靖边气田氮气泡沫气举排液技术研究与应用

2017-05-09田镇东

石油化工应用 2017年4期

郭钢，孙翼，田镇东，许飞

（1.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018；3.中国石油集团渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司长庆项目部，天津 300283；4.中国石油长庆油田分公司第十采油厂华庆采油作业区综合管理室，甘肃华池 745609；5.中国石油长庆油田分公司工程技术管理部，陕西西安 710018）

靖边气田氮气泡沫气举排液技术研究与应用

郭钢1，2，孙翼3，田镇东4，许飞5

针对靖边气田产水气井，目前普遍采用泡沫排水采气工艺。而制约泡沫排水采气工艺实施效果的难点就是气井后期自身能量不足，不能将大量携液泡沫带出井口。针对产气量低及水淹气井等自身能量不足等问题，笔者提出氮气气举结合泡沫排水采气的思路，通过气流扰动，降低液柱密度，从而增强泡排剂起泡能力和携液能力。为有效解决泡排增能问题，本文通过室内试验优选起泡剂，结合气井工况计算优化气举施工参数，制定合理的气举气液比和每段泡沫的泵注时间，在保证套管承压的范围内达到施工时间最短，并在多口气井开展现场试验。实践证明，氮气泡沫气举排液技术能够满足靖边气田泡沫排水采气需要，扩大了泡沫助排工艺的应用范围，为气田中后期产水气井合理开发提供了技术支撑。

气举；泡沫排水；气举水量；泡沫密度

天然气田在开采后期地层压力降低，井底和井筒内产生积液，天然气产量降低。随着气田的持续开发，地层能量逐渐下降，气井的压力不断降低，携液能力不断减弱。泡沫排水采气成本低、见效快，实施时操作简便、不需要修井作业，也不需要关井，故不影响气井日常采气生产，适应各种环境及井身状况，是国内外提高气井产量、延长气井开采周期最经济有效的方法之一[1]。

除泡排剂适应性外，目前制约泡沫排水采气工艺实施效果的难点就是气井自身能量不足，不能将大量携液泡沫带出井口。针对产气量低及水淹气井等自身能量不足等问题，笔者提出氮气气举结合泡沫排水采气的思路，通过气流扰动，降低液柱密度，从而增强泡排剂起泡能力和携液能力。从这个角度出发，笔者利用现有泡沫排水采气工艺基础上，引入氮气气举工艺，探索研究了氮气泡沫气举排液工艺。

1 气井排液技术概况

1.1 长庆气田目前排液技术

目前，长庆油田气井排液技术主要有以下几种:液氮层内助排技术、抽汲排液、连续油管排液、油套环空液氮助排技术、下多级气举阀气举排液技术，各排液技术的特点如下。

液氮层内助排技术，是在压裂或酸化施工过程中，将液氮和起泡剂按一定比例伴注在施工液体中，随施工液体进入地层深处。施工结束后第一次放喷排液过程中，液氮膨胀，推动施工液体排出井筒。这项技术的有效期就是施工后的第一次油放期间，如果第一次油放结束后关放排液不通，就要用其他方式排液，包括抽汲排液、连续油管排液、环空注氮排液，多级气举阀气举排液等。

多级气举阀气举排液，该技术要求下压裂酸化管柱的时候，把多级气举阀下到预定位置，施工后第一次油放如果不能排通，可立即用制氮车现场制氮气举。优点是排液快，施工后4 d～5 d基本可以把施工液体排完。缺点是成本高，除了制氮车工作的成本，还有多级气举阀的成本。如果施工后第一次油放能够排通，则下入的多级气举阀就浪费了。正因为这种排液技术的高成本和潜在的浪费，目前所有的天然气产建项目组都没采用这种技术，只有气探和苏探在用。

抽汲排液技术，该技术是通过通井机滚筒上的钢丝绳带动水力抽子在油管内起下，将油管内抽子以上的液体排出井筒。优点是成本低，不需要额外的设备，缺点是排液速度慢，排液深度受抽汲绳长度限制，一般只能抽到1 850 m左右，而且气井抽汲，有很大的风险，规定只能在白天抽汲。

