固體泡沫劑排水采氣適應(yīng)性分析及優(yōu)化措施

陳 依 張鳳瓊 韋元亮 劉 陽 胡波兒

1.中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦 2.中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處

0 引言

固體泡排投注作為一種普遍應(yīng)用的泡排工藝，均利用固體泡排投注裝置關(guān)井自油管投注，但頻繁開關(guān)井會造成氣井無法長期穩(wěn)定生產(chǎn)、生產(chǎn)時率低等問題。針對不關(guān)井投注的可行性，并對投注固體棒狀泡排進行受力分析，并利用流體力學(xué)動量方程求解，得出：根據(jù)氣井實時參數(shù)計算固體起泡劑所受曳力，進而計算固體起泡劑的質(zhì)量，可實現(xiàn)不關(guān)井加注。此外，對于大斜度、水平井排水采氣問題，常認(rèn)為固體棒狀泡排投注會卡在造斜段而不能落入井底，借鑒柱塞在大斜度、水平井中的應(yīng)用思路，建立造斜段極限幾何關(guān)系，求解出現(xiàn)有直徑棒狀起泡劑的極限長度，并通過水平井YH004-H2 井現(xiàn)場應(yīng)用證實現(xiàn)有棒狀固體起泡劑長度均能滿足川東地區(qū)大斜度井、水平井的投注要求。

1 泡沫排水采氣工藝

隨著有水氣藏逐步進入開發(fā)中后期，地層壓力逐漸下降，依靠地層能量或井底能量帶水出現(xiàn)困難。此時若向氣井加入一定量的起泡劑，借助天然氣的攪動，使井筒積液生成大量低密度含水泡沫，從而隨著天然氣流被帶出到地面，達到排水采氣的目的[1-2]。四川盆地川東地區(qū)自20 世紀(jì)90 年代初期，在臥龍河氣田小產(chǎn)水量氣井首次實施泡沫排水采氣，至目前已有200 余口井實施了泡沫排水采氣，成為一套成熟的適用于川東地區(qū)的主力排水采氣工藝技術(shù)。

泡沫排水采氣工藝有固體及液體加注兩種方式[3-6]，液體加注主要根據(jù)氣井產(chǎn)水量大小配兌合適比例藥劑，通過泵注或罐注至井下油套環(huán)空或者油管內(nèi)。固體加注主要是通過固體加注裝置向油管內(nèi)投注相應(yīng)數(shù)量的固體起泡劑。固體起泡劑又分為棒狀或球狀起泡劑[7]。

2 固體泡沫劑排水采氣適應(yīng)性分析

2.1 固體泡排存在的主要問題

固體泡沫排水采氣一般要求在關(guān)井狀態(tài)下將泡排劑從油管加入[8-9]，起泡劑加注完后需要繼續(xù)關(guān)井一定時間，以保證固體起泡劑有足夠的時間落入井底并與井底積液充分混合。

固體泡排劑加注具有以下優(yōu)點：

1）固體泡排劑作用時間較長，無需每日加注。

2）固體泡排劑加注裝置加注工藝簡單，無需外加動力和水，減少大量生產(chǎn)成本。

3）相對液體泡排劑而言，固體泡排劑不會增加井筒積液，且更容易落入井底。

同時通過對現(xiàn)場多口井固體起泡劑加注情況分析，認(rèn)為其仍存在以下問題：

1）固體泡排劑需關(guān)井加注，周期性關(guān)井加注固體起泡劑，會導(dǎo)致氣井生產(chǎn)時率低，氣井產(chǎn)量無法最大化發(fā)揮。

2）頻繁開關(guān)井操作不利于氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。

3）按照氣井產(chǎn)水情況選擇相應(yīng)數(shù)量固體起泡劑，一般選擇最佳濃度為1‰。如果氣井產(chǎn)水量大，需要加注更多的起泡劑，通常需要反復(fù)投注才能完成，增加了安全風(fēng)險。

2.2 固體泡排在直井中的適應(yīng)性分析

為避免頻繁開關(guān)井加注固體起泡劑給氣井生產(chǎn)帶來不利影響和安全風(fēng)險，開展不關(guān)井加注固體泡排棒試驗。

考慮到不同生產(chǎn)情況對固體泡排投注要求存在差異，選取不同產(chǎn)量的1 井（產(chǎn)氣量0.3×104～0.4×104m3/d、產(chǎn)水量0.2 m3/d）和2 井（產(chǎn)氣量2.0×104～2.3×104m3/d、產(chǎn)水量1.1 m3/d）作為代表井（1 井和2 井均為直井，油管內(nèi)徑?73 mm），開展不關(guān)井投注固體泡排試驗。

