徐德奎 ，馬品剛 ，楊志鵬，馬文海 ，王景芹 ，李 楠 ，張洪濤

1.北京工業(yè)大學(xué) （北京 100124）

2.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院 （黑龍江 大慶 163453）

2015年中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)大慶油田）油氣當(dāng)量要保持在4000萬(wàn)t穩(wěn)產(chǎn)，其主要手段就是“以氣補(bǔ)油”。目前，大慶油田氣井積液比例達(dá)39%，導(dǎo)致氣井產(chǎn)量下降23%～85%，“排水采氣”成為保證氣田穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。根據(jù)火山巖儲(chǔ)層特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)初期開(kāi)展了排水采氣技術(shù)攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成了“泡沫排水為主”的排水采氣技術(shù)模式。泡沫排水采氣，具有適應(yīng)性強(qiáng)、工藝靈活、投入成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3]。但在生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，也暴露出諸多工藝技術(shù)問(wèn)題[4-5]：一是缺乏準(zhǔn)確預(yù)判井筒積液方法，制約了排水采氣措施早期、有效地實(shí)施；二是缺乏適應(yīng)高溫高壓條件下泡排劑使用性能評(píng)價(jià)技術(shù)，制約了深層氣井泡排工藝應(yīng)用效果；三是缺乏針對(duì)高溫泡排工藝參數(shù)的優(yōu)化方法，工藝實(shí)施缺乏針對(duì)性；四是寒冷地區(qū)冬季泡排工藝存在嚴(yán)重凍堵問(wèn)題,冬季無(wú)法保證正常生產(chǎn)，影響有效生產(chǎn)時(shí)率。

針對(duì)上述問(wèn)題，圍繞“提高氣井排水采氣加藥質(zhì)量”這一基本出發(fā)點(diǎn)，從工藝技術(shù)的改進(jìn)、專(zhuān)業(yè)人才業(yè)務(wù)水平的提高等2方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，為排水采氣加藥質(zhì)量的提高提出了針對(duì)性的做法。

1 工藝技術(shù)的改進(jìn)

首先，從源頭上提高氣井排水采氣加藥質(zhì)量，必須對(duì)工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，包括積液預(yù)判技術(shù)、高溫泡排劑智能評(píng)價(jià)技術(shù)、工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、注入工藝技術(shù)等。

1.1 積液預(yù)判技術(shù)改進(jìn)

常用的積液判斷方法有：直觀法、臨界氣體速度法、壓力梯度法以及產(chǎn)能試井分析法。這些方法僅能夠在氣井已經(jīng)積液的情況下做出判斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)判，存在滯后性。

研究表明，根據(jù)氣井井筒內(nèi)氣、液兩相流速的變化，其流態(tài)呈現(xiàn)為環(huán)霧流、段塞流和泡狀流，其攜液能力逐漸變差。泡狀流出現(xiàn)時(shí)，井筒已積液嚴(yán)重，段塞流的出現(xiàn)表明氣井處于積液早期或即將出現(xiàn)積液。因此，只要能夠準(zhǔn)確判斷氣井井筒內(nèi)的流態(tài)變化，即可判斷出氣井的生產(chǎn)狀態(tài)及積液風(fēng)險(xiǎn)。

利用氣、水兩相流計(jì)算方法，結(jié)合大慶油田實(shí)際工況進(jìn)行校正后，選擇合理的方法計(jì)算氣、水兩相流井筒內(nèi)的表觀速度變化，從而確定井筒不同位置的流態(tài)變化（圖1）。圖1中段塞流出現(xiàn)時(shí)表明氣井處在即將出現(xiàn)積液的時(shí)期，此時(shí)采取排水采氣工藝，可以避免積液后對(duì)氣井產(chǎn)量的影響，延長(zhǎng)氣井帶水生產(chǎn)期。

圖1 氣井井筒流態(tài)判斷

校正方法如下：對(duì)于氣井兩相流計(jì)算模型，有Hagedorn-Brown、Orkisewski、Aziz、Beggs-brill、Grey等10余種模型，利用大慶油田深層火山巖氣田壓力梯度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上述模型進(jìn)行了對(duì)比分析，從而選擇出符合率最好的Beggs-brill、Grey模型，其中Grey模型適用于氣水比更高的條件下，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)新舊油管的表面粗糙度等參數(shù)進(jìn)行了校正，經(jīng)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。

1.2 高溫泡排劑智能評(píng)價(jià)技術(shù)改進(jìn)

