致密氣井間歇泡排注劑后關(guān)井時(shí)間探究

翟中波 漆世偉 王滿宏 俞天軍 王睿峰 薄江偉 王 波 張曙輝

1.斯倫貝謝長和油田工程有限公司 2.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司油氣勘探公司3.斯倫貝謝（中國）投資有限公司 4.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

X井區(qū)位于延安市以北、鄂爾多斯盆地天然氣富集區(qū)的南緣，屬于致密氣項(xiàng)目。部分產(chǎn)水氣井在生產(chǎn)一段時(shí)間后，近井筒地帶的地層壓力逐漸減小，生產(chǎn)壓差隨即減小，使得氣量下降；當(dāng)氣量低于臨界攜液氣量時(shí)，天然氣不能正常攜液造成液滴在井筒下部不斷積聚，形成井底積液，增大井底流壓，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低，甚至水淹停產(chǎn)[1-3]。

泡沫排水采氣作為一種常用的技術(shù)措施，具有簡單易行、經(jīng)濟(jì)性好、見效快的特點(diǎn)。目前國內(nèi)不同區(qū)塊使用不同類型的起泡劑，按照形態(tài)不同主要分為泡排棒和泡排劑兩種，其中使用泡排劑作為起泡劑時(shí)，投送方式又分為兩種：①使用6.35 mm同心毛細(xì)管從油管直接泵至井底；②套管（或油管）泵入靠自重到達(dá)井底[4-6]。第一種投送方式，使用同心毛細(xì)管可以直接將起泡劑送至氣層積液位置，見效快，對油套管腐蝕傷害小，但涉及到井筒和井口改造，前期投入大且修井作業(yè)復(fù)雜，后期維保費(fèi)用高。與之相比，第二種投送方式，地面泵入依靠自重到達(dá)井底的泡排劑加注方式，具有不影響修井作業(yè)、安裝維保簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是不可避免地會(huì)對套管造成腐蝕，并且見效慢，同時(shí)由于不直觀，在泡排劑下行時(shí)間方面的研究很少，因而對泡排注劑之后關(guān)井時(shí)間的選擇具有一定的盲目性和隨機(jī)性。

井區(qū)無環(huán)空的積液氣井，無法從環(huán)空注泡排劑，只能從油管側(cè)注入，此時(shí)掌握注泡排劑的下行時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間（二者之和為關(guān)井時(shí)間）就尤為重要。不同的學(xué)者通過一些研究得到了一些不同的結(jié)果，Solesa[7]認(rèn)為泡排劑剛?cè)刖蜁?huì)產(chǎn)生效果，Schinagl[8]和Bowman[9]認(rèn)為泡排劑的下行速度為305 m/h，Kelly[10]得出的數(shù)據(jù)為稍大于610 m/h，Sean[11]認(rèn)為泡排劑的下行速度約為731 m/h，Nafis[12]通過壓差密度計(jì)得出緩蝕劑的下行速度約為1 372 m/h。而筆者首次采用一種獨(dú)特的監(jiān)測方法，即通過監(jiān)測環(huán)空注泡排劑前后的油套壓、氣量及溫度變化，研究了泡排劑下行時(shí)間與擴(kuò)散時(shí)間的規(guī)律，從而相對準(zhǔn)確地推斷出注泡排劑后的關(guān)井時(shí)間，為礦場提供了第一手?jǐn)?shù)據(jù)，可以直觀指導(dǎo)并優(yōu)化泡排作業(yè)，提升泡排作業(yè)的增產(chǎn)效果。

1 理論基礎(chǔ)

儲(chǔ)層流體在從地層進(jìn)入井筒之后，要克服各種壓力損失并在氣流速度大于臨界攜液流速的條件下將產(chǎn)出液體帶到地面。根據(jù)Turner和李閩[1-3]模型，氣體臨界攜液流速為：

