頁(yè)巖氣平臺(tái)井泡沫排水采氣技術(shù)

蔣澤銀 李 偉 羅 鑫 李小蓉 熊 穎 周 鴻 向建華

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.四川長(zhǎng)寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司4.中國(guó)石油西南油氣田公司氣田開發(fā)管理部 5.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦 6.中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院

0 引言

目前四川盆地川南地區(qū)已成為我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，共計(jì)有威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通、瀘州、渝西等5個(gè)有利建產(chǎn)區(qū)，有效支撐了國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)的建設(shè)和頁(yè)巖氣持續(xù)上產(chǎn)[1-2]。

受到頁(yè)巖氣特殊滲流機(jī)理的影響，氣井產(chǎn)量呈現(xiàn)出前期遞減快、中期遞減緩慢、后期低產(chǎn)下穩(wěn)產(chǎn)的特征[3-4]。美國(guó)Haynesville頁(yè)巖氣井第1年產(chǎn)量遞減率平均為72%；長(zhǎng)寧和威遠(yuǎn)大部分頁(yè)巖氣井第1年產(chǎn)量遞減率介于60%～70%，在井口壓力小于6 MPa的低壓階段產(chǎn)量年遞減率小于10%。國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣均采用平臺(tái)叢式井組開發(fā)的模式，一個(gè)平臺(tái)部署水平井3～12口（國(guó)內(nèi)為3～8口，國(guó)外為4～12口）[5]，單井壓裂注入的工作液量普遍超過4h104m3。井底積液是頁(yè)巖氣井生產(chǎn)面臨的普遍問題，需要盡早采取排水采氣工藝措施[6]。常用排水采氣工藝主要有泡沫排水、氣舉、電潛泵、有桿泵排水采氣工藝等，其中泡沫排水（以下簡(jiǎn)稱泡排）采氣工藝由于成本低、見效快，是目前水平井應(yīng)用最廣泛的排水采氣工藝[7-8]。泡排工藝在國(guó)外的頁(yè)巖氣開發(fā)中也大量使用，如美國(guó)Alliance頁(yè)巖氣田在80口井中采用了泡排工藝，日產(chǎn)氣量增加了29%[5]。

國(guó)外頁(yè)巖氣田的泡排采用由一臺(tái)地面泵和一個(gè)藥劑罐組成的藥劑注入裝置，采用太陽能供電，一口井使用兩套注入裝置分別加注起泡劑和消泡劑[5]。根據(jù)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣的管理模式、水平井井型、集輸工藝的要求，需要采用橇裝化、遠(yuǎn)程控制的藥劑自動(dòng)加注裝置，使用起泡力、穩(wěn)泡性、攜液量更優(yōu)的起泡劑[9-10]及消泡性能更優(yōu)的消泡劑。因此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和集輸工藝流程，通過優(yōu)選泡排工藝流程、研制并持續(xù)改進(jìn)平臺(tái)整體橇裝化遠(yuǎn)程控制起泡劑和消泡劑自動(dòng)加注裝置、優(yōu)化起泡劑和消泡劑性能、建立消泡效果監(jiān)控方法，形成了一套適用于川南地區(qū)長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣平臺(tái)井的整體泡排工藝技術(shù)。

1 國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣泡排工藝發(fā)展歷程

國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣進(jìn)行泡沫排水采氣開始于2016年（頁(yè)巖氣規(guī)模開發(fā)初期），到2019年底經(jīng)歷了以下3個(gè)階段：①單井先導(dǎo)試驗(yàn)階段。2016—2017年，在長(zhǎng)寧區(qū)塊H3-1、H3-2井開展了頁(yè)巖氣泡排工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，日氣產(chǎn)量增加26.9%、日水產(chǎn)量增加117%[11]。②平臺(tái)整體泡排階段。2018—2019年，在長(zhǎng)寧區(qū)塊9個(gè)平臺(tái)實(shí)施了平臺(tái)整體泡排工藝，在全部50口井中實(shí)施井?dāng)?shù)為45口，與平臺(tái)實(shí)施泡排工藝前5天日平均氣產(chǎn)量相比，工藝實(shí)施后15～30天期間日平均氣產(chǎn)量的增量乘以工藝實(shí)施總天數(shù)得到累計(jì)增產(chǎn)天然氣量，至2019年11月累計(jì)增產(chǎn)天然氣1.15h108m3、水1.27h104m3，形成了頁(yè)巖氣泡排管理制度和操作流程。③區(qū)塊整體泡排階段。2019—2020年，結(jié)合平臺(tái)整體泡排，考慮對(duì)增壓機(jī)及脫水流程的保護(hù)，在有增壓機(jī)平臺(tái)、增壓站及集氣站增加二級(jí)消泡。本階段計(jì)劃實(shí)施12個(gè)平臺(tái)，其中5個(gè)有增壓機(jī)平臺(tái)增加了二級(jí)消泡，在此期間編制形成了中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)《頁(yè)巖氣井泡沫排水工藝技術(shù)規(guī)范》。目前泡沫排水采氣技術(shù)已成為長(zhǎng)寧區(qū)塊最主要的穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)之一，2020年上半年應(yīng)用井?dāng)?shù)預(yù)計(jì)將超過90口井、2021年上半年將接近150口井。