原技術(shù)存在的問(wèn)題：缺乏適應(yīng)150℃高溫儲(chǔ)層的泡排劑所必需的評(píng)價(jià)手段。原評(píng)價(jià)技術(shù)只能評(píng)價(jià)100℃以下的性能指標(biāo)，無(wú)法在室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)高溫儲(chǔ)層環(huán)境下泡排劑的使用性能。而不經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)將泡排劑直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)存在盲目性，泡排劑在高溫下可能失效導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，甚至因與地層水配伍性差導(dǎo)致井筒堵塞，從而影響氣田生產(chǎn)。

改進(jìn)后技術(shù)方案：研發(fā)耐高溫泡排劑智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可對(duì)泡排劑和消泡劑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)及優(yōu)化，確保工藝實(shí)施效果。

高溫泡排劑評(píng)價(jià)裝置由進(jìn)液系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成，采用先進(jìn)的測(cè)量和控制技術(shù)，可系統(tǒng)研究泡排劑在高溫高壓條件下的穩(wěn)定性及攜液能力（圖2）。該高溫評(píng)價(jià)裝置具有如下特點(diǎn)：

1）氣、泡排劑、水的同步高溫注入與流量控制。

2）氣、水兩相溫度、壓力、流量的同步控制。

3）垂直管柱具有可視窗和攝像裝置，保證安全的條件下實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程中井筒流態(tài)的可視化。

4）全過(guò)程注入壓力、流量和產(chǎn)出水的自動(dòng)采集和計(jì)量。

圖2 高溫泡排劑智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)流程

1.3 工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)改進(jìn)

原技術(shù)存在問(wèn)題：利用氣井最小攜液流速計(jì)算公式可判斷氣井能否正常帶水生產(chǎn)。加入泡排劑后，由于其具有大幅降低表面張力的作用，從而起到降低氣井臨界流速，增強(qiáng)帶水能力的作用。原技術(shù)由于未做過(guò)泡排劑降低表面張力與臨界流速之間的定量分析，也就不明確泡排劑的經(jīng)濟(jì)有效的加注量，往往通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)摸索注入濃度、注入量等施工參數(shù)。而為了確保工藝效果往往加注量大，導(dǎo)致地面泡沫量過(guò)大，造成地面工藝處理困難。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的注入易導(dǎo)致井筒和底層堵塞影響生產(chǎn)。

技術(shù)方案：泡排技術(shù)的關(guān)鍵在于能夠有效降低氣井的臨界攜液流速，即降低了式（1）中的σ值（表面張力）。

可見(jiàn)σ值是判斷泡排能否有效攜液的關(guān)鍵參數(shù)。而σ值的確定在常溫（＜90℃）條件下可在室內(nèi)利用表面張力儀測(cè)定，但高于90℃則無(wú)法測(cè)定。

1）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定不同濃度、不同溫度下泡排劑溶液的表面張力，建立溫度、濃度、表面張力三者之間的關(guān)系。

2）將σ引入臨界流量計(jì)算模型，建立加藥濃度與最小攜液流速V1的關(guān)系。

3）計(jì)算氣井實(shí)際流速V2，V1=V2時(shí)對(duì)應(yīng)的加藥濃度即為經(jīng)濟(jì)加藥濃度C1，并結(jié)合氣井產(chǎn)水量計(jì)算出加藥量。

改進(jìn)后技術(shù)：以智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，自主建立了高溫泡沫排水采氣攜液模型，既可判斷氣井積液情況及泡排工藝否可行，又能根據(jù)不同類(lèi)型泡排劑性能快速、準(zhǔn)確地確定加藥制度，提高效果的同時(shí)又降低了藥劑使用成本。

1.4 注入工藝技術(shù)改進(jìn)

原技術(shù)存在問(wèn)題：原有的泡排劑注入工藝包括柱塞泵、泡排車(chē)環(huán)空液體注入泡排劑和油管投送固體泡排劑3種。其中，柱塞泵工藝自動(dòng)化程度最高，工藝簡(jiǎn)單且?guī)в邪闊?，但主要?wèn)題是冬季生產(chǎn)過(guò)程中除泡排劑外，柱塞泵和唯一的注入管線還需要承擔(dān)緩蝕劑（避免管柱腐蝕斷裂）和甲醇（處理井筒凍堵）的任務(wù)，根本滿足不了泡排劑的注入需求；泡排車(chē)注入壓力低，且在低溫環(huán)境的注入過(guò)程中，頻繁出現(xiàn)因泡排劑低溫流動(dòng)性差導(dǎo)致的井口凍堵，影響排水效果的同時(shí)給正常生產(chǎn)造成了困擾。

改進(jìn)后技術(shù)：針對(duì)上述問(wèn)題，創(chuàng)新研制了全自動(dòng)控制注入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高壓、恒溫、定量、移動(dòng)式注入以及全過(guò)程天然氣泄露自動(dòng)報(bào)警監(jiān)測(cè)，解決了冬季無(wú)法實(shí)施泡排工藝問(wèn)題。該裝置由安全系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、配液系統(tǒng)、注入系統(tǒng)組成（圖3），其特點(diǎn)如下：

