頁巖氣井泡沫排水采氣技術應用研究
——以平橋南區(qū)為例

李佳欣，張寧波，周成香

（中國石化重慶頁巖氣有限公司，重慶408400）

平橋南區(qū)頁巖氣井隨著生產時間不斷推移，井口壓力逐漸降至管輸壓力附近，導致滑脫效應明顯，存在氣體無法有效攜液而產生液體聚集，氣井穩(wěn)產困難，生產時間降低，甚至發(fā)生水淹而停產的問題[1-4]。泡沫排水采氣工藝是一種有效減少井中的重力梯度和油管磨阻損失的方法，在不補充井底流壓的情況下，減小井底回壓，能有效利用氣體將積液攜出，保證氣井正常生產[5-7]。其原理是通過在氣井井口注入起泡劑，利用氣體擾動使積液與起泡劑充分混合，形成密度較低的氣液混相，使液體分布在泡沫膜中，增大其表面積，同時減少氣體滑脫效應，降低液體表面張力[8]。

在國內外頁巖氣田的開發(fā)中，泡沫排水采氣工藝運用十分廣泛，包括Allinance 頁巖氣田80 口井采用該技術后，增加產量達29%。長寧、威遠等頁巖氣田中也廣泛使用，且具有一定成效[9]，但對其泡排制度并沒能詳細地說明和介紹。平橋南區(qū)產出水為壓裂液殘液、水型為CaCl2型、礦化度為0.02～0.05 g/mL，對泡排用起泡劑的適應性及制度還需進一步探索[10]。

1 泡排劑優(yōu)選及性能評價

目前平橋南區(qū)使用的泡排劑是XHY-4M 型和KD-06 型兩種液體起泡劑。相對于固體泡排棒，液體起泡劑采用多連管式液體注劑設備，在不關井的情況下即可實現加注；同時也不受限于井下管柱結構及井斜角過大等因素的影響，能夠較為順利地進入井底，與井下液體發(fā)生混合，有利于積液的排除。因此目前在平橋南區(qū)多采用從套管環(huán)空注入的方式添加液體泡排劑。

1.1 起泡劑性能對比

起泡性能數據（80 ℃，礦化度為0.05 g/mL）見表1。XHY-4M 型液體起泡劑表面活性劑主要以陰離子和非離子混合為主，KD-06 型液體起泡劑表面活性劑主要以兩性離子為主，通過實驗室性能評價，這兩種類型的表面活性劑均是很好的水溶性發(fā)泡劑，但以陰非離子為主表面活性劑在較低的濃度即可產生較好的起泡效果（圖1），考慮到頁巖氣井的經濟開發(fā)，其更具適應性。

表1 起泡劑優(yōu)選評價Table1 Evaluation of foaming agent optimization

圖1 表面活性劑濃度與流動壓力梯度的關系Fig.1 Relation between surfactant concentration and flow pressure gradient

1.2 起泡劑性能評價

取1 800 mL 水樣（平橋南區(qū)采出水）加熱至80 ℃，均分成3份，對XHY-4M型液體起泡劑在實驗室內的起泡能力、攜液量等指標進行測試。

1）起泡力及泡沫穩(wěn)定性

將第一份水樣均分為5 份備用。測試液樣加入液體起泡劑分別配置成體積濃度0.1 %、0.3 %、0.5%、0.7%、1%的混合液。用200 mL 移液管移取50 mL 混合液沿羅氏泡沫儀管壁沖洗管壁，待沖洗液流完后關閉羅氏泡沫儀下端閥門，移取待測樣液50 mL沿羅氏泡沫儀管壁放下，在底部形成液面。用移液管移取200 mL待測混合液置于羅氏泡沫儀上端中心位置，對準液面垂直放下，待樣液放完后，立即記下羅氏泡沫儀內泡沫上升的高度，即為起泡性能，待泡沫高度下降一半時記錄時間即為泡沫半衰期，以上述標準分別對5個濃度的混合液進行測試。