式中vc表示氣井臨界攜液流速，m/s；ρL表示液體密度，kg/m3；ρG表示氣體密度，kg/m3；σ表示氣液表面張力，N/m；

泡沫排水采氣的原理就是通過加入起泡劑與積液混合，顯著降低氣液表面張力，借助天然氣的攪動(dòng)作業(yè)形成大量低密度的含水泡沫，同時(shí)減小水氣混相上行中的液體滑脫，從而在較低的氣量下產(chǎn)生更好的攜液效果，相當(dāng)于降低了臨界攜液氣量[13-16]。

2 泡排劑下行時(shí)間與擴(kuò)散時(shí)間判定方法

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

X井區(qū)使用數(shù)字化氣田技術(shù)（Digital Gas Field，縮寫為DGF），如圖1所示，單井的油套壓、氣量和溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)場傳感器采集、延北數(shù)據(jù)中心（SCADA）處理之后，以Power BI/OFM等方式實(shí)時(shí)監(jiān)測氣井的生產(chǎn)狀態(tài)，并可自動(dòng)生成相關(guān)報(bào)告。

圖1 延北項(xiàng)目數(shù)字化氣田技術(shù)流程與下步計(jì)劃圖

2.2 井身結(jié)構(gòu)和泡排注劑系統(tǒng)

選用的研究井為139.7 mm套管內(nèi)下入73.02 mm或88.9 mm油管，其中油管作為生產(chǎn)通道，油套管連通性良好。如圖2所示，地面泡排劑注入泵將泡排劑通過套管閥泵入油套環(huán)形空間，液態(tài)泡排劑通過自重作用流入井底積液位置，在氣流攪動(dòng)下泡排劑發(fā)揮作用。

圖2 帶有環(huán)空的氣井泡排示意圖

2.3 泡排劑下行時(shí)間及擴(kuò)散時(shí)間

關(guān)于泡排劑下行時(shí)間，不同研究者采用不同的方法，Nafis[12]通過井底壓差密度計(jì)來觀測，Schinagl[8]通過井底壓力計(jì)和溫度計(jì)的變化來觀測。這些方法的優(yōu)點(diǎn)是取出計(jì)量工具后可以直觀觀察泡排劑的到達(dá)時(shí)間，但是費(fèi)用高、準(zhǔn)確度低、實(shí)時(shí)性差，并且仍然需要結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)對下行時(shí)間進(jìn)行具體分析。

X井區(qū)不具備大范圍采用井底壓力計(jì)和溫度計(jì)的條件，為此，探索了一種新方法，利用注入泡排劑之后井口油壓、套壓、氣量和溫度的變化趨勢來判定泡排劑的下行時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間。該方法不需要額外增加儀器。具體操作步驟如下：準(zhǔn)確記錄泡排劑剛開始泵入井口的時(shí)間作為T1，此時(shí)液態(tài)泡排劑進(jìn)入環(huán)空，套壓輕微下降；泡排劑下行至井底積液位置之后，在氣流的攪動(dòng)下，積液形成低密度的泡沫進(jìn)入油管，油管內(nèi)總液量增加，井口套壓上升、氣量下降，將氣量開始下降時(shí)的時(shí)間作為T2；隨著泡排劑與環(huán)空中的水不斷作用產(chǎn)生更多的泡沫進(jìn)入油管，套壓會(huì)不斷上升，將套壓上升至最高點(diǎn)、即將開始下降時(shí)的時(shí)間作為T3，此時(shí)氣量會(huì)開始升高，溫度出現(xiàn)輕微波動(dòng)。由上述定義的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)可推出：泡排劑下行時(shí)間Td=T2-T1，擴(kuò)散時(shí)間Tr=T3-T2（備注：擴(kuò)散時(shí)間實(shí)際上指泡排劑遇水之后擴(kuò)散加上反應(yīng)時(shí)間，期間套壓上升、氣量下降），總關(guān)井時(shí)間Tc=Td+Tr；以Y64井（139.7 mm+73.02 mm）為例，環(huán)空加入泡排劑前后井口油套壓、氣量和溫度的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出T1=9:30、T2=16:50、T3=18:40，從而計(jì)算出下行時(shí)間（Td）為 7 h，擴(kuò)散時(shí)間（Tr）為2 h，需要的總關(guān)井時(shí)間（Tc）為9 h。