1）安全防爆，自動(dòng)切斷。

2）最高工作壓力30MPa,最大注入流量300L/h。

3）工作溫度-30℃～70℃。

4）適用于腐蝕環(huán)境。

5）帶有安全閥和止回裝置。

6）手、自動(dòng)控制。

7）注入壓力、流量等數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

1-700L大桶；2-塑料球閥；3-電磁流量計(jì)；4-球閥；5-1/2水閥門(mén)；6-1/2球閥；7-水箱；8-高壓柱塞泵；9-安全閥；10-變頻器；11-電氣箱；12-隔離器；13-電極點(diǎn)表50MPa；14-壓力傳感器 50MPa；15-電動(dòng)閥門(mén)；16-溫度控制；17-可燃?xì)怏w檢測(cè)；18-泄壓排空閥；19-高壓軟管；20-氣井井口

2 提高專(zhuān)業(yè)人才的業(yè)務(wù)水平

目前，油田開(kāi)發(fā)對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，穩(wěn)產(chǎn)難度也不斷增大，僅從學(xué)生時(shí)代獲得的知識(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工作需要。因此，相關(guān)管理人員和科研人員要堅(jiān)持學(xué)習(xí)，不斷擴(kuò)大自己的視野，提高知識(shí)的高度和寬度，從而能游刃有余的處理工作中遇到的各種問(wèn)題[6-7]。

管理人員要從項(xiàng)目開(kāi)題調(diào)研階段加強(qiáng)管理，圍繞“提高排水采氣加藥質(zhì)量”這一中心點(diǎn)，根據(jù)大慶氣田的基本情況，從資源配置、人員分工上進(jìn)行合理的統(tǒng)籌、科學(xué)的論證，為項(xiàng)目目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)保障?？蒲腥藛T要不斷積累自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，針對(duì)某一課題不但要知其然，更要知其所以然。單獨(dú)的掌握一門(mén)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)日益變化的勘探對(duì)象，因此，要多學(xué)科，多專(zhuān)業(yè)，交互式的學(xué)習(xí)。例如，泡沫排水采氣中，泡排劑的表面張力的測(cè)定必須嚴(yán)格按照SY/T 5370-1999《表面及界面張力測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定，才能科學(xué)合理地完成實(shí)驗(yàn)。測(cè)定過(guò)程中，樣品的稱(chēng)量、配制、評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)的分析處理等各環(huán)節(jié)都將影響到測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，否則缺乏準(zhǔn)確性的表面張力值被用到最小攜液流速公式中，進(jìn)而影響到最小臨界流量，從而影響加藥的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)偏大，造成鋪張浪費(fèi)；數(shù)據(jù)偏小，無(wú)法排水采氣。同時(shí)，科研人員自身也從參與項(xiàng)目的實(shí)際出發(fā)，不斷加強(qiáng)學(xué)習(xí)，涉獵多專(zhuān)業(yè)，多學(xué)科的知識(shí)，打破傳統(tǒng)的思維模式，堅(jiān)持創(chuàng)新作為第一要?jiǎng)?wù)，以新思路、新視角加快推進(jìn)技術(shù)突破。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

在大慶油田新的歷史時(shí)期，作為氣井穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)“泡沫排水采氣”的加藥質(zhì)量對(duì)于氣井的穩(wěn)產(chǎn)作用不容忽視。圍繞“提高加藥質(zhì)量”從技術(shù)的改進(jìn)、提高人才的專(zhuān)業(yè)水平等方面，進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，取得如下認(rèn)識(shí)：

1）形成井筒積液智能診斷及預(yù)判系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水、采氣井積液狀態(tài)的自動(dòng)預(yù)警；研發(fā)耐高溫泡排劑智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高溫條件下泡排劑和消泡劑性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化，獲取最佳效果。

2）建立泡沫排水采氣攜液模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)泡排工藝參數(shù)，降低藥劑使用成本；研制全自動(dòng)控制注入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高壓、恒溫、定量、移動(dòng)式注入以及全過(guò)程天然氣泄露自動(dòng)報(bào)警監(jiān)測(cè)，解決了冬季無(wú)法實(shí)施泡排工藝問(wèn)題。

3）提高管理人員的管理水平，從整體上對(duì)科研項(xiàng)目進(jìn)行把握，使項(xiàng)目及時(shí)、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)；加強(qiáng)科研人員的業(yè)務(wù)水平，從而在具體細(xì)節(jié)上進(jìn)行掌控，不僅有利于預(yù)期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，更能提高自身的素質(zhì)，從而快速成長(zhǎng)。

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