提高氣井排水采氣加藥質量的做法及認識

徐德奎 ，馬品剛 ，楊志鵬，馬文海 ，王景芹 ，李 楠 ，張洪濤

1.北京工業(yè)大學 （北京 100124）

2.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院 （黑龍江 大慶 163453）

2015年中國石油大慶油田有限責任公司（以下簡稱大慶油田）油氣當量要保持在4000萬t穩(wěn)產(chǎn)，其主要手段就是“以氣補油”。目前，大慶油田氣井積液比例達39%，導致氣井產(chǎn)量下降23%～85%，“排水采氣”成為保證氣田穩(wěn)產(chǎn)的關鍵技術[1-2]。根據(jù)火山巖儲層特點，開發(fā)初期開展了排水采氣技術攻關和現(xiàn)場試驗，形成了“泡沫排水為主”的排水采氣技術模式。泡沫排水采氣，具有適應性強、工藝靈活、投入成本低等技術優(yōu)勢[3]。但在生產(chǎn)應用過程中，也暴露出諸多工藝技術問題[4-5]：一是缺乏準確預判井筒積液方法，制約了排水采氣措施早期、有效地實施；二是缺乏適應高溫高壓條件下泡排劑使用性能評價技術，制約了深層氣井泡排工藝應用效果；三是缺乏針對高溫泡排工藝參數(shù)的優(yōu)化方法，工藝實施缺乏針對性；四是寒冷地區(qū)冬季泡排工藝存在嚴重凍堵問題,冬季無法保證正常生產(chǎn)，影響有效生產(chǎn)時率。

針對上述問題，圍繞“提高氣井排水采氣加藥質量”這一基本出發(fā)點，從工藝技術的改進、專業(yè)人才業(yè)務水平的提高等2方面進行了系統(tǒng)的闡述，為排水采氣加藥質量的提高提出了針對性的做法。

1 工藝技術的改進

首先，從源頭上提高氣井排水采氣加藥質量，必須對工藝技術進行改進，包括積液預判技術、高溫泡排劑智能評價技術、工藝參數(shù)的優(yōu)化設計、注入工藝技術等。

1.1 積液預判技術改進

常用的積液判斷方法有：直觀法、臨界氣體速度法、壓力梯度法以及產(chǎn)能試井分析法。這些方法僅能夠在氣井已經(jīng)積液的情況下做出判斷，無法實現(xiàn)預判，存在滯后性。

研究表明，根據(jù)氣井井筒內(nèi)氣、液兩相流速的變化，其流態(tài)呈現(xiàn)為環(huán)霧流、段塞流和泡狀流，其攜液能力逐漸變差。泡狀流出現(xiàn)時，井筒已積液嚴重，段塞流的出現(xiàn)表明氣井處于積液早期或即將出現(xiàn)積液。因此，只要能夠準確判斷氣井井筒內(nèi)的流態(tài)變化，即可判斷出氣井的生產(chǎn)狀態(tài)及積液風險。

利用氣、水兩相流計算方法，結合大慶油田實際工況進行校正后，選擇合理的方法計算氣、水兩相流井筒內(nèi)的表觀速度變化，從而確定井筒不同位置的流態(tài)變化（圖1）。圖1中段塞流出現(xiàn)時表明氣井處在即將出現(xiàn)積液的時期，此時采取排水采氣工藝，可以避免積液后對氣井產(chǎn)量的影響，延長氣井帶水生產(chǎn)期。

圖1 氣井井筒流態(tài)判斷

校正方法如下：對于氣井兩相流計算模型，有Hagedorn-Brown、Orkisewski、Aziz、Beggs-brill、Grey等10余種模型，利用大慶油田深層火山巖氣田壓力梯度實測數(shù)據(jù)對上述模型進行了對比分析，從而選擇出符合率最好的Beggs-brill、Grey模型，其中Grey模型適用于氣水比更高的條件下，并通過實驗對新舊油管的表面粗糙度等參數(shù)進行了校正，經(jīng)與實測數(shù)據(jù)對比，計算準確率達到95%以上。

1.2 高溫泡排劑智能評價技術改進

原技術存在的問題：缺乏適應150℃高溫儲層的泡排劑所必需的評價手段。原評價技術只能評價100℃以下的性能指標，無法在室內(nèi)模擬評價高溫儲層環(huán)境下泡排劑的使用性能。而不經(jīng)過評價將泡排劑直接應用于現(xiàn)場存在盲目性，泡排劑在高溫下可能失效導致試驗失敗，甚至因與地層水配伍性差導致井筒堵塞，從而影響氣田生產(chǎn)。