2 頁(yè)巖氣泡排工藝技術(shù)實(shí)踐

2.1 泡排工藝流程選擇

國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣的開發(fā)形成了“采輸作業(yè)橇裝化”[1]“單井無人值守、調(diào)控中心集中控制”的管理模式。隨著頁(yè)巖氣開采配套技術(shù)的逐漸成熟，場(chǎng)站集輸工藝也在不斷改進(jìn)，在長(zhǎng)寧區(qū)塊形成了兩種集輸工藝流程。一種是2018年以前對(duì)于3～6口井的平臺(tái)采用一套計(jì)量分離器、一套生產(chǎn)分離器、輪換式計(jì)量的橇裝流程[12]；另一種是2018年以后一口井采用一套計(jì)量分離器的單井計(jì)量分離橇裝流程。頁(yè)巖氣的泡排工藝流程需要與現(xiàn)場(chǎng)管理模式和集輸工藝相匹配。

2016—2017年針對(duì)長(zhǎng)寧H3和H6采用輪換計(jì)量橇裝流程的兩個(gè)平臺(tái)，采用單井起泡、集中消泡工藝流程（圖1），即起泡劑從各井油套管環(huán)空注入、消泡劑在計(jì)量橇裝流程的分離器前進(jìn)行霧化加注。該流程的優(yōu)點(diǎn)是減少了消泡劑的加注點(diǎn)并使消泡劑加注裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于消泡距離短，各井加注制度不同時(shí)進(jìn)行輪換計(jì)量需要頻繁調(diào)整各加注點(diǎn)的消泡泵排量，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)操作復(fù)雜。

因此，在2018—2019年分別對(duì)7個(gè)使用輪換計(jì)量橇裝流程和1個(gè)使用單井計(jì)量橇裝流程的平臺(tái)實(shí)施泡排時(shí)，對(duì)消泡劑加注位置進(jìn)行了優(yōu)化，采用單井起泡、單井消泡工藝流程（圖2），即起泡劑從各井油套管環(huán)空注入，消泡劑在每口井井口一級(jí)針閥后進(jìn)行霧化加注。該流程雖然增加了消泡劑加注裝置的復(fù)雜程度，但有效克服了集中消泡工藝流程的缺點(diǎn)。

圖1 集中計(jì)量平臺(tái)的單井起泡、集中消泡流程示意圖

圖2 集中計(jì)量平臺(tái)的單井起泡、單井消泡流程示意圖

2019—2020年實(shí)施泡排平臺(tái)的集輸工藝流程均采用單井計(jì)量橇裝流程，其泡排工藝流程與圖2所示的工藝流程類似，區(qū)別僅在于每口井對(duì)應(yīng)一個(gè)分離器。

2.2 加注裝置功能改進(jìn)

起泡劑和消泡劑加注裝置的結(jié)構(gòu)需要與現(xiàn)場(chǎng)泡排工藝流程配套，具備自動(dòng)配液、自動(dòng)加注控制、故障報(bào)警等功能，滿足橇裝化、無人值守、遠(yuǎn)程控制的要求。

在起泡劑加注裝置上，從一開始就采用兩臺(tái)加注泵（一備一用）的橇裝裝置，并具備自動(dòng)配液、自動(dòng)加注井輪換、自動(dòng)故障報(bào)警、遠(yuǎn)程控制裝置運(yùn)行的功能，可通過調(diào)整各井的加注時(shí)間、泵排量、起泡劑配制比例來實(shí)現(xiàn)各井不同的起泡劑加量。這種裝置在遠(yuǎn)程調(diào)整各井藥劑加注制度上是非常方便的，固定泵排量和起泡劑配制比例，僅需遠(yuǎn)程調(diào)整各井的加注時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)。從目前實(shí)施平臺(tái)的情況看，能夠滿足頁(yè)巖氣平臺(tái)井對(duì)起泡劑的加注需求。