连续油管排液技术，是在油管内下入管径较细的连续油管，边下边注液氮（或现场制氮），排出井内液体。该技术的优点是排液快，连续油管能下到的地方，都可以掏空。缺点是成本最高，比多级气举阀排液的成本还要高，所以用的较少。

环空注氮排液技术，主要是指没有下气举阀，同时又环空注液氮或现场制氮的排液技术，简单地说，就是利用环空憋压，将油管液面提升到井口的排液技术。与多级气举阀气举相比，省了气举阀的钱，成本适中；缺点是套压最高只能到达25 MPa，井深超过3 200 m的井，很难举通，基本使用于3 100 m以内的井。

1.2 氮气泡沫气举排液技术

氮气泡沫气举排液技术就是将氮气和起泡剂水发泡后注入油套环空，用低密度泡沫加一定的井口套压平衡油管液柱压力，将井筒积液举升到井口进而排出，随着积液的排出，泡沫流体逐步到达油管管鞋进入油管，降低井底压力，达到诱喷的目的。

与其他排液技术相比该技术不需要下气举阀，不受井深限制，排液速度快，成本和多级气举阀气举基本相当。

影响氮气泡沫排液效果的关键因素有两点:

（1）起泡剂的泡沫质量，泡沫质量好，气水混合就均匀，水的滑脱就小，可以提高氮气的利用效率，缩短施工时间。

（2）氮气泡沫气举过程使用的水量和氮气泡沫密度在井筒内的分布。确定水量的目的是让施工压力不超过套管的试压值，确保气举过程中施工压力不过高。确定氮气泡沫密度在井筒分布的目的是保证泡沫流体能持续不断地进入油管。

2 起泡剂优选

长庆油田气井助排使用的起泡剂主要有YFP-1、YFP-2、YFP-3、YFP-10，就从这4种起泡剂中优选出泡沫质量高，半衰期长的起泡剂作为排液的发泡剂。实验室测定相同浓度的不同起泡剂泡沫质量和半衰期（见表1）。

表1 不同品种起泡剂性能评价

从表1可以看出，相同浓度下YFP-3起泡剂泡沫质量较好，泡沫半衰期最长，因此选用YFP-3作为气举起泡剂，进一步测定不同浓度的YFP-3的泡沫质量和半衰期（见表2）以及不同温度下YFP-3的泡沫质量和半衰期（见表3）。

表2 YFP-3不同浓度起泡剂性能

表3 0.5%YFP-3不同水温起泡剂性能评价

表2、表3对YFP-3不同浓度不同温度进行起泡性能评价表明，水温越高起泡性能越好但影响不明显；起泡剂浓度越高起泡效果越好，当起泡剂浓度达2%以上后，起泡剂效果增强趋于平缓。

考虑到现场施工时井筒有积液会稀释起泡剂，实际施工时提高起泡剂浓度到5%～6%。

3 氮气泡沫气举水量的确定和泡沫密度的分布

3.1 氮气泡沫气举水量的确定

思路:设定气举施工过程套压最高为20 MPa，根据井内油管深度和油管内液体密度产生的回压，计算出套压达到最高（20 MPa）时，油套环空的氮气泡沫平均密度，根据气体PVT方程，可以计算出井筒内氮气的平均密度，水的密度是恒定的，就可以计算出环空内水比例。

（1）泡沫到达管鞋时，环空泡沫平均密度D环的确定（假设这时油管出口压力为0）。

式中:H－油管长度，m；ρ－原井筒积液密度。

（2）环空平均温度T，平均压力P平。

式中:t－当地常年平均地表温度，℃，陕北地区取10℃～15℃。

（3）环空平均温度、平均压力状态下，氮气密度dN的确定（氮的临界压力3.399 MPa，临界温度126.1 K，计算对比温度Tr=T/TC，对比压力Pr=P/PC，查表或用公式计算可以知道氮气的偏差系数Z）。

根据真实气体状态方程:P平V=ZRT（m/M），等式两边同除以体积V，可以得到:P平=ZRT（m/V/M），m/V就是环空氮气的平均密度dN。将方程变换就可以得到求平均密度的方程:

式中:M－氮气摩尔质量（取值0.028 Kg/mol）；m-氮气的总质量；R气体常数（取值8.31 J/（mol·K））；Z-氮的气体偏差系数（无量纲）。

如果压力单位为Pa，T的单位取绝对温度K，则dN的单位为kg/m3。

（4）计算泡沫到达管鞋时，环空氮气所占体积VN。环空泡沫由两部分组成，水和高压氮气，水是不可压缩的，高压下水的密度不变，环空泡沫的平均密度D环和高压氮气的平均密度dN也已经求得，假设环空中氮气体积占环空总体积的比例是A，那么水占总体积的比列是1-A。环空泡沫的密度是由水和氮气按比列混合而成的。

D环=dNA+D水（1-A），此式变换后可以求得环空氮气所能占据比列A=（D水-D环）/（D水-dN）。

环空总体积可以根据井内油管，套管规格得到，则VN可以求得，泡沫达到管鞋时总的水量V水也可以算出。

3.2 环空泡沫密度的分布

前面的计算已经确定了在套压20 MPa下，环空内氮气泡沫到达油管管鞋时需要注入环空的氮气体积（环空高压状态）和水的体积。根据气体状态方程，环空内高压氮气对应的标况氮气体积。

（1）计算VN对应的标况（0℃、101.325 kPa）体积V标。

根据真实气体状态方程:P标V标/（Z标T标）=P平VN/（ZT），可以得到V标=（Z标T标）/（ZT）·（P平/P标）·VN。

标况下，氮气的压缩因子Z标=1。

根据制氮车的排量，可以估算出泡沫到达管鞋的时间Δt。

图1 泡沫到达油管鞋时井筒内流体示意图

（2）确定泡沫密度分布:前面已经确定了气举过程中总的注水量V水和泡沫到达管鞋的时间Δt，当泡沫到达油管管鞋时，井筒内的流体（见图1），如果井比较深，环空流体可分更多的阶段，如果井浅，分两个阶段就可以了。现在以环空分三个阶段来说明问题，油管内全部为水，套管内每个阶段的气水比是恒定的，D1、D2、D3、D4分别是每个阶段的平均密度，且依次递增，P1是从环空这边计算的井底压力，P2是从油管这边计算的井底压力，不考虑流动摩擦阻力。结合前面的分析计算，气举套压达到20 MPa，环空泡沫平均密度为D环，油管内全部为原井筒积液，此时泡沫流体刚刚到达油管管鞋，P1=P2。套压稍微增加，泡沫流体就开始进入油管。为了方便说明问题，定义一个参数B:

B=环空每米容积/油管每米容积

如果环空内1 m密度为D3的泡沫进入油管（同时井口会补充密度D1的泡沫1 m），在油管内占据的高度是B m，此时P1下降了（D3-D1）g帕，P2下降了B（D4-D3）g帕。

如果能满足（D4-D3）B-（D3-D1）＞0（1）

表4 氮气泡沫施工实际参数和计算参数对比

则环空流体能持续地进入油管，且差值越大，环空流体进入油管的排量越大。

实际气举施工中，水和泡沫在整个井筒内的摩阻是客观存在的，摩阻的大小与管道长度、管道的横截面积、管道面的凸凹程度、流体的黏度等有关，这些参数的取得很困难，计算很复杂。根据洗井的经验，3 000 m左右井深，550 L/min的排量，摩阻5 MPa～6 MPa，用增加注水量的办法，来克服摩阻。

克服摩阻增加的注水量V增=500×环空每米容积。

根据制氮车的排量和注水撬的排量变化以及气体状态方程，可以计算出每一段氮气泡沫的密度。

在小于等于Δt的时间内，将体积为V水+V增的水分段注入环空，且满足（1）式，这样的分配方案都是可行的。

4 现场实施情况

现场实施了3口井，计算的泡沫达到管鞋的时间和实际的时间（见表4）。

表5 氮气泡沫气举效果

靖X-1井和GY-2井实际的Δt和计算的Δt基本一致，GZ-3井Δt相对误差较大为15.8%，可能是该井比较深（3 871 m）水的滑脱造成的。经过对比认为，该计算方法可以用来指导现场施工。这些井在施工后第二天探液面结果（见表5），靖X-1井和GZ-3井液面都降到了管鞋附近，排液效果明显。GY-2井由于地层产水量比较大，气举后液面仍然很高。