水平井对泡排携液效果的影响研究

许园 蒋泽银 李伟 陈楠 苏福燕 龙顺敏

中国石油西南油气田公司天然气研究院

水平井是近年来在天然气开发井中普遍采用的井型。目前，包括页岩气等越来越多的水平井需要开展泡沫排水采气以实现稳产[1-3]。水平井存在较长的斜井段和水平段，泡沫在斜井段井筒内的流动与直井不同。在直井中，气流向上、井筒滑脱回流的液体向下，相互产生对流，利于气液的混合搅动产生泡沫；在斜井段，气流与液体滑脱回流的方向成一定夹角，由于密度差别较大，液体和密度较大的泡沫总是沿斜管的下壁回流，而气体和密度较小的泡沫沿斜管的上壁上升，从而降低气体的带液效率。因此，水平井的泡沫排水采气效果与直井有较大的差异。有研究表明，斜井井筒结构复杂，井筒内气流携液困难[4]；定向气井泡排效果普遍较直井差，定向气井斜井段是造成泡排效果差的原因之一[5]。但还没有研究斜井段对泡沫携液效果具体影响的报导。

1 实验部分

1.1 实验装置与试剂

1.1.1实验装置

为了模拟评价水平井造斜段对泡沫携液的影响，参照SY/T 5761-1995《排水采气用起泡剂CT5-2》中规定的泡沫携液量装置的高度、内管直径、气体分散头尺寸等，建立了如图1所示的相同垂直高度，斜度分别为90°、60°、45°、30°，长度为600 mm、693 mm、849 mm、1 200 mm的带升温夹层的泡沫携液量评价管。

1.1.2试剂

NaCl，分析纯；无水CaCl2，分析纯；CT5-7CⅠ起泡剂，工业纯。

1.2 实验方法

(1) 矿化水配制：称取8 g NaCl与2 g CaCl2，用蒸馏水配制成1 000 mL溶液，得到10 g/L的矿化水。

(2) 评价条件：温度90 ℃、气流量3.0 L/min。

(3) 评价方法：参照SY/T 5761-1995规定的携液量评价方法，将不同量的CT5-7CⅠ起泡剂加入配制的矿化水中，取200 mL倒入不同斜度的泡沫携液量评价管中，将温度升至90 ℃，然后通过气体分散头通入3.0 L/min的N2，将15 min内带出的泡沫消泡后的液体用量筒测量，即为泡沫携液量。

2 结果与讨论

2.1 相同垂直高度时斜度对泡沫携液量的影响

2.1.1评价结果

用垂直高度相同、不同斜度的评价管，评价质量浓度0.5～3.0 g/L的起泡剂在10 g/L的矿化水中的泡沫携液量，结果见图2。

由图2可见，在垂直高度相同、起泡剂质量浓度0.5～3.0 g/L时，泡沫携液量随斜度角的增加而增加。延长30°、45°和60°、90°的直线相交于一点，将该点视为曲线的拐点。由图2可见，不同起泡剂用量下的拐点在51°～55°。在拐点以下，斜度对泡沫携液量的影响较大，泡沫携液量随斜度的增大而增加较快；在拐点以上，斜度对泡沫携液量的影响较小。

由图2还可看出，随着起泡剂用量的增加，在不同斜度角下的携液量均增加，且拐点呈下降趋势。要达到相同的携液量，在斜度角较小时需增大起泡剂的用量，比如要达到120 mL的携液量，在55°～90°时起泡剂用量为1.0 g/L，在45°时需增加到1.3 g/L，30°时需增加到1.7 g/L。

2.1.2原因分析

直管与斜管中泡沫的流动状态如图3和图4所示。通过对比图3直管和图4斜管中泡沫的流动状态，分析斜度影响泡沫携液以及在斜度角较小时增加用量可以达到较好携液的原因。

由图3可见，在垂直管中，泡沫在管中呈对称均匀的紊流状态向上运动，且与密度较大的沿管壁滑脱的液体产生较强的对流和搅动，使滑脱的液体再次起泡并随上升的泡沫继续向上运动。而在图4所示的斜管中，由于形成泡沫本身的不均匀以及析液造成的密度差，泡沫在管中呈非对称层流状态，上管壁处泡沫粗大、密度低，向下泡沫变小、密度增大。此时若气流未从上管壁处穿透泡沫，管内的泡沫会一起向上运动；当上管壁处的泡沫进一步析液破裂并被气流穿透时，下层的泡沫则只能向下回流而不易形成如直管中的对流作用。因此，直管和斜管中泡沫的流动状态不同，斜度角越接近90°，携液量越大，斜度角越小，携液量越小。

增加起泡剂用量可提高泡沫的稳泡性能，减缓泡沫的析液速度，并使上管壁处的泡沫不易被气流穿透，从而提高泡沫携液效果。因此，在斜度角较小时，增加起泡剂用量提高稳泡性能可达到较好的携液效果。同时表明，在水平井的泡排中，可增加起泡剂的用量以克服造斜段对泡排效果的影响。