在消泡劑加注裝置上，根據(jù)井場(chǎng)集輸工藝流程及消泡工藝流程的變化進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)。采用集中消泡工藝流程時(shí)，消泡劑加注裝置采用兩臺(tái)雙泵頭加注泵（一備一用），對(duì)兩個(gè)分離器進(jìn)行消泡劑連續(xù)加注。采用單井消泡工藝流程時(shí)，改進(jìn)為一井一泵連續(xù)加注，各井共用一臺(tái)備用泵，可自動(dòng)配液、自動(dòng)故障報(bào)警、遠(yuǎn)程控制裝置的運(yùn)行，通過調(diào)整各井消泡泵排量、消泡劑配制比例來調(diào)整各井的消泡劑加量。有增壓機(jī)的平臺(tái)，基于單井消泡工藝流程的消泡劑加注裝置，增加一臺(tái)二級(jí)消泡泵。

2.3 起泡劑優(yōu)化

為了提高水平井泡沫攜液效果，對(duì)起泡劑進(jìn)行了不斷優(yōu)化。針對(duì)泡排初期產(chǎn)出水礦化度介于10～60 g/L的特點(diǎn)，對(duì)常用起泡劑進(jìn)行優(yōu)選、評(píng)價(jià)，選取起泡力、穩(wěn)泡性及攜液量最優(yōu)的起泡劑[11]。隨著泡排井的增多及各井水質(zhì)情況的不同，最初選擇的起泡劑不能保證其針對(duì)所有井的水樣都有相同的泡排性能，特別是穩(wěn)泡性能，因此需要通過優(yōu)選穩(wěn)泡組分來降低液膜排液速率，從而優(yōu)化起泡劑配方。

表1中起始泡沫高度（以下簡(jiǎn)稱泡高）、5 min泡高和攜液量按《排水采氣用起泡劑技術(shù)規(guī)范：Q/SY 1815—2015》[13]進(jìn)行評(píng)價(jià)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定起始泡高大于等于100.0 mm、5 min泡高大于等于80.0 mm、15 min攜液量大于等于120.0 mL。如表1所示，優(yōu)化后5 min泡高提高了37%～50%。優(yōu)化后的起泡劑已在9個(gè)平臺(tái)使用，現(xiàn)場(chǎng)用量為2.0 g/L時(shí)泡排攜液穩(wěn)定。

表1 起泡劑CT5-7CⅠ配方優(yōu)化前后性能對(duì)比表

2.4 消泡劑優(yōu)化及消泡效果監(jiān)控

頁(yè)巖氣泡排的難點(diǎn)之一是消泡，一旦消泡控制不好，將造成增壓機(jī)損壞及脫水溶液發(fā)泡。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中，通過以下3個(gè)方面的措施來確保消泡效果。

2.4.1 控制起泡劑用量

在保證泡排效果的基礎(chǔ)上，盡量降低起泡劑用量。通過對(duì)起泡劑加注制度的優(yōu)化，起泡劑用量控制在2.0 g/L以內(nèi)可以滿足頁(yè)巖氣井帶液的要求。

2.4.2 不斷改進(jìn)消泡劑性能評(píng)價(jià)方法、提升消泡劑性能

在《泡沫排水采氣用消泡劑技術(shù)規(guī)范：Q/SY 17001—2016》[14]規(guī)定的消泡時(shí)間和抑泡時(shí)間的基礎(chǔ)上，建立了模擬現(xiàn)場(chǎng)起泡劑和消泡劑作用過程的高速攪拌評(píng)價(jià)消泡率的方法，評(píng)價(jià)了加入消泡劑與不加入消泡劑時(shí)100 mL起泡劑溶液經(jīng)過11 000 r/min高速攪拌1 min后初始及3 min時(shí)的泡沫體積，并計(jì)算消泡率。基于新評(píng)價(jià)方法，對(duì)消泡劑性能指標(biāo)的要求如表2所示，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)消泡劑的有機(jī)硅主劑、乳化劑及增黏劑進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)化消泡劑配方，如表3所示，優(yōu)化后初始泡沫體積和3 min泡沫體積明顯降低，提升了消泡劑的消泡性能。優(yōu)化后的消泡劑已在9個(gè)平臺(tái)使用，現(xiàn)場(chǎng)用量介于4.0～5.0 g/L時(shí)消泡效果好。