圖3 Y64井泡排前后生產(chǎn)曲線圖

另外選取一口完井結(jié)構(gòu)無環(huán)空的速度管井Y64-05井（外徑88.9 mm的原生產(chǎn)管柱+31.75 mm的速度管柱）作為研究對象，如圖4所示，通過相同的原理可以得到該井在當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)狀況下，泡排劑的下行時(shí)間（Td）為8 h，擴(kuò)散時(shí)間（Tr）為3 h，需要的總關(guān)井時(shí)間（Tc）為11 h。

圖4 Y64-05井泡排前后生產(chǎn)曲線圖

3 泡排劑下行時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間的影響因素探討

3.1 泡排劑下行時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間統(tǒng)計(jì)

泡排劑為孚吉UT-7，原液與清水的體積比為1:4，泡排劑泵的排量為大約500 L/h，單井注劑量為混合液10～30 L，此排量相對于油管或者環(huán)空的橫截面積來說很小，同時(shí)由于井斜的存在，泡排劑被泵入井筒之后不會(huì)將橫截面充填完全而下行，也不會(huì)像液滴在天然氣中自由墜落，而是如小溪狀細(xì)流沿著油套管壁在重力作用下下行[4]，或者在油套管壁上平鋪形成一層液膜在重力作用下下行[11]。

采用相同方法，統(tǒng)計(jì)了7井次（6口井）的泡排劑下行時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間（表1）。

表1 7井次泡排劑下行時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)7組數(shù)據(jù)，繪制出下行時(shí)間和井斜深之間的關(guān)系（圖5），可以看出：①同一口井Y64井在兩次注入泡排劑時(shí)的下行時(shí)間比較接近；②Y14-03井的下行時(shí)間最短、速度較大，為1 791 m/h，原因是其油套壓差最大，為2.59 MPa，環(huán)空中液柱高度較高，這樣泡排劑會(huì)在較短的時(shí)間到達(dá)液面位置；③除Y14-03井之外其他井的下行速度分布很均勻，且相對比較接近，均在400～680 m/h之間。去掉最大下行時(shí)間，另6組數(shù)據(jù)求平均值結(jié)果為577 m/h，與Kelly、Shearer[10]以及Sean[11]的數(shù)據(jù)610 m/h很接近。

圖5 泡排劑下行時(shí)間和井深之間的關(guān)系圖

新方法與Kelly、Sean的模型對比如圖6所示，泡排劑的下行速度分別為577 m/h、610 m/h、734 m/h，均在一定范圍內(nèi)，很接近。

圖6 關(guān)于泡排劑下行時(shí)間的不同研究結(jié)果對比圖

3.2 流道橫截面積對下行時(shí)間的影響

關(guān)于油管內(nèi)徑對泡排劑下行時(shí)間的影響，業(yè)內(nèi)存在不同的觀點(diǎn)，Sean Peyton[11]認(rèn)為油管內(nèi)徑對下行時(shí)間的影響相對較小，其影響力指數(shù)排在泡排劑排量、井斜、深度、黏度之后，位列第5位，他認(rèn)為油管直徑越大，泡排劑在油管內(nèi)的下行時(shí)間越長，原因是：油管內(nèi)徑越大，在油管壁上平鋪一層液膜需要的泡排劑越多，那么需要的時(shí)間就越長，導(dǎo)致下行時(shí)間越長。Nafis[12]使用壓差密度計(jì)對緩蝕劑的下行時(shí)間做了研究，發(fā)現(xiàn)油管內(nèi)徑越大，緩蝕劑的下行速度越快，下行時(shí)間越短。同時(shí)Nafis的研究中也有個(gè)別例外現(xiàn)象，緩蝕劑在60.3 mm油管內(nèi)下行時(shí)間比88.9 mm油管內(nèi)短，和上述觀點(diǎn)相悖，Nafis認(rèn)為這是數(shù)據(jù)缺乏導(dǎo)致的異常，同時(shí)他也解釋原因可能是內(nèi)徑越大，緩蝕劑與內(nèi)壁接觸面也越大，產(chǎn)生的吸附力越大，下行時(shí)間就越長。