2.2 相同管长时斜度对泡沫携液量的影响

2.2.1评价结果

将长度为693 mm的评价管分别调整为90°、60°、45°、30°斜度，对质量浓度为1.5 g/L的起泡剂在10 g/L矿化水中的携液量进行评价，将评价数据与图2中相同垂直高度、1.5 g/L起泡剂时的携液量数据一同作图，如图5所示。

由图5可见，相同管长、不同斜度与相同垂直高度、不同斜度的曲线几乎重合。表明在泡沫携液的评价中，相同管长与相同垂高时斜度对携液量的影响基本一致，即在斜度低于55°时，斜度对携液量的影响较大；高于55°时，斜度对携液量的影响较小，而管长对携液量的影响较小。

2.2.2原因分析

直管与30°斜管中泡沫的段塞流动状态如图6和图7所示。通过对比图6和图7泡沫的段塞流动状态，分析管长对泡沫携液的影响较小的原因。

在泡沫携液评价中，当管内液体较多时，泡沫呈图3和图4所示的连续流动状态。随着管内液体的带出，液体量减小，形成的泡沫减少，则会出现如图6和图7所示的泡沫段塞流动状态。当起泡剂的稳泡性能较好时，形成的泡沫段塞不易被气流穿透，在相同斜度下，较长或较短的评价管中泡沫段塞均能顺利地将液体带出管口。CT5-7CⅠ起泡剂质量浓度为1.5 g/L时，泡沫稳定性较好。因此，管长对泡沫携液的影响较小。同时表明，对于水平井，要达到好的泡排效果，需要使用泡沫稳定性较好的起泡剂。

2.3 水平井泡排实例

长宁H3-1和H3-2井为页岩气水平井，分别于2016年11月和2017年1月开展泡排现场实验，使用CT5-7CⅠ起泡剂，在现场水样中不同用量的起泡力、稳泡性、直管中携液评价数据见表1。

表1 CT5⁃7CⅠ不同用量的泡沫性能Table1 PerformanceofCT5⁃7CⅠwithdifferentdosage水样起泡剂型号温度/℃ρ/(g·L-1)起泡力/mm稳泡性/mm携液量/mL现场水CT5⁃7CⅠ900．5125．0230．0130．0901．0167．0255．0151．0901．5185．0315．0162．0902．0195．0325．0167．0

表2 两井泡排前后生产数据Table2 Productiondataoftwowellsbeforeandafterfoam⁃dewatering井号泡排前泡排后对比压差/MPa产气量/(m3·d-1)产水量/(m3·d-1)压差/MPa产气量/(m3·d-1)产水量/(m3·d-1)压差降低/MPa产气量增加/(m3·d-1)产水量增加/(m3·d-1)H3⁃15．3885861．881．92110115．243．46(64．3%)2425(28．3%)3．36(1．8倍)H3⁃24．7997993．371．81123206．152．98(62．2%)2521(25．7%)2．78(82．5%)合计183855．252333111．394946(26．9%)6．14(1．17倍)

由表1可见，CT5-7CⅠ质量浓度在0.5 g/L以上时，起泡力、稳泡性及直管中的携液量均较好。在直井的质量浓度为1.0～1.5 g/L时，可达到较好的泡排效果，而在H3-1井和H3-2井中，通过优化后的实际用量为1.5～2.0 g/L。由表2可见，两井的泡排取得了较好的效果，泡排稳产气量2.33×104m3/d，增产气量0.49×104m3/d，增产26.7%。

3 结 论

(1) 在水平井中，造斜段的斜度对泡沫携液有较大的影响。在斜度角为55°以下时，泡沫携液量随斜度的增大而较快增加，在55°以上斜度对泡沫携液量的影响较小。

(2) 在形成的泡沫稳定性较好的情况下，管长对携液的影响较小。与直井相比，要达到较好的泡排效果，水平井需要使用泡沫稳定性更好的起泡剂。

(3) 在水平井的泡排中，可增大起泡剂的用量以克服造斜段对泡排效果的影响。

(4) 长宁H3-1井和H3-2井使用泡沫稳定性较好的CT5-7CⅠ起泡剂，并在使用略大于直井起泡剂用量的情况下，取得了较好的泡排效果。

[1] 肖高棉, 李颖川, 喻欣. 气藏水平井连续携液理论与实验[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2010, 32(3): 122-126.

[2] 熊颖, 贾静, 刘爽, 等. 抗高温泡沫排水用起泡剂的研究与性能评价[J]. 石油与天然气化工, 2012, 41(3): 308-310.

[3] 何云, 杨益荣, 刘争芬. 大牛地气田水平井携液规律及排液对策研究[J]. 天然气勘探与开发, 2013, 36(3): 38-41.

[4] 杨功田, 邹一锋, 周兴付, 等. 斜井携液临界流量模型研究[J]. 油气藏评价与开发, 2012, 2(1): 33-36.

[5] 夏斌. 定向气井泡沫排水技术研究[J]. 钻采工艺, 2007, 30(5): 149-150.