翟中波 漆世伟 王满宏 俞天军 王睿峰 薄江伟 王 波 张曙辉

1.斯伦贝谢长和油田工程有限公司 2.陕西延长石油（集团）有限责任公司油气勘探公司3.斯伦贝谢（中国）投资有限公司 4.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室

0 引言

X井区位于延安市以北、鄂尔多斯盆地天然气富集区的南缘，属于致密气项目。部分产水气井在生产一段时间后，近井筒地带的地层压力逐渐减小，生产压差随即减小，使得气量下降；当气量低于临界携液气量时，天然气不能正常携液造成液滴在井筒下部不断积聚，形成井底积液，增大井底流压，最终导致产量降低，甚至水淹停产[1-3]。

泡沫排水采气作为一种常用的技术措施，具有简单易行、经济性好、见效快的特点。目前国内不同区块使用不同类型的起泡剂，按照形态不同主要分为泡排棒和泡排剂两种，其中使用泡排剂作为起泡剂时，投送方式又分为两种：①使用6.35 mm同心毛细管从油管直接泵至井底；②套管（或油管）泵入靠自重到达井底[4-6]。第一种投送方式，使用同心毛细管可以直接将起泡剂送至气层积液位置，见效快，对油套管腐蚀伤害小，但涉及到井筒和井口改造，前期投入大且修井作业复杂，后期维保费用高。与之相比，第二种投送方式，地面泵入依靠自重到达井底的泡排剂加注方式，具有不影响修井作业、安装维保简单的优点，但是不可避免地会对套管造成腐蚀，并且见效慢，同时由于不直观，在泡排剂下行时间方面的研究很少，因而对泡排注剂之后关井时间的选择具有一定的盲目性和随机性。

井区无环空的积液气井，无法从环空注泡排剂，只能从油管侧注入，此时掌握注泡排剂的下行时间和扩散时间（二者之和为关井时间）就尤为重要。不同的学者通过一些研究得到了一些不同的结果，Solesa[7]认为泡排剂刚入井就会产生效果，Schinagl[8]和Bowman[9]认为泡排剂的下行速度为305 m/h，Kelly[10]得出的数据为稍大于610 m/h，Sean[11]认为泡排剂的下行速度约为731 m/h，Nafis[12]通过压差密度计得出缓蚀剂的下行速度约为1 372 m/h。而笔者首次采用一种独特的监测方法，即通过监测环空注泡排剂前后的油套压、气量及温度变化，研究了泡排剂下行时间与扩散时间的规律，从而相对准确地推断出注泡排剂后的关井时间，为矿场提供了第一手数据，可以直观指导并优化泡排作业，提升泡排作业的增产效果。

1 理论基础

储层流体在从地层进入井筒之后，要克服各种压力损失并在气流速度大于临界携液流速的条件下将产出液体带到地面。根据Turner和李闽[1-3]模型，气体临界携液流速为：

式中vc表示气井临界携液流速，m/s；ρL表示液体密度，kg/m3；ρG表示气体密度，kg/m3；σ表示气液表面张力，N/m；

泡沫排水采气的原理就是通过加入起泡剂与积液混合，显著降低气液表面张力，借助天然气的搅动作业形成大量低密度的含水泡沫，同时减小水气混相上行中的液体滑脱，从而在较低的气量下产生更好的携液效果，相当于降低了临界携液气量[13-16]。

2 泡排剂下行时间与扩散时间判定方法

2.1 数据采集系统

X井区使用数字化气田技术（Digital Gas Field，缩写为DGF），如图1所示，单井的油套压、气量和温度数据经过现场传感器采集、延北数据中心（SCADA）处理之后，以Power BI/OFM等方式实时监测气井的生产状态，并可自动生成相关报告。

图1 延北项目数字化气田技术流程与下步计划图

2.2 井身结构和泡排注剂系统

选用的研究井为139.7 mm套管内下入73.02 mm或88.9 mm油管，其中油管作为生产通道，油套管连通性良好。如图2所示，地面泡排剂注入泵将泡排剂通过套管阀泵入油套环形空间，液态泡排剂通过自重作用流入井底积液位置，在气流搅动下泡排剂发挥作用。

图2 带有环空的气井泡排示意图

2.3 泡排剂下行时间及扩散时间

关于泡排剂下行时间，不同研究者采用不同的方法，Nafis[12]通过井底压差密度计来观测，Schinagl[8]通过井底压力计和温度计的变化来观测。这些方法的优点是取出计量工具后可以直观观察泡排剂的到达时间，但是费用高、准确度低、实时性差，并且仍然需要结合生产数据对下行时间进行具体分析。

