靖邊氣田氮?dú)馀菽瓪馀e排液技術(shù)研究與應(yīng)用

郭 鋼，孫 翼，田鎮(zhèn)東，許 飛

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司長慶項(xiàng)目部，天津 300283；4.中國石油長慶油田分公司第十采油廠華慶采油作業(yè)區(qū)綜合管理室，甘肅華池 745609；5.中國石油長慶油田分公司工程技術(shù)管理部，陜西西安 710018）

靖邊氣田氮?dú)馀菽瓪馀e排液技術(shù)研究與應(yīng)用

郭 鋼1，2，孫 翼3，田鎮(zhèn)東4，許 飛5

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司長慶項(xiàng)目部，天津 300283；4.中國石油長慶油田分公司第十采油廠華慶采油作業(yè)區(qū)綜合管理室，甘肅華池 745609；5.中國石油長慶油田分公司工程技術(shù)管理部，陜西西安 710018）

針對(duì)靖邊氣田產(chǎn)水氣井，目前普遍采用泡沫排水采氣工藝。而制約泡沫排水采氣工藝實(shí)施效果的難點(diǎn)就是氣井后期自身能量不足，不能將大量攜液泡沫帶出井口。針對(duì)產(chǎn)氣量低及水淹氣井等自身能量不足等問題，筆者提出氮?dú)鈿馀e結(jié)合泡沫排水采氣的思路，通過氣流擾動(dòng)，降低液柱密度，從而增強(qiáng)泡排劑起泡能力和攜液能力。為有效解決泡排增能問題，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選起泡劑，結(jié)合氣井工況計(jì)算優(yōu)化氣舉施工參數(shù)，制定合理的氣舉氣液比和每段泡沫的泵注時(shí)間，在保證套管承壓的范圍內(nèi)達(dá)到施工時(shí)間最短，并在多口氣井開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。實(shí)踐證明，氮?dú)馀菽瓪馀e排液技術(shù)能夠滿足靖邊氣田泡沫排水采氣需要，擴(kuò)大了泡沫助排工藝的應(yīng)用范圍，為氣田中后期產(chǎn)水氣井合理開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

氣舉；泡沫排水；氣舉水量；泡沫密度

天然氣田在開采后期地層壓力降低，井底和井筒內(nèi)產(chǎn)生積液，天然氣產(chǎn)量降低。隨著氣田的持續(xù)開發(fā)，地層能量逐漸下降，氣井的壓力不斷降低，攜液能力不斷減弱。泡沫排水采氣成本低、見效快，實(shí)施時(shí)操作簡(jiǎn)便、不需要修井作業(yè)，也不需要關(guān)井，故不影響氣井日常采氣生產(chǎn)，適應(yīng)各種環(huán)境及井身狀況，是國內(nèi)外提高氣井產(chǎn)量、延長氣井開采周期最經(jīng)濟(jì)有效的方法之一[1]。

除泡排劑適應(yīng)性外，目前制約泡沫排水采氣工藝實(shí)施效果的難點(diǎn)就是氣井自身能量不足，不能將大量攜液泡沫帶出井口。針對(duì)產(chǎn)氣量低及水淹氣井等自身能量不足等問題，筆者提出氮?dú)鈿馀e結(jié)合泡沫排水采氣的思路，通過氣流擾動(dòng)，降低液柱密度，從而增強(qiáng)泡排劑起泡能力和攜液能力。從這個(gè)角度出發(fā)，筆者利用現(xiàn)有泡沫排水采氣工藝基礎(chǔ)上，引入氮?dú)鈿馀e工藝，探索研究了氮?dú)馀菽瓪馀e排液工藝。

1 氣井排液技術(shù)概況

1.1 長慶氣田目前排液技術(shù)

目前，長慶油田氣井排液技術(shù)主要有以下幾種:液氮層內(nèi)助排技術(shù)、抽汲排液、連續(xù)油管排液、油套環(huán)空液氮助排技術(shù)、下多級(jí)氣舉閥氣舉排液技術(shù)，各排液技術(shù)的特點(diǎn)如下。

液氮層內(nèi)助排技術(shù)，是在壓裂或酸化施工過程中，將液氮和起泡劑按一定比例伴注在施工液體中，隨施工液體進(jìn)入地層深處。施工結(jié)束后第一次放噴排液過程中，液氮膨脹，推動(dòng)施工液體排出井筒。這項(xiàng)技術(shù)的有效期就是施工后的第一次油放期間，如果第一次油放結(jié)束后關(guān)放排液不通，就要用其他方式排液，包括抽汲排液、連續(xù)油管排液、環(huán)空注氮排液，多級(jí)氣舉閥氣舉排液等。

