水平井對(duì)泡排攜液效果的影響研究

許園 蔣澤銀 李偉 陳楠 蘇福燕 龍順敏

中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院

水平井是近年來在天然氣開發(fā)井中普遍采用的井型。目前，包括頁巖氣等越來越多的水平井需要開展泡沫排水采氣以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)[1-3]。水平井存在較長(zhǎng)的斜井段和水平段，泡沫在斜井段井筒內(nèi)的流動(dòng)與直井不同。在直井中，氣流向上、井筒滑脫回流的液體向下，相互產(chǎn)生對(duì)流，利于氣液的混合攪動(dòng)產(chǎn)生泡沫；在斜井段，氣流與液體滑脫回流的方向成一定夾角，由于密度差別較大，液體和密度較大的泡沫總是沿斜管的下壁回流，而氣體和密度較小的泡沫沿斜管的上壁上升，從而降低氣體的帶液效率。因此，水平井的泡沫排水采氣效果與直井有較大的差異。有研究表明，斜井井筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，井筒內(nèi)氣流攜液困難[4]；定向氣井泡排效果普遍較直井差，定向氣井斜井段是造成泡排效果差的原因之一[5]。但還沒有研究斜井段對(duì)泡沫攜液效果具體影響的報(bào)導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與試劑

1.1.1實(shí)驗(yàn)裝置

為了模擬評(píng)價(jià)水平井造斜段對(duì)泡沫攜液的影響，參照SY/T 5761-1995《排水采氣用起泡劑CT5-2》中規(guī)定的泡沫攜液量裝置的高度、內(nèi)管直徑、氣體分散頭尺寸等，建立了如圖1所示的相同垂直高度，斜度分別為90°、60°、45°、30°，長(zhǎng)度為600 mm、693 mm、849 mm、1 200 mm的帶升溫夾層的泡沫攜液量評(píng)價(jià)管。

1.1.2試劑

NaCl，分析純；無水CaCl2，分析純；CT5-7CⅠ起泡劑，工業(yè)純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 礦化水配制：稱取8 g NaCl與2 g CaCl2，用蒸餾水配制成1 000 mL溶液，得到10 g/L的礦化水。

(2) 評(píng)價(jià)條件：溫度90 ℃、氣流量3.0 L/min。

(3) 評(píng)價(jià)方法：參照SY/T 5761-1995規(guī)定的攜液量評(píng)價(jià)方法，將不同量的CT5-7CⅠ起泡劑加入配制的礦化水中，取200 mL倒入不同斜度的泡沫攜液量評(píng)價(jià)管中，將溫度升至90 ℃，然后通過氣體分散頭通入3.0 L/min的N2，將15 min內(nèi)帶出的泡沫消泡后的液體用量筒測(cè)量，即為泡沫攜液量。

2 結(jié)果與討論

2.1 相同垂直高度時(shí)斜度對(duì)泡沫攜液量的影響

2.1.1評(píng)價(jià)結(jié)果

用垂直高度相同、不同斜度的評(píng)價(jià)管，評(píng)價(jià)質(zhì)量濃度0.5～3.0 g/L的起泡劑在10 g/L的礦化水中的泡沫攜液量，結(jié)果見圖2。

由圖2可見，在垂直高度相同、起泡劑質(zhì)量濃度0.5～3.0 g/L時(shí)，泡沫攜液量隨斜度角的增加而增加。延長(zhǎng)30°、45°和60°、90°的直線相交于一點(diǎn)，將該點(diǎn)視為曲線的拐點(diǎn)。由圖2可見，不同起泡劑用量下的拐點(diǎn)在51°～55°。在拐點(diǎn)以下，斜度對(duì)泡沫攜液量的影響較大，泡沫攜液量隨斜度的增大而增加較快；在拐點(diǎn)以上，斜度對(duì)泡沫攜液量的影響較小。