X井区不具备大范围采用井底压力计和温度计的条件，为此，探索了一种新方法，利用注入泡排剂之后井口油压、套压、气量和温度的变化趋势来判定泡排剂的下行时间和扩散时间。该方法不需要额外增加仪器。具体操作步骤如下：准确记录泡排剂刚开始泵入井口的时间作为T1，此时液态泡排剂进入环空，套压轻微下降；泡排剂下行至井底积液位置之后，在气流的搅动下，积液形成低密度的泡沫进入油管，油管内总液量增加，井口套压上升、气量下降，将气量开始下降时的时间作为T2；随着泡排剂与环空中的水不断作用产生更多的泡沫进入油管，套压会不断上升，将套压上升至最高点、即将开始下降时的时间作为T3，此时气量会开始升高，温度出现轻微波动。由上述定义的各个时间点可推出：泡排剂下行时间Td=T2-T1，扩散时间Tr=T3-T2（备注：扩散时间实际上指泡排剂遇水之后扩散加上反应时间，期间套压上升、气量下降），总关井时间Tc=Td+Tr；以Y64井（139.7 mm+73.02 mm）为例，环空加入泡排剂前后井口油套压、气量和温度的变化曲线如图3所示。从图中可以看出T1=9:30、T2=16:50、T3=18:40，从而计算出下行时间（Td）为 7 h，扩散时间（Tr）为2 h，需要的总关井时间（Tc）为9 h。

图3 Y64井泡排前后生产曲线图

另外选取一口完井结构无环空的速度管井Y64-05井（外径88.9 mm的原生产管柱+31.75 mm的速度管柱）作为研究对象，如图4所示，通过相同的原理可以得到该井在当时的生产状况下，泡排剂的下行时间（Td）为8 h，扩散时间（Tr）为3 h，需要的总关井时间（Tc）为11 h。

图4 Y64-05井泡排前后生产曲线图

3 泡排剂下行时间和扩散时间的影响因素探讨

3.1 泡排剂下行时间和扩散时间统计

泡排剂为孚吉UT-7，原液与清水的体积比为1:4，泡排剂泵的排量为大约500 L/h，单井注剂量为混合液10～30 L，此排量相对于油管或者环空的横截面积来说很小，同时由于井斜的存在，泡排剂被泵入井筒之后不会将横截面充填完全而下行，也不会像液滴在天然气中自由坠落，而是如小溪状细流沿着油套管壁在重力作用下下行[4]，或者在油套管壁上平铺形成一层液膜在重力作用下下行[11]。

采用相同方法，统计了7井次（6口井）的泡排剂下行时间和扩散时间（表1）。

表1 7井次泡排剂下行时间和扩散时间统计表

根据7组数据，绘制出下行时间和井斜深之间的关系（图5），可以看出：①同一口井Y64井在两次注入泡排剂时的下行时间比较接近；②Y14-03井的下行时间最短、速度较大，为1 791 m/h，原因是其油套压差最大，为2.59 MPa，环空中液柱高度较高，这样泡排剂会在较短的时间到达液面位置；③除Y14-03井之外其他井的下行速度分布很均匀，且相对比较接近，均在400～680 m/h之间。去掉最大下行时间，另6组数据求平均值结果为577 m/h，与Kelly、Shearer[10]以及Sean[11]的数据610 m/h很接近。

图5 泡排剂下行时间和井深之间的关系图

新方法与Kelly、Sean的模型对比如图6所示，泡排剂的下行速度分别为577 m/h、610 m/h、734 m/h，均在一定范围内，很接近。

图6 关于泡排剂下行时间的不同研究结果对比图

3.2 流道横截面积对下行时间的影响

关于油管内径对泡排剂下行时间的影响，业内存在不同的观点，Sean Peyton[11]认为油管内径对下行时间的影响相对较小，其影响力指数排在泡排剂排量、井斜、深度、黏度之后，位列第5位，他认为油管直径越大，泡排剂在油管内的下行时间越长，原因是：油管内径越大，在油管壁上平铺一层液膜需要的泡排剂越多，那么需要的时间就越长，导致下行时间越长。Nafis[12]使用压差密度计对缓蚀剂的下行时间做了研究，发现油管内径越大，缓蚀剂的下行速度越快，下行时间越短。同时Nafis的研究中也有个别例外现象，缓蚀剂在60.3 mm油管内下行时间比88.9 mm油管内短，和上述观点相悖，Nafis认为这是数据缺乏导致的异常，同时他也解释原因可能是内径越大，缓蚀剂与内壁接触面也越大，产生的吸附力越大，下行时间就越长。

如图7所示为流道横截面积（油管内径）对下行时间的影响的7井次统计数据，从图中并未看到明显的比例关系。但是剔除139.7 mm+73.02 mm的环空截面积6 747 mm2时的最小下行时间1.7 h（折算成3 000 m管脚），其他4组数据的平均下行时间为4.46 h（图8），随着环空横截面积的增大，泡排剂所需要的下行时间减小，与Nafis的结论一致。从环空注泡排剂和油管内注剂稍有不同，泡排剂可能在外侧套管内壁下行，也有可能在内侧油管外壁下行，尤其是环空截面积小的时候，泡排剂会在套管内壁和油管外壁均形成一层薄膜，导致下行速度小，花费的时间长。