2）泡沫含水率及泡沫密度

在剩余水樣中取200 mL 水樣至恒溫80 ℃的泡沫攜液儀中，通入5 L/min 的氮氣，排除前1 min 的泡沫，之后開始用1 L 量筒收集，直到量筒內泡沫高度達到1 000 mL 刻度線時（即泡沫體積為1 000 mL），停止收集泡沫，將盛裝泡沫的量筒靜置于實驗臺面，待泡沫完全破成水后，再將水轉移至50 mL 量筒內，記錄水的體積，泡沫含水率計算按式（1）進行，泡沫密度計算按式（2）進行。以上述標準分別對5個濃度的混合液進行測試。

式中：η為攜液率，%；v1為水體積，mL。

式中：ρ為泡沫密度，g/cm3；m1為水質量，g。

3）藥劑的攜液性能測定

攜液量測定在0.05 g/mL礦化度下藥劑的攜液性能。測定條件：總液量200 mL，氣流量0.3 m3/h，80 ℃。測試過程總體與測定泡沫含水率相似，但測試結果為不停排液至完全停止排液后的總排液量。

從實驗結果（表2）可看出，當藥劑濃度處于0.3%～0.5%時，其泡沫半衰期均大于600 s，且攜液量大體處于峰值，從排水效果及經濟角度考慮效果最佳。

1.3 抗礦化度實驗

測定在0.05 g/mL 礦化度下藥劑的攜液性能，實驗方式及設備與測定攜水性能一致。測定條件：總液量200 mL，藥劑濃度0.5%，氣流量0.3 m3/h，80 ℃。測定停止排液后的攜液率，實驗結果見表3。

通過對平橋南區(qū)頁巖氣井采出水進行水樣分析（表4），平橋南區(qū)采出水礦化度分布在0.02～0.05 g/mL，平均礦化度高于0.03 g/mL，水型為CaCl2型，該藥劑的抗礦化度能力較強，即使高于0.05 g/mL 依然具有很好的攜液率，高達90%以上，能夠適應于平橋南區(qū)。

1.4 泡排適應性分析

通過對平橋南區(qū)泡排試驗井效果進行評價，見表5、圖2。

表2 XHY-4M泡沫性能測定實驗結果Table2 Experimental results of foam performance measurement of XHY-4M

表3 XHY-4M抗礦化度試驗Table3 Ore resistance test of XHY-4M

表4 平橋南區(qū)頁巖氣井采出水水質分析Table4 Analysis of produced water quality of shale gas wells in the south area of Pingqiao

表5 試驗井泡排參數Table5 Parameters before foam drainage of test well

圖2 試驗井泡排效果與油套壓差及水氣比關系Fig.2 Relation between foam drainage effect of test well and pressure difference of oil casing and water gas ratio

在選用相同起泡劑（XHY-4M 型），起泡劑濃度控制在0.3%，且泡排制度相同的條件下，大部分井泡排效果較為明顯，但存在少部分井泡排效果較差。通過對其泡排前參數進行分析，泡排效果較好的井，其水氣比均高于0.5×10-4，當水氣比超過該值后，即使油套壓差較小，也具有較好效果，分析由于產液量相對其產氣量較低（低于其臨界攜液能力），氣井在正常生產過程中已足以將井筒內積液有效攜出，故泡排效果不明顯。

1.5 起泡劑與消泡劑適應性評價與討論

室內消泡模擬實驗采用動態(tài)消泡法，即通入氣流發(fā)泡，泡沫達到一定高度后在氣流量不變的情況下一次性加入消泡劑并計時，待通氣情況下泡沫高度小于50 mL 刻度時記錄時間即為消泡時間。此方法可相對模擬現場消泡速度，為現場加量提供參考。在氣流量為0.1 m3/h、常溫、消泡劑稀釋比例為1∶9、平橋南區(qū)采出水配置的濃度為1%的發(fā)泡液量100 mL的條件下測定消泡時間（圖3，起泡劑為XHY-4M，消泡劑為XXP-1）。

圖3 消泡操作時泡沫變化情況Fig.3 Foam changes during defoaming operation

消泡劑用量與起泡劑用量之比可以定義為消泡劑相對使用濃度，從圖4中可以看出，當起泡劑濃度越低時，消泡劑相對使用濃度越高，反之越低。根據效果及經濟評價分析，同時結合平橋南區(qū)現場試驗情況，取起泡劑濃度0.3%，消泡劑與起泡劑用量比為1.2∶1時，既可以滿足消泡效果，且成本較低，整體效果最優(yōu)。