如圖7所示為流道橫截面積（油管內(nèi)徑）對下行時(shí)間的影響的7井次統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從圖中并未看到明顯的比例關(guān)系。但是剔除139.7 mm+73.02 mm的環(huán)空截面積6 747 mm2時(shí)的最小下行時(shí)間1.7 h（折算成3 000 m管腳），其他4組數(shù)據(jù)的平均下行時(shí)間為4.46 h（圖8），隨著環(huán)空橫截面積的增大，泡排劑所需要的下行時(shí)間減小，與Nafis的結(jié)論一致。從環(huán)空注泡排劑和油管內(nèi)注劑稍有不同，泡排劑可能在外側(cè)套管內(nèi)壁下行，也有可能在內(nèi)側(cè)油管外壁下行，尤其是環(huán)空截面積小的時(shí)候，泡排劑會(huì)在套管內(nèi)壁和油管外壁均形成一層薄膜，導(dǎo)致下行速度小，花費(fèi)的時(shí)間長。

圖7 泡排劑下行時(shí)間和流道橫截面積之間的關(guān)系圖（折算到3 000 m井深）

圖8 泡排劑下行時(shí)間和流道橫截面積（油管內(nèi)徑）之間的關(guān)系圖（折算到3 000 m井深）

3.3 壓力對下行時(shí)間的影響

如圖9所示為壓力對下行時(shí)間的影響的7井次統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（去掉最小值，Y14-03井的2 h），從圖中并不能看出明顯的關(guān)系，可能是由于下行時(shí)間的影響因素較多，而壓力的影響因子相對較小，且7組數(shù)據(jù)中壓力的變化幅度相對較小。

圖9 泡排劑下行時(shí)間和壓力之間的關(guān)系圖（折算到3 000 m井深）

將數(shù)據(jù)作如下處理：將Y64井（2 MPa≤套壓＜3 MPa）的2次數(shù)據(jù)、Y69井（套壓＜2 MPa）以及Y61-05、Y59-01和Y64-05井（套壓≥3 MPa）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這3組不同套壓區(qū)間內(nèi)的套壓和下行時(shí)間分別取平均值并繪圖（圖10）?？梢婋S著壓力的增大，下行時(shí)間有稍微增大的趨勢，這主要是因?yàn)榕菖艅ざ入S著壓力升高有增大的趨勢，與Nafis[12]關(guān)于壓力對緩蝕劑下行時(shí)間的影響結(jié)論一致。

圖10 泡排劑下行時(shí)間和壓力之間的關(guān)系圖（折算到3 000 m井深）

3.4 下行時(shí)間的其他影響因素

下行時(shí)間的其他影響因素[11]有泡排劑泵入速率（負(fù)相關(guān)）、溫度（負(fù)相關(guān)）、黏度（正相關(guān)）、井斜（正相關(guān)）、管壁粗糙度（正相關(guān)）、井深（正相關(guān)）等。囿于本次獲取數(shù)據(jù)的局限性，不能對其他的影響因素逐一探究，僅僅列出了它們之間的相應(yīng)關(guān)系。

3.5 泡排劑擴(kuò)散時(shí)間的影響因素

泡排劑沿著管壁下行至積液液面位置后會(huì)在積液中慢慢地?cái)U(kuò)散，直到泡排劑的濃度在積液中擴(kuò)散均勻。在油管鞋附近，分散開的泡排劑會(huì)隨氣流的攪動(dòng)形成低密度含水泡沫，含水泡沫沿著油管鞋進(jìn)入油管，造成油壓的波動(dòng)，并隨油管的天然氣氣流上升至井口，以液膜的形式帶出井底積液。由于積液不斷被氣流帶出至地面，套壓慢慢降低，氣量有增大的趨勢，并且隨著氣量的增大，溫度也會(huì)有所變化，表現(xiàn)為小幅度波動(dòng)。擴(kuò)散時(shí)間和井筒積液量、氣量、井底溫度有直接關(guān)系。選取前5組數(shù)據(jù)（同樣的環(huán)空）作泡排劑擴(kuò)散時(shí)間與氣量的關(guān)系圖（圖11），并未看出擴(kuò)散時(shí)間與氣量的直接關(guān)系。

