固体泡沫剂排水采气适应性分析及优化措施

陈 依 张凤琼 韦元亮 刘 阳 胡波儿

1.中国石油西南油气田分公司重庆气矿 2.中国石油西南油气田分公司输气管理处

0 引言

固体泡排投注作为一种普遍应用的泡排工艺，均利用固体泡排投注装置关井自油管投注，但频繁开关井会造成气井无法长期稳定生产、生产时率低等问题。针对不关井投注的可行性，并对投注固体棒状泡排进行受力分析，并利用流体力学动量方程求解，得出：根据气井实时参数计算固体起泡剂所受曳力，进而计算固体起泡剂的质量，可实现不关井加注。此外，对于大斜度、水平井排水采气问题，常认为固体棒状泡排投注会卡在造斜段而不能落入井底，借鉴柱塞在大斜度、水平井中的应用思路，建立造斜段极限几何关系，求解出现有直径棒状起泡剂的极限长度，并通过水平井YH004-H2 井现场应用证实现有棒状固体起泡剂长度均能满足川东地区大斜度井、水平井的投注要求。

1 泡沫排水采气工艺

随着有水气藏逐步进入开发中后期，地层压力逐渐下降，依靠地层能量或井底能量带水出现困难。此时若向气井加入一定量的起泡剂，借助天然气的搅动，使井筒积液生成大量低密度含水泡沫，从而随着天然气流被带出到地面，达到排水采气的目的[1-2]。四川盆地川东地区自20 世纪90 年代初期，在卧龙河气田小产水量气井首次实施泡沫排水采气，至目前已有200 余口井实施了泡沫排水采气，成为一套成熟的适用于川东地区的主力排水采气工艺技术。

泡沫排水采气工艺有固体及液体加注两种方式[3-6]，液体加注主要根据气井产水量大小配兑合适比例药剂，通过泵注或罐注至井下油套环空或者油管内。固体加注主要是通过固体加注装置向油管内投注相应数量的固体起泡剂。固体起泡剂又分为棒状或球状起泡剂[7]。

2 固体泡沫剂排水采气适应性分析

2.1 固体泡排存在的主要问题

固体泡沫排水采气一般要求在关井状态下将泡排剂从油管加入[8-9]，起泡剂加注完后需要继续关井一定时间，以保证固体起泡剂有足够的时间落入井底并与井底积液充分混合。

固体泡排剂加注具有以下优点：

1）固体泡排剂作用时间较长，无需每日加注。

2）固体泡排剂加注装置加注工艺简单，无需外加动力和水，减少大量生产成本。

3）相对液体泡排剂而言，固体泡排剂不会增加井筒积液，且更容易落入井底。

同时通过对现场多口井固体起泡剂加注情况分析，认为其仍存在以下问题：

1）固体泡排剂需关井加注，周期性关井加注固体起泡剂，会导致气井生产时率低，气井产量无法最大化发挥。

2）频繁开关井操作不利于气井稳定生产。

3）按照气井产水情况选择相应数量固体起泡剂，一般选择最佳浓度为1‰。如果气井产水量大，需要加注更多的起泡剂，通常需要反复投注才能完成，增加了安全风险。

2.2 固体泡排在直井中的适应性分析

为避免频繁开关井加注固体起泡剂给气井生产带来不利影响和安全风险，开展不关井加注固体泡排棒试验。

考虑到不同生产情况对固体泡排投注要求存在差异，选取不同产量的1 井（产气量0.3×104～0.4×104m3/d、产水量0.2 m3/d）和2 井（产气量2.0×104～2.3×104m3/d、产水量1.1 m3/d）作为代表井（1 井和2 井均为直井，油管内径Ø73 mm），开展不关井投注固体泡排试验。

1）大产气量井在开井状态下投注UT-6 固体泡排棒，在投棒过程中发现泡排棒不能掉入井底，检查投注装置发现泡排棒在投注装置筒内发生堵塞，且数根断裂（图1）。

2）小产气量井在开井状态下投注UT-6 固体泡排棒未发现异常，固体泡排投注装置筒内无泡排棒堵塞。

图1 2 井投注装置取出的的泡排棒照片

根据试验结果初步分析认为气井产气量越大、流速越快，在不关井条件下投注的泡排棒遇自下而上气流作用无法落入井底，部分下落的泡排棒在气流作用下反冲回固体投注装置处。

2.3 固体泡排在大斜度井、水平井中的适应性分析

为了动用气藏低渗储量，提高气藏采收率，部分气井实施大斜度井、水平井钻井技术（图2），该技术给后期排水采气技术带来困难[10-13]，主要表现在以下方面：

1）大斜度井、水平井通常安装有封隔器，油、套管不连通的气井无法加注液体起泡剂，仅能通过油管投注固体起泡剂或车载泵注液体起泡剂辅助带液；油、套管连通的气井即使能从环空加注液体起泡剂，但井底积液必须被带至滑套或反循环阀处。

2）部分气井井下管柱安装有井下节流器工作筒，工作筒内径比相应油管内径小，工作筒处自然形成一台阶，固体起泡剂可能无法正常下落，无法达到排水采气目的。

图2 井身结构示意图

3）大斜度井、水平井井斜角较大，固体泡排棒容易卡堵在造斜段[14]，无法成功落入井底与积液充分混合，无法达到排水采气目的。

3 固体泡沫排水采气优化措施

从现场试验效果看，固体起泡剂由于重量较轻，即使采取关井加注的形式以避免固体泡排剂被气流反冲，也无法正常落入井底；棒状固体起泡剂易受到井筒井斜的影响，下落过程中卡在造斜段而不能落入井底。