圖4 消泡時間測定結果Fig.4 Test results of defoaming time

采用同樣的方法進行消泡時間的測定，使用的起泡劑濃度為1%，消泡劑∶起泡劑為0.2∶1，測定結果見圖5。

圖5 消泡時間與稀釋比例對應測定結果Fig.5 Test results corresponding to defoaming time and dilution ratio

從圖5中可以看出，原樣受到分散性的影響，消泡時間相對較長，而當稀釋倍數大于5倍后分散性已基本滿足要求，高于20倍后變化相對較小，所以在選擇液體消泡劑稀釋比例時，應確保至少高于5 倍，相對來說越大越好，但最高一般不超過20倍。

2 現場效果評價

2.1 應用井概況

2019年10月與11月分別開始對A井和B井開展泡排現場試驗，兩口井的井況見表6。

由表6可見，兩口井均為下傾型水平井，雖油管下深接近A點位置，但積液容易在A點以下水平段中聚集難以隨氣體被攜出，起泡劑從油管環(huán)空中注入（若套管生產則選擇油管注入），通過環(huán)空進入井底后與積液起泡進入油管，使積液更易被攜出。

表6 井況參數Table6 Well condition parameters

2.2 A井泡排效果分析

2.2.1 泡排前后油壓及套壓的變化

2019年11月1日到目前，A 井泡排前后日平均油壓及套壓變化情況如圖6，日平均油套壓差見圖8。

試驗分為5 個階段，由于該井出液較為平穩(wěn)，不存在間歇出液情況（圖7）。24 h 不間斷加注期間，套壓穩(wěn)定在2.3 MPa 左右，油壓穩(wěn)定在1.15 MPa 左右，油套壓無明顯波動，停注起泡劑后，套壓迅速由2.38 MPa升至5.51 MPa，其升高過程表明井底發(fā)生液體聚集過程，恢復24 h不間斷加注起泡劑后，套壓由5.35 MPa 降為2.56 MPa，表現為積液明顯被帶出井筒。且停注起泡劑階段，油套壓波動幅度明顯比加注起泡劑階段更大，表明該井通過加入起泡劑，其攜液能力變好且穩(wěn)定，氣井生產狀況穩(wěn)定，生產狀態(tài)保持良好。

圖6 A井泡排前后日平均油壓和套壓Fig.6 Daily average oil pressure and casing pressure before and after foam drainage of well-A

圖7 A井泡排前產液量Fig.7 Average hourly liquid production before foam drainage of well-A

試驗12 h 及10 h 不間斷加注泡排劑后，套壓發(fā)生明顯增加，由2.25 MPa 升至2.72 MPa，表現為井筒內明顯積液；試驗開6 h停6 h間歇加注后，套壓明顯發(fā)生下降，降至2.25 MPa左右；試驗開4 h停4 h間歇加注后，套壓再次下降至2.15 MPa 左右。從加注時間看，均加注12 h，但間歇加注后，該井生產狀況明顯變優(yōu)，井筒積液減少。結合該井平均小時產液量，可知該井井筒內積液是逐漸積累的，采用不間斷加注僅能將加注時間段內的積液攜出井筒，當井筒被“掏空”之后，泡排劑可能由套管通過喇叭口直接進入油管被攜出，無法使泡排劑直接作用于井筒內積液；停注之后井筒內積液逐漸積累，存在一定的水淹趨勢，使產氣量發(fā)生大幅度降低。采用間歇加注之后，井筒內積液可以被分段帶出，雖然整體加注時間相當，但井筒內積液不存在明顯聚集現象，氣井生產穩(wěn)定性更為平穩(wěn)，證明間歇加藥制度更適宜。

由圖8可見，泡排前油套壓差為2.40～4.15 MPa，間歇泡排及24 h 不間斷加注效果相當，且油套壓差降至1.16 MPa左右，井筒內積液明顯減少，產能得到了進一步的釋放，起到了輔助帶水穩(wěn)產的效果[11-13]。

圖8 A井泡排前后日平均油套壓差Fig.8 Daily average casing pressure difference before and after foam drainage of well-A