多級(jí)氣舉閥氣舉排液，該技術(shù)要求下壓裂酸化管柱的時(shí)候，把多級(jí)氣舉閥下到預(yù)定位置，施工后第一次油放如果不能排通，可立即用制氮車現(xiàn)場(chǎng)制氮?dú)馀e。優(yōu)點(diǎn)是排液快，施工后4 d～5 d基本可以把施工液體排完。缺點(diǎn)是成本高，除了制氮車工作的成本，還有多級(jí)氣舉閥的成本。如果施工后第一次油放能夠排通，則下入的多級(jí)氣舉閥就浪費(fèi)了。正因?yàn)檫@種排液技術(shù)的高成本和潛在的浪費(fèi)，目前所有的天然氣產(chǎn)建項(xiàng)目組都沒采用這種技術(shù)，只有氣探和蘇探在用。

抽汲排液技術(shù)，該技術(shù)是通過通井機(jī)滾筒上的鋼絲繩帶動(dòng)水力抽子在油管內(nèi)起下，將油管內(nèi)抽子以上的液體排出井筒。優(yōu)點(diǎn)是成本低，不需要額外的設(shè)備，缺點(diǎn)是排液速度慢，排液深度受抽汲繩長度限制，一般只能抽到1 850 m左右，而且氣井抽汲，有很大的風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)定只能在白天抽汲。

連續(xù)油管排液技術(shù)，是在油管內(nèi)下入管徑較細(xì)的連續(xù)油管，邊下邊注液氮（或現(xiàn)場(chǎng)制氮），排出井內(nèi)液體。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是排液快，連續(xù)油管能下到的地方，都可以掏空。缺點(diǎn)是成本最高，比多級(jí)氣舉閥排液的成本還要高，所以用的較少。

環(huán)空注氮排液技術(shù)，主要是指沒有下氣舉閥，同時(shí)又環(huán)空注液氮或現(xiàn)場(chǎng)制氮的排液技術(shù)，簡(jiǎn)單地說，就是利用環(huán)空憋壓，將油管液面提升到井口的排液技術(shù)。與多級(jí)氣舉閥氣舉相比，省了氣舉閥的錢，成本適中；缺點(diǎn)是套壓最高只能到達(dá)25 MPa，井深超過3 200 m的井，很難舉通，基本使用于3 100 m以內(nèi)的井。

1.2 氮?dú)馀菽瓪馀e排液技術(shù)

氮?dú)馀菽瓪馀e排液技術(shù)就是將氮?dú)夂推鹋輨┧l(fā)泡后注入油套環(huán)空，用低密度泡沫加一定的井口套壓平衡油管液柱壓力，將井筒積液舉升到井口進(jìn)而排出，隨著積液的排出，泡沫流體逐步到達(dá)油管管鞋進(jìn)入油管，降低井底壓力，達(dá)到誘噴的目的。

與其他排液技術(shù)相比該技術(shù)不需要下氣舉閥，不受井深限制，排液速度快，成本和多級(jí)氣舉閥氣舉基本相當(dāng)。

影響氮?dú)馀菽乓盒Ч年P(guān)鍵因素有兩點(diǎn):

（1）起泡劑的泡沫質(zhì)量，泡沫質(zhì)量好，氣水混合就均勻，水的滑脫就小，可以提高氮?dú)獾睦眯?，縮短施工時(shí)間。

（2）氮?dú)馀菽瓪馀e過程使用的水量和氮?dú)馀菽芏仍诰矁?nèi)的分布。確定水量的目的是讓施工壓力不超過套管的試壓值，確保氣舉過程中施工壓力不過高。確定氮?dú)馀菽芏仍诰卜植嫉哪康氖潜ＷC泡沫流體能持續(xù)不斷地進(jìn)入油管。

2 起泡劑優(yōu)選

長慶油田氣井助排使用的起泡劑主要有YFP-1、YFP-2、YFP-3、YFP-10，就從這4種起泡劑中優(yōu)選出泡沫質(zhì)量高，半衰期長的起泡劑作為排液的發(fā)泡劑。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定相同濃度的不同起泡劑泡沫質(zhì)量和半衰期（見表1）。

表1 不同品種起泡劑性能評(píng)價(jià)

從表1可以看出，相同濃度下YFP-3起泡劑泡沫質(zhì)量較好，泡沫半衰期最長，因此選用YFP-3作為氣舉起泡劑，進(jìn)一步測(cè)定不同濃度的YFP-3的泡沫質(zhì)量和半衰期（見表2）以及不同溫度下YFP-3的泡沫質(zhì)量和半衰期（見表3）。

表2 YFP-3不同濃度起泡劑性能

表3 0.5%YFP-3不同水溫起泡劑性能評(píng)價(jià)