表2 消泡劑性能指標(biāo)要求統(tǒng)計(jì)表

表3 消泡劑CT5-10配方優(yōu)化前后性能對(duì)比表

2.4.3 加強(qiáng)對(duì)消泡效果的監(jiān)控

對(duì)消泡效果的監(jiān)控包括以下3項(xiàng)內(nèi)容：①?gòu)姆蛛x器排污口肉眼觀察，排污結(jié)束后污水池內(nèi)的泡沫應(yīng)在3 min內(nèi)完全消失；②緩慢打開高級(jí)孔板閥的排污閥門，肉眼觀察排污口為純氣或有少量水，無穩(wěn)定泡沫；③從排污口取泡排返出水進(jìn)行二次發(fā)泡評(píng)價(jià)，要求100 mL返排水樣以11 000 r/min高速攪拌1 min后，初始泡沫體積小于等于15.0 mL、3 min時(shí)泡沫體積小于等于5.0 mL。通過對(duì)消泡情況進(jìn)行有效監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并根據(jù)消泡情況調(diào)整消泡劑用量，從而提升消泡性能，進(jìn)一步改善消泡效果（表4）。

表4 H12平臺(tái)泡排返出水二次發(fā)泡評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)表

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2018—2019年在長(zhǎng)寧區(qū)塊9個(gè)平臺(tái)實(shí)施了平臺(tái)整體泡排技術(shù)，采用橇裝化遠(yuǎn)程控制起泡劑和消泡劑自動(dòng)加注裝置（圖3）、集成化消泡劑霧化裝置（圖4），取得了良好的泡排效果。如表5所示，9個(gè)平臺(tái)氣產(chǎn)量增加比例介于9.55%～41.54%、平均為25.02%，水產(chǎn)量增加比例介于1.6%～48.0%、平均為19.1%。

圖3 平臺(tái)起泡劑、消泡劑加注裝置照片

圖4 集成化消泡劑霧化裝置照片

4 結(jié)論

表5 9個(gè)平臺(tái)泡排效果對(duì)比表

1）通過對(duì)集中消泡流程和單井消泡流程優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比，優(yōu)選了單井消泡的頁(yè)巖氣平臺(tái)井泡排工藝流程，起泡劑從各井油套管環(huán)空注入、消泡劑從各井一級(jí)針閥后通過霧化器加注，能適用于集中計(jì)量平臺(tái)和單井計(jì)量平臺(tái)的起泡劑和消泡劑加注。

2）針對(duì)泡排工藝流程的變化，優(yōu)化、改進(jìn)了橇裝化遠(yuǎn)程控制起泡劑和消泡劑自動(dòng)加注裝置，起泡劑裝置采用單泵輪換加注、消泡劑裝置采用一口井一臺(tái)泵加注，具備自動(dòng)配液、自動(dòng)加注控制、自動(dòng)故障報(bào)警、遠(yuǎn)程控制的功能，能夠滿足頁(yè)巖氣平臺(tái)井泡排藥劑加注的需要。

3）優(yōu)化了起泡劑的性能，特別是表征穩(wěn)泡性能的5 min泡高增加了37%～50%。建立了消泡率評(píng)價(jià)方法及性能指標(biāo)要求，優(yōu)化了消泡劑性能，初始消泡率提高1.5%～3.0%，3 min消泡率提高0.7%～0.9%。起泡劑用量為2.0 g/L、消泡劑用量介于4.0～5.0 g/L可滿足現(xiàn)場(chǎng)泡排及消泡要求。

4）形成了現(xiàn)場(chǎng)消泡效果監(jiān)控方法，通過對(duì)分離器和高級(jí)孔板閥排污口泡沫情況進(jìn)行觀察、取泡排返出水進(jìn)行二次發(fā)泡評(píng)價(jià)來評(píng)估消泡效果，進(jìn)而優(yōu)化消泡劑加注制度來進(jìn)一步提升消泡效果。

5）在長(zhǎng)寧區(qū)塊9個(gè)平臺(tái)實(shí)施了整體泡排技術(shù)，其中8個(gè)平臺(tái)采用優(yōu)化后的工藝流程和加注裝置，取得了良好的泡排效果，氣產(chǎn)量增加比例介于9.55%～41.54%、平均為25.02%，水產(chǎn)量增加比例介于1.6%～48.0%、平均為19.1%。