section圖8. 油管下深至水平段跟端加助劑、不加助劑時直井段攜液時氣體流量

Figure 9. Comparison of fluid carrying gas flow rate in deviated well section from deep to horizontal section with and without additives圖9. 油管下深至水平段跟端加助劑、不加助劑時斜井段攜液氣體流量對比

Figure 10. Change of liquid-carrying gas flow in the horizontal section when additives are added from the bottom of the tubing to the heel end of the horizontal section, or without additives圖10. 油管下深至水平段跟端加助劑、不加助劑時水平段攜液氣體流量對比

根據以上圖8～10 對比可知，油管下深至水平段跟端、產液量小于0.6 m3/h 時，加助劑使得直井段及造斜段攜液所需臨界氣體流量變小，但水平段攜液所需氣體流量基本不變；當液體流量超過0.6 m3/h 時，排液所需氣體流量與不加助劑時基本一致。

3) 油管下深至水平段趾端

油管下至水平段趾端時不同井段攜液所需氣體流量如下圖所示。

由圖11～13 可知，油管在水平段趾端時，起泡劑對水平氣井排水基本沒有影響。與油管下深至斜井段上端相比較，該下深條件下斜井段以及水平段氣流攜液所需氣量更小。

Figure 11. When the tubing runs deep to the horizontal end and toe end with or without additives, the liquid carrying gas flow rate in the vertical section圖11. 油管下深至水平端趾端加助劑、不加助劑時直井段攜液氣體流量

Figure 12. Comparison of fluid carrying capacity of gas flow in deviated section when tubing runs deep to horizontal end and toe end with and without additives圖12. 油管下深至水平端趾端加助劑、不加助劑時斜井段氣流攜液流量對比

Figure 13. Change of air flow in the horizontal section when additives are added from the bottom of the tubing to the horizontal end to the toe end, and when no additives are added圖13. 油管下深至水平端趾端加助劑、不加助劑時水平段氣流攜液流量對比

4.2. 氣水流動規律

通過加助劑、不加助劑時氣水流動室內模擬實驗，繪制油管不同下深情況下氣水流動變化規律曲線。如圖14～18 所示。

Figure 14. Gas water flow (0.2 m3/h) with or without additives when the tubing runs deep to the upper end of inclined section圖14. 油管下深至斜井段上端時加助劑、不加助劑氣水流動(0.2 m3/h)

Figure 15. Gas water flow (0.4 m3/h) when additives are added or not added at the heel end of the tubing running deep to the horizontal section圖15. 油管下深至水平段跟端加助劑、不加助劑時氣水流動(0.4 m3/h)

Figure 16. Gas and water flow (0.6 m3/h) at 1/3 of the horizontal section with or without additives圖16. 油管下深至水平段1/3 處加助劑、不加助劑時氣水流動(0.6 m3/h)

由圖14 可以發現，油管下至斜井段上端時加泡排劑能夠迅速使氣井達到穩定的生產狀態。斜井段是水平氣井中最難攜液的井段，這種情況下加泡排劑能夠有效改善液相密度，氣流能夠有效攜帶泡沫生產。

由圖15 知，當油管下深至水平段跟端、產液量較小時，加助劑使井口排液較為穩定，水平氣井能夠穩定生產。當產液量超過0.6 m3/h 時，加助劑時氣水流動規律與不加助劑時基本相同，加助劑對氣流攜液作用不明顯，這是由于產液量較大時，隨著氣體流量增加，環空氣體處于持續壓縮狀態，不能夠起到輔助排液作用。

Figure 17. Gas water flow (0.8 m3/h) when the oil pipe is 2/3 under the oil pipe to the horizontal section, and no additives are added圖17. 油管下深至水平段2/3 處加助劑、不加助劑時氣水流動(0.8 m3/h)

Figure 18. Air and water flow when the oil pipe is deep to the horizontal to end with additives, and without additives (1.0 m3/h)圖18. 油管下深至水平趾端加助劑、不加助劑時氣水流動(1.0 m3/h)

當油管下深至水平段1/3、2/3 及趾端處時，助劑對氣水流動規律的改變如圖16～18。通過井口計量的排液量可以發現，該油管下深條件下加助劑對完整水平氣井排液沒有明顯作用。