1）大產(chǎn)氣量井在開井狀態(tài)下投注UT-6 固體泡排棒，在投棒過程中發(fā)現(xiàn)泡排棒不能掉入井底，檢查投注裝置發(fā)現(xiàn)泡排棒在投注裝置筒內(nèi)發(fā)生堵塞，且數(shù)根斷裂（圖1）。

2）小產(chǎn)氣量井在開井狀態(tài)下投注UT-6 固體泡排棒未發(fā)現(xiàn)異常，固體泡排投注裝置筒內(nèi)無泡排棒堵塞。

圖1 2 井投注裝置取出的的泡排棒照片

根據(jù)試驗結(jié)果初步分析認(rèn)為氣井產(chǎn)氣量越大、流速越快，在不關(guān)井條件下投注的泡排棒遇自下而上氣流作用無法落入井底，部分下落的泡排棒在氣流作用下反沖回固體投注裝置處。

2.3 固體泡排在大斜度井、水平井中的適應(yīng)性分析

為了動用氣藏低滲儲量，提高氣藏采收率，部分氣井實施大斜度井、水平井鉆井技術(shù)（圖2），該技術(shù)給后期排水采氣技術(shù)帶來困難[10-13]，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）大斜度井、水平井通常安裝有封隔器，油、套管不連通的氣井無法加注液體起泡劑，僅能通過油管投注固體起泡劑或車載泵注液體起泡劑輔助帶液；油、套管連通的氣井即使能從環(huán)空加注液體起泡劑，但井底積液必須被帶至滑套或反循環(huán)閥處。

2）部分氣井井下管柱安裝有井下節(jié)流器工作筒，工作筒內(nèi)徑比相應(yīng)油管內(nèi)徑小，工作筒處自然形成一臺階，固體起泡劑可能無法正常下落，無法達到排水采氣目的。

圖2 井身結(jié)構(gòu)示意圖

3）大斜度井、水平井井斜角較大，固體泡排棒容易卡堵在造斜段[14]，無法成功落入井底與積液充分混合，無法達到排水采氣目的。

3 固體泡沫排水采氣優(yōu)化措施

從現(xiàn)場試驗效果看，固體起泡劑由于重量較輕，即使采取關(guān)井加注的形式以避免固體泡排劑被氣流反沖，也無法正常落入井底；棒狀固體起泡劑易受到井筒井斜的影響，下落過程中卡在造斜段而不能落入井底。

3.1 固體起泡劑質(zhì)量計算

由于直井加注棒狀固體起泡劑在投注裝置處發(fā)生堵塞，在大斜度、水平井試驗了球狀固體起泡劑，同樣在投注裝置處也發(fā)生堵塞。綜合分析認(rèn)為，不關(guān)井投注固體起泡劑需滿足一個重要條件，即固體起泡劑本身重力大于上升氣流對該固體起泡劑橫截面造成的曳力。根據(jù)流體力學(xué)動量定理[15]:作用在物體上的力的大小等于物體在力作用方向上的動量的變化率，即利用流體力學(xué)動量守恒的一維簡化方程式可求得氣井流動過程中對橫截面的力[4]。即

式中F表示橫截面作用力，N；ρ表示流體密度，kg/m3；β1、β2表示動量修正系數(shù)（一般取1.02 ～1.05）；Q表示天然氣體積流量，m3/s；υ1表示天然氣平均流速，m/s；υ2表示固體起泡劑下落流速，m/s。

井筒中的固體起泡劑主要受自身重力G與氣體對起泡劑的曳力F的影響，當(dāng)G=F（忽略井壁摩擦力）時起泡劑相當(dāng)于靜止，即υ2約等于0，故方程（1）可簡化為：

為使固體起泡劑落入井底，需要滿足F＜G這一條件。由于井口和井底流速不一致，故需要比較F在井底—井口之間的變化情況。

自噴井沿井筒自下而上壓力降低、流速加快，井口流速大于井底流速，低壓情況下井口和井底密度變化較小，忽略井筒密度變化影響，由此可知固體起泡劑在井口所受的曳力大于井底所受的曳力。因此當(dāng)固體起泡劑能夠順利通過井口橫截面后，也一定能順利落入井底，故僅需計算固體起泡劑在井口橫截面受到的曳力即可。

以1 井為例，該井瞬產(chǎn)氣量為0.3×104m3/d，井口氣流壓力為1.0 MPa、溫度為25.0℃，天然氣相對密度為0.57，井口油管內(nèi)徑為?73.0 mm，根據(jù)給定條件得到1 井體積流量(Q)為0.035 m3/s，氣流速度(v1)為8.3 m/s，該壓力溫度條件下流體密度(ρ)為7.1 kg/m3，通過方程（2）計算求得1 井井口橫截面曳力為2.08 N。根據(jù)F=mg，求出1 井井口需投注的固體起泡劑質(zhì)量為0.208 kg，即當(dāng)固體起泡劑質(zhì)量大于等于208 g 即可實現(xiàn)不關(guān)井加注。