圖11 泡排劑擴(kuò)散時(shí)間和氣量之間的關(guān)系圖

但是通過7組擴(kuò)散時(shí)間的分析，去除最大值10.5 h，其他6組數(shù)據(jù)的擴(kuò)散時(shí)間做平均，其平均值為2.5 h，Schinagl[8]的研究顯示泡排劑的擴(kuò)散時(shí)間為2 h，和本研究的結(jié)論一致。

另外，積液量多少、溫度差別以及環(huán)空截面積的大小均會(huì)影響泡排劑擴(kuò)散時(shí)間的長短。

4 實(shí)際應(yīng)用

通過上述研究發(fā)現(xiàn)對于X井區(qū)平均井深，泡排劑的下行時(shí)間為6 h，加上泡排劑的平均擴(kuò)散時(shí)間2.5 h，注入泡排劑后的關(guān)井時(shí)間至少需要保證8.5 h，對于水平井，其井斜更大，建議關(guān)井10 h以上。我們選取項(xiàng)目的一口井Y69-02井為研究對象（該井為裸眼封隔器完井，油套不連通，套壓約為0.4 MPa且基本穩(wěn)定），泡排作業(yè)前后的生產(chǎn)曲線如圖12所示。

圖12 Y69-02井泡排前后生產(chǎn)曲線圖

研究發(fā)現(xiàn)注泡排劑后關(guān)井時(shí)間為4 h的時(shí)候，氣量從0.87 104m3/d增加到1.10 104m3/d，僅增加了26.4%，有效期3 d；注劑之后關(guān)井20 h的時(shí)候，黃色曲線代表的氣量從0.8 104m3/d增加到5.0 104m3/d，增加了525%，有效期長達(dá)18 d（此時(shí)關(guān)井了，關(guān)井前氣量仍有4.2 104m3/d）。證明只有當(dāng)關(guān)井時(shí)間符合我們的研究結(jié)論時(shí)，泡排作業(yè)才能發(fā)揮其應(yīng)有的排水采氣效果，對現(xiàn)場很有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

泡排作業(yè)注劑后，泡排劑沿著管壁在重力作用下下行，到達(dá)積液位置時(shí)擴(kuò)散進(jìn)井底積液，在天然氣流的攪動(dòng)下形成低密度含水泡沫，降低了氣井的臨界攜液氣量而達(dá)到排液目的。對于油管注劑同時(shí)油管生產(chǎn)的間歇注劑氣井，如果關(guān)井時(shí)間不夠就開井，會(huì)造成泡排劑沒有到達(dá)積液位置或者沒有與積液充分?jǐn)U散反應(yīng)就隨氣流流出井筒，失去泡沫排水采氣的意義。

泡排劑下行時(shí)間和泡排劑泵入速率、井溫、井壓、泡排劑黏度、管壁粗糙度、管徑（流道橫截面積）大小、井斜、井深等因素有關(guān)。

泡排劑平均下行速度為577 m/h。油管鞋下深3 072～3 588 m時(shí)，泡排劑下行至油管鞋處平均需要6 h，泡排劑到達(dá)井底之后的平均擴(kuò)散反應(yīng)時(shí)間為2.5 h，綜合起來所需要的關(guān)井時(shí)間為8.5 h；對于水平井，其井斜更大，建議關(guān)井10 h以上。采用新方法的探究結(jié)果，將泡排后關(guān)井時(shí)間從4 h延長至20 h以上，氣井的生產(chǎn)能力均有很大的改善。