表2、表3對(duì)YFP-3不同濃度不同溫度進(jìn)行起泡性能評(píng)價(jià)表明，水溫越高起泡性能越好但影響不明顯；起泡劑濃度越高起泡效果越好，當(dāng)起泡劑濃度達(dá)2%以上后，起泡劑效果增強(qiáng)趨于平緩。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)井筒有積液會(huì)稀釋起泡劑，實(shí)際施工時(shí)提高起泡劑濃度到5%～6%。

3 氮?dú)馀菽瓪馀e水量的確定和泡沫密度的分布

3.1 氮?dú)馀菽瓪馀e水量的確定

思路:設(shè)定氣舉施工過程套壓最高為20 MPa，根據(jù)井內(nèi)油管深度和油管內(nèi)液體密度產(chǎn)生的回壓，計(jì)算出套壓達(dá)到最高（20 MPa）時(shí)，油套環(huán)空的氮?dú)馀菽骄芏?，根?jù)氣體PVT方程，可以計(jì)算出井筒內(nèi)氮?dú)獾钠骄芏龋拿芏仁呛愣ǖ?，就可以?jì)算出環(huán)空內(nèi)水比例。

（1）泡沫到達(dá)管鞋時(shí)，環(huán)空泡沫平均密度D環(huán)的確定（假設(shè)這時(shí)油管出口壓力為0）。

式中:H－油管長度，m；ρ－原井筒積液密度。

（2）環(huán)空平均溫度T，平均壓力P平。

式中:t－當(dāng)?shù)爻Ｄ昶骄乇頊囟?，℃，陜北地區(qū)取10℃～15℃。

（3）環(huán)空平均溫度、平均壓力狀態(tài)下，氮?dú)饷芏萪N的確定（氮的臨界壓力3.399 MPa，臨界溫度126.1 K，計(jì)算對(duì)比溫度Tr=T/TC，對(duì)比壓力Pr=P/PC，查表或用公式計(jì)算可以知道氮?dú)獾钠钕禂?shù)Z）。

根據(jù)真實(shí)氣體狀態(tài)方程:P平V=ZRT（m/M），等式兩邊同除以體積V，可以得到:P平=ZRT（m/V/M），m/V就是環(huán)空氮?dú)獾钠骄芏萪N。將方程變換就可以得到求平均密度的方程:

式中:M－氮?dú)饽栙|(zhì)量（取值0.028 Kg/mol）；m-氮?dú)獾目傎|(zhì)量；R氣體常數(shù)（取值8.31 J/（mol·K））；Z-氮的氣體偏差系數(shù)（無量綱）。

如果壓力單位為Pa，T的單位取絕對(duì)溫度K，則dN的單位為kg/m3。

（4）計(jì)算泡沫到達(dá)管鞋時(shí)，環(huán)空氮?dú)馑俭w積VN。環(huán)空泡沫由兩部分組成，水和高壓氮?dú)?，水是不可壓縮的，高壓下水的密度不變，環(huán)空泡沫的平均密度D環(huán)和高壓氮?dú)獾钠骄芏萪N也已經(jīng)求得，假設(shè)環(huán)空中氮?dú)怏w積占環(huán)空總體積的比例是A，那么水占總體積的比列是1-A。環(huán)空泡沫的密度是由水和氮?dú)獍幢攘谢旌隙傻摹?/p>

D環(huán)=dNA+D水（1-A），此式變換后可以求得環(huán)空氮?dú)馑苷紦?jù)比列A=（D水-D環(huán)）/（D水-dN）。

環(huán)空總體積可以根據(jù)井內(nèi)油管，套管規(guī)格得到，則VN可以求得，泡沫達(dá)到管鞋時(shí)總的水量V水也可以算出。

3.2 環(huán)空泡沫密度的分布

前面的計(jì)算已經(jīng)確定了在套壓20 MPa下，環(huán)空內(nèi)氮?dú)馀菽竭_(dá)油管管鞋時(shí)需要注入環(huán)空的氮?dú)怏w積（環(huán)空高壓狀態(tài)）和水的體積。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，環(huán)空內(nèi)高壓氮?dú)鈱?duì)應(yīng)的標(biāo)況氮?dú)怏w積。

（1）計(jì)算VN對(duì)應(yīng)的標(biāo)況（0℃、101.325 kPa）體積V標(biāo)。

根據(jù)真實(shí)氣體狀態(tài)方程:P標(biāo)V標(biāo)/（Z標(biāo)T標(biāo)）=P平VN/（ZT），可以得到V標(biāo)=（Z標(biāo)T標(biāo)）/（ZT）·（P平/P標(biāo)）·VN。