4.3. 不同井段壓力梯度

Aziz K 等人[28]認為泡排劑的壓降變化幅值越小表明藥劑穩定的效果越好，泡沫流越容易達到穩定，如圖19～23 的壓降規律所示。

Figure 19. Influence of additives on pressure gradient when tubing runs deep to upper end of deviated section圖19. 油管下深至斜井段上端時助劑對壓力梯度的影響

Figure 20. The effect of foaming agent on pressure gradient when the tubing goes down to the heel end of the horizontal section圖20. 油管下深至水平段跟端時助劑對壓力梯度的影響

Figure 21. Fluctuation of aid agent of pressure gradient from the bottom of the tubing down to the horizontal section 1/3圖21. 油管下深至水平段1/3 處時助劑對壓力梯度的影響

Figure 22. The fluctuating situation of the aid agent of the pressure gradient at the 2/3 of the horizontal section of the tubing down圖22. 油管下深至水平段2/3 處時助劑對壓力梯度的影響

由圖19 可以發現，油管下深至斜井段上端、加助劑過程中，助劑能夠進入通道，在流體的擾動作用下形成泡沫，進入直井段，可以有效改善井段攜液氣體流量。

而油管下深至水平段跟端時，如圖20 所示，助劑只有在環空氣體的不斷壓縮-膨脹作用下進入生產通道，存在環空輔助排液的情況，但該情況下泡沫形成不完全；同時也可以發現，所有各井段壓力梯度中斜井段最大，但其與直井段的壓力梯度差距不是特別明顯。結合室內實驗分析，當油管下至這幾種情況時，氣流流量逐漸增大的過程中，斜井段及直井段環形空間中積累了的液體，環空氣體輔助排液作用不會出現，環空中加的助劑無法通過擴散作用迅速到達水平段跟端或者水平段中部、趾端，即助劑無法改善氣井產出液的密度，從而無法輔助氣流攜液，泡排效果欠佳。

Figure 23. Fluctuation of the aid agent of the pressure gradient from the tubing down to the toe of the horizontal section圖23. 油管下深至水平段趾端時助劑對壓力梯度的影響

針對積液水平井實施泡排采氣，總的來說效果欠佳，主要是由于助劑無法有效地與斜井段和水平段的液體發生反應；當油管下深至水平段跟端時，一定條件下存在環空輔助排液的情況；當油管下深超過水平段跟端時，泡沫排采措施無法有效排除井段積液，此時泡排工藝并不適用。

5. 結論與建議

針對油管下深對水平氣井泡沫排水采氣工藝的影響這一問題，采用室內實驗和理論分析相結合的方法開展研究。

1) 結論

依據研究結果，可以得出如下結論：

1. 油管不同下深能夠改善生產通道面積，顯著影響水平氣井氣流攜液效果；

2. 實施泡排過程中，油管下至斜井段上端時豎直方向井段泡排效果較好，當氣井產液量較大時助劑會使氣體流量略有降低；當油管下深至水平段跟端時，產液量較小有助于有效排液，產液量較大時泡排作用不明顯；

3. 當油管下深超過水平段跟端，針對積液水平氣井實施泡沫排水采氣工藝不能解決氣井積液問題，此時泡排工藝并不適用。

2) 建議

通過實驗和理論分析可以發現，油管不同下深時氣水流動狀況、井段攜液能力、井段壓力梯度等方面都會對水平氣井排液效果產生明顯的影響。為了有利于氣井高效生產，依據實驗研究結果，提出如下建議：

1. 油管下深至斜井段上端時，水平氣井實施泡沫排采具有一定效果，油管下深超過水平端跟端時，建議采用其他較成熟的排采方式；

2. 本文的研究模擬條件及參數選取缺乏一定普適性，在對現場積液水平氣井實施泡沫排采時應針對實際情況進行進一步理論探討與實驗分析，以期用于指導現場應用。

基金項目

1) 頁巖氣井氣流攜液機理數值模擬研究(項目編號：140520200094)。

2) 油氣長輸管道泄漏實時檢測技術研究(項目編號：241620200024)。