改進后技術方案：研發(fā)耐高溫泡排劑智能評價系統(tǒng)，可對泡排劑和消泡劑性能進行評價及優(yōu)化，確保工藝實施效果。

高溫泡排劑評價裝置由進液系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成，采用先進的測量和控制技術，可系統(tǒng)研究泡排劑在高溫高壓條件下的穩(wěn)定性及攜液能力（圖2）。該高溫評價裝置具有如下特點：

1）氣、泡排劑、水的同步高溫注入與流量控制。

2）氣、水兩相溫度、壓力、流量的同步控制。

3）垂直管柱具有可視窗和攝像裝置，保證安全的條件下實現(xiàn)了試驗過程中井筒流態(tài)的可視化。

4）全過程注入壓力、流量和產(chǎn)出水的自動采集和計量。

圖2 高溫泡排劑智能評價系統(tǒng)流程

1.3 工藝參數(shù)優(yōu)化設計技術改進

原技術存在問題：利用氣井最小攜液流速計算公式可判斷氣井能否正常帶水生產(chǎn)。加入泡排劑后，由于其具有大幅降低表面張力的作用，從而起到降低氣井臨界流速，增強帶水能力的作用。原技術由于未做過泡排劑降低表面張力與臨界流速之間的定量分析，也就不明確泡排劑的經(jīng)濟有效的加注量，往往通過現(xiàn)場試驗摸索注入濃度、注入量等施工參數(shù)。而為了確保工藝效果往往加注量大，導致地面泡沫量過大，造成地面工藝處理困難。同時，長時間的注入易導致井筒和底層堵塞影響生產(chǎn)。

技術方案：泡排技術的關鍵在于能夠有效降低氣井的臨界攜液流速，即降低了式（1）中的σ值（表面張力）。

可見σ值是判斷泡排能否有效攜液的關鍵參數(shù)。而σ值的確定在常溫（＜90℃）條件下可在室內(nèi)利用表面張力儀測定，但高于90℃則無法測定。

1）室內(nèi)實驗確定不同濃度、不同溫度下泡排劑溶液的表面張力，建立溫度、濃度、表面張力三者之間的關系。

2）將σ引入臨界流量計算模型，建立加藥濃度與最小攜液流速V1的關系。

3）計算氣井實際流速V2，V1=V2時對應的加藥濃度即為經(jīng)濟加藥濃度C1，并結合氣井產(chǎn)水量計算出加藥量。

改進后技術：以智能評價系統(tǒng)為基礎，自主建立了高溫泡沫排水采氣攜液模型，既可判斷氣井積液情況及泡排工藝否可行，又能根據(jù)不同類型泡排劑性能快速、準確地確定加藥制度，提高效果的同時又降低了藥劑使用成本。

1.4 注入工藝技術改進

原技術存在問題：原有的泡排劑注入工藝包括柱塞泵、泡排車環(huán)空液體注入泡排劑和油管投送固體泡排劑3種。其中，柱塞泵工藝自動化程度最高，工藝簡單且?guī)в邪闊幔饕獑栴}是冬季生產(chǎn)過程中除泡排劑外，柱塞泵和唯一的注入管線還需要承擔緩蝕劑（避免管柱腐蝕斷裂）和甲醇（處理井筒凍堵）的任務，根本滿足不了泡排劑的注入需求；泡排車注入壓力低，且在低溫環(huán)境的注入過程中，頻繁出現(xiàn)因泡排劑低溫流動性差導致的井口凍堵，影響排水效果的同時給正常生產(chǎn)造成了困擾。

改進后技術：針對上述問題，創(chuàng)新研制了全自動控制注入技術，實現(xiàn)了高壓、恒溫、定量、移動式注入以及全過程天然氣泄露自動報警監(jiān)測，解決了冬季無法實施泡排工藝問題。該裝置由安全系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、配液系統(tǒng)、注入系統(tǒng)組成（圖3），其特點如下：