由圖2還可看出，隨著起泡劑用量的增加，在不同斜度角下的攜液量均增加，且拐點(diǎn)呈下降趨勢(shì)。要達(dá)到相同的攜液量，在斜度角較小時(shí)需增大起泡劑的用量，比如要達(dá)到120 mL的攜液量，在55°～90°時(shí)起泡劑用量為1.0 g/L，在45°時(shí)需增加到1.3 g/L，30°時(shí)需增加到1.7 g/L。

2.1.2原因分析

直管與斜管中泡沫的流動(dòng)狀態(tài)如圖3和圖4所示。通過對(duì)比圖3直管和圖4斜管中泡沫的流動(dòng)狀態(tài)，分析斜度影響泡沫攜液以及在斜度角較小時(shí)增加用量可以達(dá)到較好攜液的原因。

由圖3可見，在垂直管中，泡沫在管中呈對(duì)稱均勻的紊流狀態(tài)向上運(yùn)動(dòng)，且與密度較大的沿管壁滑脫的液體產(chǎn)生較強(qiáng)的對(duì)流和攪動(dòng)，使滑脫的液體再次起泡并隨上升的泡沫繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)。而在圖4所示的斜管中，由于形成泡沫本身的不均勻以及析液造成的密度差，泡沫在管中呈非對(duì)稱層流狀態(tài)，上管壁處泡沫粗大、密度低，向下泡沫變小、密度增大。此時(shí)若氣流未從上管壁處穿透泡沫，管內(nèi)的泡沫會(huì)一起向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)上管壁處的泡沫進(jìn)一步析液破裂并被氣流穿透時(shí)，下層的泡沫則只能向下回流而不易形成如直管中的對(duì)流作用。因此，直管和斜管中泡沫的流動(dòng)狀態(tài)不同，斜度角越接近90°，攜液量越大，斜度角越小，攜液量越小。

增加起泡劑用量可提高泡沫的穩(wěn)泡性能，減緩泡沫的析液速度，并使上管壁處的泡沫不易被氣流穿透，從而提高泡沫攜液效果。因此，在斜度角較小時(shí)，增加起泡劑用量提高穩(wěn)泡性能可達(dá)到較好的攜液效果。同時(shí)表明，在水平井的泡排中，可增加起泡劑的用量以克服造斜段對(duì)泡排效果的影響。

2.2 相同管長(zhǎng)時(shí)斜度對(duì)泡沫攜液量的影響

2.2.1評(píng)價(jià)結(jié)果

將長(zhǎng)度為693 mm的評(píng)價(jià)管分別調(diào)整為90°、60°、45°、30°斜度，對(duì)質(zhì)量濃度為1.5 g/L的起泡劑在10 g/L礦化水中的攜液量進(jìn)行評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)與圖2中相同垂直高度、1.5 g/L起泡劑時(shí)的攜液量數(shù)據(jù)一同作圖，如圖5所示。

由圖5可見，相同管長(zhǎng)、不同斜度與相同垂直高度、不同斜度的曲線幾乎重合。表明在泡沫攜液的評(píng)價(jià)中，相同管長(zhǎng)與相同垂高時(shí)斜度對(duì)攜液量的影響基本一致，即在斜度低于55°時(shí)，斜度對(duì)攜液量的影響較大；高于55°時(shí)，斜度對(duì)攜液量的影響較小，而管長(zhǎng)對(duì)攜液量的影響較小。

2.2.2原因分析

直管與30°斜管中泡沫的段塞流動(dòng)狀態(tài)如圖6和圖7所示。通過對(duì)比圖6和圖7泡沫的段塞流動(dòng)狀態(tài)，分析管長(zhǎng)對(duì)泡沫攜液的影響較小的原因。