3.1 固体起泡剂质量计算

由于直井加注棒状固体起泡剂在投注装置处发生堵塞，在大斜度、水平井试验了球状固体起泡剂，同样在投注装置处也发生堵塞。综合分析认为，不关井投注固体起泡剂需满足一个重要条件，即固体起泡剂本身重力大于上升气流对该固体起泡剂横截面造成的曳力。根据流体力学动量定理[15]:作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率，即利用流体力学动量守恒的一维简化方程式可求得气井流动过程中对横截面的力[4]。即

式中F表示横截面作用力，N；ρ表示流体密度，kg/m3；β1、β2表示动量修正系数（一般取1.02 ～1.05）；Q表示天然气体积流量，m3/s；υ1表示天然气平均流速，m/s；υ2表示固体起泡剂下落流速，m/s。

井筒中的固体起泡剂主要受自身重力G与气体对起泡剂的曳力F的影响，当G=F（忽略井壁摩擦力）时起泡剂相当于静止，即υ2约等于0，故方程（1）可简化为：

为使固体起泡剂落入井底，需要满足F＜G这一条件。由于井口和井底流速不一致，故需要比较F在井底—井口之间的变化情况。

自喷井沿井筒自下而上压力降低、流速加快，井口流速大于井底流速，低压情况下井口和井底密度变化较小，忽略井筒密度变化影响，由此可知固体起泡剂在井口所受的曳力大于井底所受的曳力。因此当固体起泡剂能够顺利通过井口横截面后，也一定能顺利落入井底，故仅需计算固体起泡剂在井口横截面受到的曳力即可。

以1 井为例，该井瞬产气量为0.3×104m3/d，井口气流压力为1.0 MPa、温度为25.0℃，天然气相对密度为0.57，井口油管内径为Ø73.0 mm，根据给定条件得到1 井体积流量(Q)为0.035 m3/s，气流速度(v1)为8.3 m/s，该压力温度条件下流体密度(ρ)为7.1 kg/m3，通过方程（2）计算求得1 井井口横截面曳力为2.08 N。根据F=mg，求出1 井井口需投注的固体起泡剂质量为0.208 kg，即当固体起泡剂质量大于等于208 g 即可实现不关井加注。

3.2 固体起泡剂尺寸核算

棒状固体起泡剂视为简单圆柱形工具[16-18]，通过最大曲率井段的极限几何关系（图3）为：

图3 棒状药剂极限外形尺寸示意图

式中L表示泡排棒极限长度；R表示井筒曲率半径；D表示油管内径；d表示泡排棒直径。

大斜度井、水平井井眼轨迹与水平段形成一定角度的夹角，一般井斜角大于90°，当前以90°为极限造斜角度核算可投注棒状药剂的极限尺寸。

受井筒内径的限制，棒状药剂直径d应满足d＜D，通过计算得出满足现有油管尺寸的Ø30 mm、Ø40 mm棒状起泡剂的极限长度分别为1.24 m、1.032 m。

现有Ø30 mm、Ø40 mm 棒状药剂的实际长度分别有0.25 m、0.265 m 和0.39 m、0.4 mm、0.46 m，能够满足大斜度、水平井需求。

3.3 现场应用实例

川东地区YH004-H2 井是石炭系气藏的一口水平井，井深5 468 m，最大井斜角95.58°，井下管串为88.9 mm+73 mm 组合油管。该井站场无水、无电，生产套压、油压分别为10.2 MPa、2.04 MPa，日产气量0.3×104m3，井筒积液严重，无法连续带水生产。

理论上常规固体棒状泡排剂能通过造斜点，满足大斜度、水平井排水采气需求。为验证其效果，YH004-H2 于油管投注UT-6 型固体棒状泡排剂（直径Ø40 mm、长度0.4 m）20 根，次日套压下降至6.3 MPa，油压上升至2.24 MPa，日产气达到2.9×104m3，日产水2.5 m3，试验证明固体泡排剂起到了辅助带液的效果。此后连续投注10 日，日投注12 ～20根，该井油套压差持续减小，日产气量维持在1.0×104m3，日产水0.8 m3。截至2018 年5 月，YH004-H2 井连续实施固体泡排工艺，生产套压（4.8 ～5.0） MPa、油压（1.4 ～1.5） MPa，日产气（0.3 ～0.7）×104m3，日产水（0.2 ～0.6）m3。

4 结论

1）泡沫排水采气工艺简单、投资少、见效快，是川东地区主力排水采气工艺。通过现场应用发现，固体棒状起泡剂在不同的井况应用效果不一样，影响因素主要是井身结构和起泡剂的重量、长度。

2）通过受力分析提出固体起泡剂落入井底的首要条件，当不关井加注起泡剂时需满足固体起泡剂所受曳力小于本身重力。实际应用时根据气井参数计算固体起泡剂所受曳力，进而计算固体起泡剂的质量，为选择合适的起泡剂提供技术保障。

3）结合大斜度井、水平井井身结构，建立固体起泡剂通过大斜度段时所需起泡剂极限长度关系式。通过分析计算，认为现有棒状固体起泡剂长度均能满足川东地区大斜度井、水平井的投注要求。

4）水平井YH004-H2 井为一口气水同产井，气井连续带水生产困难。通过分析计算，该井具备加注棒状固体起泡剂的条件。现场实施后日增产气量0.7×104m3、产水量0.8 m3，泡排效果较好。

5）川东地区带液生产困难的大斜度井、水平井较多，为实现不关井加注固体起泡剂，建议开展固体起泡剂优化研究和相关试验，研制系列质量的固体起泡剂，以适应不同生产井况的需要，达到辅助气井带液生产的目的。