1）安全防爆，自動切斷。

2）最高工作壓力30MPa,最大注入流量300L/h。

3）工作溫度-30℃～70℃。

4）適用于腐蝕環(huán)境。

5）帶有安全閥和止回裝置。

6）手、自動控制。

7）注入壓力、流量等數(shù)據(jù)的自動采集。

1-700L大桶；2-塑料球閥；3-電磁流量計；4-球閥；5-1/2水閥門；6-1/2球閥；7-水箱；8-高壓柱塞泵；9-安全閥；10-變頻器；11-電氣箱；12-隔離器；13-電極點表50MPa；14-壓力傳感器 50MPa；15-電動閥門；16-溫度控制；17-可燃氣體檢測；18-泄壓排空閥；19-高壓軟管；20-氣井井口

2 提高專業(yè)人才的業(yè)務水平

目前，油田開發(fā)對象越來越復雜，穩(wěn)產(chǎn)難度也不斷增大，僅從學生時代獲得的知識，遠遠不能滿足工作需要。因此，相關管理人員和科研人員要堅持學習，不斷擴大自己的視野，提高知識的高度和寬度，從而能游刃有余的處理工作中遇到的各種問題[6-7]。

管理人員要從項目開題調(diào)研階段加強管理，圍繞“提高排水采氣加藥質量”這一中心點，根據(jù)大慶氣田的基本情況，從資源配置、人員分工上進行合理的統(tǒng)籌、科學的論證，為項目目標的實現(xiàn)提供堅實的物質保障。科研人員要不斷積累自己的專業(yè)知識，針對某一課題不但要知其然，更要知其所以然。單獨的掌握一門專業(yè)知識，已遠遠不能適應日益變化的勘探對象，因此，要多學科，多專業(yè)，交互式的學習。例如，泡沫排水采氣中，泡排劑的表面張力的測定必須嚴格按照SY/T 5370-1999《表面及界面張力測定方法》進行測定，才能科學合理地完成實驗。測定過程中，樣品的稱量、配制、評價、數(shù)據(jù)的分析處理等各環(huán)節(jié)都將影響到測定數(shù)據(jù)的準確性，否則缺乏準確性的表面張力值被用到最小攜液流速公式中，進而影響到最小臨界流量，從而影響加藥的準確性，數(shù)據(jù)偏大，造成鋪張浪費；數(shù)據(jù)偏小，無法排水采氣。同時，科研人員自身也從參與項目的實際出發(fā)，不斷加強學習，涉獵多專業(yè)，多學科的知識，打破傳統(tǒng)的思維模式，堅持創(chuàng)新作為第一要務，以新思路、新視角加快推進技術突破。

3 結論及認識

在大慶油田新的歷史時期，作為氣井穩(wěn)產(chǎn)關鍵技術“泡沫排水采氣”的加藥質量對于氣井的穩(wěn)產(chǎn)作用不容忽視。圍繞“提高加藥質量”從技術的改進、提高人才的專業(yè)水平等方面，進行了詳細的闡述，取得如下認識：

1）形成井筒積液智能診斷及預判系統(tǒng)，可實現(xiàn)產(chǎn)水、采氣井積液狀態(tài)的自動預警；研發(fā)耐高溫泡排劑智能評價系統(tǒng)，實現(xiàn)高溫條件下泡排劑和消泡劑性能評價及優(yōu)化，獲取最佳效果。

2）建立泡沫排水采氣攜液模型，優(yōu)化設計泡排工藝參數(shù)，降低藥劑使用成本；研制全自動控制注入技術，實現(xiàn)了高壓、恒溫、定量、移動式注入以及全過程天然氣泄露自動報警監(jiān)測，解決了冬季無法實施泡排工藝問題。

3）提高管理人員的管理水平，從整體上對科研項目進行把握，使項目及時、準確、經(jīng)濟的實現(xiàn)預期目標；加強科研人員的業(yè)務水平，從而在具體細節(jié)上進行掌控，不僅有利于預期目標的實現(xiàn)，更能提高自身的素質，從而快速成長。

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[2]唐貴林,段方華.加強排水采氣工藝前期論證提高工藝措施效果[J].鉆采工藝,2003,26(SI)：16-20.

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[4]張東生.企業(yè)戰(zhàn)略管理[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.

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[6]彭龍珠.科研項目管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].測繪軟科學研究,1997,4(4)：32-36.

[7]趙蘋,張華,郭志遠.淺談采油隊加藥管理[J].內(nèi)蒙古石油化工,2008,34(9)：91-92.