在泡沫攜液評(píng)價(jià)中，當(dāng)管內(nèi)液體較多時(shí)，泡沫呈圖3和圖4所示的連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)。隨著管內(nèi)液體的帶出，液體量減小，形成的泡沫減少，則會(huì)出現(xiàn)如圖6和圖7所示的泡沫段塞流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)起泡劑的穩(wěn)泡性能較好時(shí)，形成的泡沫段塞不易被氣流穿透，在相同斜度下，較長(zhǎng)或較短的評(píng)價(jià)管中泡沫段塞均能順利地將液體帶出管口。CT5-7CⅠ起泡劑質(zhì)量濃度為1.5 g/L時(shí)，泡沫穩(wěn)定性較好。因此，管長(zhǎng)對(duì)泡沫攜液的影響較小。同時(shí)表明，對(duì)于水平井，要達(dá)到好的泡排效果，需要使用泡沫穩(wěn)定性較好的起泡劑。

2.3 水平井泡排實(shí)例

長(zhǎng)寧H3-1和H3-2井為頁巖氣水平井，分別于2016年11月和2017年1月開展泡排現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，使用CT5-7CⅠ起泡劑，在現(xiàn)場(chǎng)水樣中不同用量的起泡力、穩(wěn)泡性、直管中攜液評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)見表1。

表1 CT5?7CⅠ不同用量的泡沫性能Table1 PerformanceofCT5?7CⅠwithdifferentdosage水樣起泡劑型號(hào)溫度/℃ρ/(g·L-1)起泡力/mm穩(wěn)泡性/mm攜液量/mL現(xiàn)場(chǎng)水CT5?7CⅠ900．5125．0230．0130．0901．0167．0255．0151．0901．5185．0315．0162．0902．0195．0325．0167．0

表2 兩井泡排前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table2 Productiondataoftwowellsbeforeandafterfoam?dewatering井號(hào)泡排前泡排后對(duì)比壓差/MPa產(chǎn)氣量/(m3·d-1)產(chǎn)水量/(m3·d-1)壓差/MPa產(chǎn)氣量/(m3·d-1)產(chǎn)水量/(m3·d-1)壓差降低/MPa產(chǎn)氣量增加/(m3·d-1)產(chǎn)水量增加/(m3·d-1)H3?15．3885861．881．92110115．243．46(64．3%)2425(28．3%)3．36(1．8倍)H3?24．7997993．371．81123206．152．98(62．2%)2521(25．7%)2．78(82．5%)合計(jì)183855．252333111．394946(26．9%)6．14(1．17倍)

由表1可見，CT5-7CⅠ質(zhì)量濃度在0.5 g/L以上時(shí)，起泡力、穩(wěn)泡性及直管中的攜液量均較好。在直井的質(zhì)量濃度為1.0～1.5 g/L時(shí)，可達(dá)到較好的泡排效果，而在H3-1井和H3-2井中，通過優(yōu)化后的實(shí)際用量為1.5～2.0 g/L。由表2可見，兩井的泡排取得了較好的效果，泡排穩(wěn)產(chǎn)氣量2.33×104m3/d，增產(chǎn)氣量0.49×104m3/d，增產(chǎn)26.7%。

3 結(jié) 論

(1) 在水平井中，造斜段的斜度對(duì)泡沫攜液有較大的影響。在斜度角為55°以下時(shí)，泡沫攜液量隨斜度的增大而較快增加，在55°以上斜度對(duì)泡沫攜液量的影響較小。

(2) 在形成的泡沫穩(wěn)定性較好的情況下，管長(zhǎng)對(duì)攜液的影響較小。與直井相比，要達(dá)到較好的泡排效果，水平井需要使用泡沫穩(wěn)定性更好的起泡劑。

(3) 在水平井的泡排中，可增大起泡劑的用量以克服造斜段對(duì)泡排效果的影響。

(4) 長(zhǎng)寧H3-1井和H3-2井使用泡沫穩(wěn)定性較好的CT5-7CⅠ起泡劑，并在使用略大于直井起泡劑用量的情況下，取得了較好的泡排效果。

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