图7 泡排剂下行时间和流道横截面积之间的关系图（折算到3 000 m井深）

图8 泡排剂下行时间和流道横截面积（油管内径）之间的关系图（折算到3 000 m井深）

3.3 压力对下行时间的影响

如图9所示为压力对下行时间的影响的7井次统计数据（去掉最小值，Y14-03井的2 h），从图中并不能看出明显的关系，可能是由于下行时间的影响因素较多，而压力的影响因子相对较小，且7组数据中压力的变化幅度相对较小。

图9 泡排剂下行时间和压力之间的关系图（折算到3 000 m井深）

将数据作如下处理：将Y64井（2 MPa≤套压＜3 MPa）的2次数据、Y69井（套压＜2 MPa）以及Y61-05、Y59-01和Y64-05井（套压≥3 MPa）的统计数据，这3组不同套压区间内的套压和下行时间分别取平均值并绘图（图10）。可见随着压力的增大，下行时间有稍微增大的趋势，这主要是因为泡排剂黏度随着压力升高有增大的趋势，与Nafis[12]关于压力对缓蚀剂下行时间的影响结论一致。

图10 泡排剂下行时间和压力之间的关系图（折算到3 000 m井深）

3.4 下行时间的其他影响因素

下行时间的其他影响因素[11]有泡排剂泵入速率（负相关）、温度（负相关）、黏度（正相关）、井斜（正相关）、管壁粗糙度（正相关）、井深（正相关）等。囿于本次获取数据的局限性，不能对其他的影响因素逐一探究，仅仅列出了它们之间的相应关系。

3.5 泡排剂扩散时间的影响因素

泡排剂沿着管壁下行至积液液面位置后会在积液中慢慢地扩散，直到泡排剂的浓度在积液中扩散均匀。在油管鞋附近，分散开的泡排剂会随气流的搅动形成低密度含水泡沫，含水泡沫沿着油管鞋进入油管，造成油压的波动，并随油管的天然气气流上升至井口，以液膜的形式带出井底积液。由于积液不断被气流带出至地面，套压慢慢降低，气量有增大的趋势，并且随着气量的增大，温度也会有所变化，表现为小幅度波动。扩散时间和井筒积液量、气量、井底温度有直接关系。选取前5组数据（同样的环空）作泡排剂扩散时间与气量的关系图（图11），并未看出扩散时间与气量的直接关系。

图11 泡排剂扩散时间和气量之间的关系图

但是通过7组扩散时间的分析，去除最大值10.5 h，其他6组数据的扩散时间做平均，其平均值为2.5 h，Schinagl[8]的研究显示泡排剂的扩散时间为2 h，和本研究的结论一致。

另外，积液量多少、温度差别以及环空截面积的大小均会影响泡排剂扩散时间的长短。

4 实际应用

通过上述研究发现对于X井区平均井深，泡排剂的下行时间为6 h，加上泡排剂的平均扩散时间2.5 h，注入泡排剂后的关井时间至少需要保证8.5 h，对于水平井，其井斜更大，建议关井10 h以上。我们选取项目的一口井Y69-02井为研究对象（该井为裸眼封隔器完井，油套不连通，套压约为0.4 MPa且基本稳定），泡排作业前后的生产曲线如图12所示。

图12 Y69-02井泡排前后生产曲线图

研究发现注泡排剂后关井时间为4 h的时候，气量从0.87 104m3/d增加到1.10 104m3/d，仅增加了26.4%，有效期3 d；注剂之后关井20 h的时候，黄色曲线代表的气量从0.8 104m3/d增加到5.0 104m3/d，增加了525%，有效期长达18 d（此时关井了，关井前气量仍有4.2 104m3/d）。证明只有当关井时间符合我们的研究结论时，泡排作业才能发挥其应有的排水采气效果，对现场很有指导意义。

5 结论

泡排作业注剂后，泡排剂沿着管壁在重力作用下下行，到达积液位置时扩散进井底积液，在天然气流的搅动下形成低密度含水泡沫，降低了气井的临界携液气量而达到排液目的。对于油管注剂同时油管生产的间歇注剂气井，如果关井时间不够就开井，会造成泡排剂没有到达积液位置或者没有与积液充分扩散反应就随气流流出井筒，失去泡沫排水采气的意义。

泡排剂下行时间和泡排剂泵入速率、井温、井压、泡排剂黏度、管壁粗糙度、管径（流道横截面积）大小、井斜、井深等因素有关。

泡排剂平均下行速度为577 m/h。油管鞋下深3 072～3 588 m时，泡排剂下行至油管鞋处平均需要6 h，泡排剂到达井底之后的平均扩散反应时间为2.5 h，综合起来所需要的关井时间为8.5 h；对于水平井，其井斜更大，建议关井10 h以上。采用新方法的探究结果，将泡排后关井时间从4 h延长至20 h以上，气井的生产能力均有很大的改善。