3.2 固體起泡劑尺寸核算

棒狀固體起泡劑視為簡單圓柱形工具[16-18]，通過最大曲率井段的極限幾何關(guān)系（圖3）為：

圖3 棒狀藥劑極限外形尺寸示意圖

式中L表示泡排棒極限長度；R表示井筒曲率半徑；D表示油管內(nèi)徑；d表示泡排棒直徑。

大斜度井、水平井井眼軌跡與水平段形成一定角度的夾角，一般井斜角大于90°，當(dāng)前以90°為極限造斜角度核算可投注棒狀藥劑的極限尺寸。

受井筒內(nèi)徑的限制，棒狀藥劑直徑d應(yīng)滿足d＜D，通過計算得出滿足現(xiàn)有油管尺寸的?30 mm、?40 mm棒狀起泡劑的極限長度分別為1.24 m、1.032 m。

現(xiàn)有?30 mm、?40 mm 棒狀藥劑的實際長度分別有0.25 m、0.265 m 和0.39 m、0.4 mm、0.46 m，能夠滿足大斜度、水平井需求。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用實例

川東地區(qū)YH004-H2 井是石炭系氣藏的一口水平井，井深5 468 m，最大井斜角95.58°，井下管串為88.9 mm+73 mm 組合油管。該井站場無水、無電，生產(chǎn)套壓、油壓分別為10.2 MPa、2.04 MPa，日產(chǎn)氣量0.3×104m3，井筒積液嚴(yán)重，無法連續(xù)帶水生產(chǎn)。

理論上常規(guī)固體棒狀泡排劑能通過造斜點，滿足大斜度、水平井排水采氣需求。為驗證其效果，YH004-H2 于油管投注UT-6 型固體棒狀泡排劑（直徑?40 mm、長度0.4 m）20 根，次日套壓下降至6.3 MPa，油壓上升至2.24 MPa，日產(chǎn)氣達到2.9×104m3，日產(chǎn)水2.5 m3，試驗證明固體泡排劑起到了輔助帶液的效果。此后連續(xù)投注10 日，日投注12 ～20根，該井油套壓差持續(xù)減小，日產(chǎn)氣量維持在1.0×104m3，日產(chǎn)水0.8 m3。截至2018 年5 月，YH004-H2 井連續(xù)實施固體泡排工藝，生產(chǎn)套壓（4.8 ～5.0） MPa、油壓（1.4 ～1.5） MPa，日產(chǎn)氣（0.3 ～0.7）×104m3，日產(chǎn)水（0.2 ～0.6）m3。

4 結(jié)論

1）泡沫排水采氣工藝簡單、投資少、見效快，是川東地區(qū)主力排水采氣工藝。通過現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，固體棒狀起泡劑在不同的井況應(yīng)用效果不一樣，影響因素主要是井身結(jié)構(gòu)和起泡劑的重量、長度。

2）通過受力分析提出固體起泡劑落入井底的首要條件，當(dāng)不關(guān)井加注起泡劑時需滿足固體起泡劑所受曳力小于本身重力。實際應(yīng)用時根據(jù)氣井參數(shù)計算固體起泡劑所受曳力，進而計算固體起泡劑的質(zhì)量，為選擇合適的起泡劑提供技術(shù)保障。

3）結(jié)合大斜度井、水平井井身結(jié)構(gòu)，建立固體起泡劑通過大斜度段時所需起泡劑極限長度關(guān)系式。通過分析計算，認(rèn)為現(xiàn)有棒狀固體起泡劑長度均能滿足川東地區(qū)大斜度井、水平井的投注要求。

4）水平井YH004-H2 井為一口氣水同產(chǎn)井，氣井連續(xù)帶水生產(chǎn)困難。通過分析計算，該井具備加注棒狀固體起泡劑的條件?，F(xiàn)場實施后日增產(chǎn)氣量0.7×104m3、產(chǎn)水量0.8 m3，泡排效果較好。

5）川東地區(qū)帶液生產(chǎn)困難的大斜度井、水平井較多，為實現(xiàn)不關(guān)井加注固體起泡劑，建議開展固體起泡劑優(yōu)化研究和相關(guān)試驗，研制系列質(zhì)量的固體起泡劑，以適應(yīng)不同生產(chǎn)井況的需要，達到輔助氣井帶液生產(chǎn)的目的。