2.2.2 泡排前后產氣、產水變化

A井泡排前后產氣量、產水量變化見圖9。

由圖9可見，泡排前產氣量約為2.3×104m3/d，氣井產水量約8.5 m3/d，泡排后產氣量上升至平均3.5×104m3/d，產液量上升至平均10.5 m3/d，但穩(wěn)產時間較短，停注后，產氣量為（1.3～1.6）×104m3/d，氣井產水量為2.3～3.6 m3/d，恢復泡排后產氣量約2×104m3/d，氣井產水量約5.7 m3/d，試驗新制度后，產氣量無明顯變化，但產液量發(fā)生了明顯增加，為5.8～8.1 m3/d。兩次加注泡排，產液量明顯存在兩個峰值，但后期逐漸降低并保持穩(wěn)定，說明該井的臨界攜液能力低于該井的產液能力，井筒內液體逐漸聚集。雖說該井目前產氣量相較于泡排前較少，但其產量遞減存在一定緩和，說明泡排使該井生產得以平穩(wěn)，存在一定的泡沫排水采氣效果；同時考慮到經濟效益及泡排效果，“少注多次”的間歇泡排制度更有利于“掏空”井筒積液[14-16]。

圖9 A井泡排前后日產量Fig.9 Daily gas/water production before and after foam drainage of well-A

表7 A井和B井泡排前后生產數據Table7 Production data before and after foam drainage of well-A and well-B

2.3 兩井泡排效果

B井和A井泡排均起到了效果，兩井24 h不間斷泡排效果匯總見表7。

由表7可見，兩井泡排均起到了一定的效果，但效果存在一定差異。B井泡排后穩(wěn)產氣量8.6×104m3/d，增產氣量1.1×104m3/d，增產12.8%；增產水量6.9 m3/d，增產59.5%；產量遞減率由43.7%降至16.1%。A井產量有一定的下降，僅在泡排初期有一定產量上升，分析該井地層能量較低，但產量遞減率由25.1%下降為12.0%，氣井穩(wěn)產性加強[16]。

但明顯發(fā)現，兩井在泡排后，油套壓差發(fā)生了明顯的降低，表現為井筒積液明顯減少，且均發(fā)生了初期產氣量、產液量突升但下降較快，高產、生產穩(wěn)定時間較短的現象，表明該井積壓產能被一定程度的釋放，泡排后期產量遞減率均得到了一定程度的緩和，平均產量遞減率降低了20.4%。因此僅需前期采用24 h 持續(xù)加注將井筒內積液“掏空”即可，后期采用間歇加注使井筒內積液能夠及時攜出即可達到很好的效果。

3 結論

泡沫排水采氣工藝技術措施目前在平橋南區(qū)解決了兩方面的問題：1）有效減少井中的重力梯度和油管摩阻損失，在不補充井底流壓的情況下，降低生產井水淹風險[17-18]；2）能夠有效利用氣體將積液攜出，提高低產低壓氣井產量及井口壓力，同時降低其產量遞減率，一定程度上改善了頁巖氣井的生產狀況[19-21]。

1）XHY-4M型液體起泡劑具有發(fā)泡能力強、穩(wěn)泡性好、攜液能力強、抗礦化度能力強等優(yōu)點。通過現場試驗，證明了泡排工藝能夠有效攜出井底積液，實現一定程度上的增產，但后期其有效性更側重于降低頁巖氣井的產量遞減，保證氣井生產的穩(wěn)定。

2）根據泡排效果及經濟評價分析，取起泡劑濃度0.3%，消泡劑濃度5%～20%，消泡劑與起泡劑用量比為1.2:1時，整體效果最優(yōu)。

3）通過對試驗井油套壓差及水氣比進行對比，油套壓差對泡排效果的影響并不明顯，當水氣比超過0.5時，即具有較好的泡排效果。

4）通過開展5種泡排制度生產，發(fā)現實施開4 h停4 h間歇泡排制度后，氣井生產效果更好，“少注多次”更加適用且經濟評價效果最優(yōu)，后期將建立更加科學的泡排制度，實現泡排工藝在平橋南區(qū)頁巖氣井的推廣及應用。