標(biāo)況下，氮?dú)獾膲嚎s因子Z標(biāo)=1。

根據(jù)制氮車的排量，可以估算出泡沫到達(dá)管鞋的時(shí)間Δt。

圖1 泡沫到達(dá)油管鞋時(shí)井筒內(nèi)流體示意圖

（2）確定泡沫密度分布:前面已經(jīng)確定了氣舉過程中總的注水量V水和泡沫到達(dá)管鞋的時(shí)間Δt，當(dāng)泡沫到達(dá)油管管鞋時(shí)，井筒內(nèi)的流體（見圖1），如果井比較深，環(huán)空流體可分更多的階段，如果井淺，分兩個(gè)階段就可以了。現(xiàn)在以環(huán)空分三個(gè)階段來說明問題，油管內(nèi)全部為水，套管內(nèi)每個(gè)階段的氣水比是恒定的，D1、D2、D3、D4分別是每個(gè)階段的平均密度，且依次遞增，P1是從環(huán)空這邊計(jì)算的井底壓力，P2是從油管這邊計(jì)算的井底壓力，不考慮流動(dòng)摩擦阻力。結(jié)合前面的分析計(jì)算，氣舉套壓達(dá)到20 MPa，環(huán)空泡沫平均密度為D環(huán)，油管內(nèi)全部為原井筒積液，此時(shí)泡沫流體剛剛到達(dá)油管管鞋，P1=P2。套壓稍微增加，泡沫流體就開始進(jìn)入油管。為了方便說明問題，定義一個(gè)參數(shù)B:

B=環(huán)空每米容積/油管每米容積

如果環(huán)空內(nèi)1 m密度為D3的泡沫進(jìn)入油管（同時(shí)井口會(huì)補(bǔ)充密度D1的泡沫1 m），在油管內(nèi)占據(jù)的高度是B m，此時(shí)P1下降了（D3-D1）g帕，P2下降了B（D4-D3）g帕。

如果能滿足（D4-D3）B-（D3-D1）＞0（1）

表4 氮?dú)馀菽┕?shí)際參數(shù)和計(jì)算參數(shù)對(duì)比

則環(huán)空流體能持續(xù)地進(jìn)入油管，且差值越大，環(huán)空流體進(jìn)入油管的排量越大。

實(shí)際氣舉施工中，水和泡沫在整個(gè)井筒內(nèi)的摩阻是客觀存在的，摩阻的大小與管道長度、管道的橫截面積、管道面的凸凹程度、流體的黏度等有關(guān)，這些參數(shù)的取得很困難，計(jì)算很復(fù)雜。根據(jù)洗井的經(jīng)驗(yàn)，3 000 m左右井深，550 L/min的排量，摩阻5 MPa～6 MPa，用增加注水量的辦法，來克服摩阻。

克服摩阻增加的注水量V增=500×環(huán)空每米容積。

根據(jù)制氮車的排量和注水撬的排量變化以及氣體狀態(tài)方程，可以計(jì)算出每一段氮?dú)馀菽拿芏取?/p>

在小于等于Δt的時(shí)間內(nèi)，將體積為V水+V增的水分段注入環(huán)空，且滿足（1）式，這樣的分配方案都是可行的。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了3口井，計(jì)算的泡沫達(dá)到管鞋的時(shí)間和實(shí)際的時(shí)間（見表4）。

表5 氮?dú)馀菽瓪馀e效果

靖X-1井和GY-2井實(shí)際的Δt和計(jì)算的Δt基本一致，GZ-3井Δt相對(duì)誤差較大為15.8%，可能是該井比較深（3 871 m）水的滑脫造成的。經(jīng)過對(duì)比認(rèn)為，該計(jì)算方法可以用來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。這些井在施工后第二天探液面結(jié)果（見表5），靖X-1井和GZ-3井液面都降到了管鞋附近，排液效果明顯。GY-2井由于地層產(chǎn)水量比較大，氣舉后液面仍然很高。

5 結(jié)論

（1）氮?dú)馀菽乓杭夹g(shù)可以解決未下氣舉閥的低產(chǎn)氣井排液?jiǎn)栴}，排液速度快，效果好。

（2）氮?dú)馀菽乓褐辛鲃?dòng)摩阻一般在5 MPa以下，井越深、套管越細(xì)，摩阻越高，克服摩阻需要增加的水量越多。

（3）氮?dú)馀菽乓褐校⑺说呐帕恳鸺?jí)遞減，最后一段一般為純氣體。

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A

1673-5285（2017）04-0063-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.017

2017－03-03

2017－03-20

郭鋼，男（1986-），碩士，畢業(yè)于西安石油大學(xué)化工藝學(xué)專業(yè)，主要從事油氣田化學(xué)領(lǐng)域的科研與應(yīng)用工作，郵箱: guog_cq@petrochina.com.cn。