陳 依 張鳳瓊 韋元亮 劉 陽(yáng) 胡波兒

1.中國(guó)石油西南油氣田分公司重慶氣礦 2.中國(guó)石油西南油氣田分公司輸氣管理處

0 引言

固體泡排投注作為一種普遍應(yīng)用的泡排工藝，均利用固體泡排投注裝置關(guān)井自油管投注，但頻繁開關(guān)井會(huì)造成氣井無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)、生產(chǎn)時(shí)率低等問(wèn)題。針對(duì)不關(guān)井投注的可行性，并對(duì)投注固體棒狀泡排進(jìn)行受力分析，并利用流體力學(xué)動(dòng)量方程求解，得出：根據(jù)氣井實(shí)時(shí)參數(shù)計(jì)算固體起泡劑所受曳力，進(jìn)而計(jì)算固體起泡劑的質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)不關(guān)井加注。此外，對(duì)于大斜度、水平井排水采氣問(wèn)題，常認(rèn)為固體棒狀泡排投注會(huì)卡在造斜段而不能落入井底，借鑒柱塞在大斜度、水平井中的應(yīng)用思路，建立造斜段極限幾何關(guān)系，求解出現(xiàn)有直徑棒狀起泡劑的極限長(zhǎng)度，并通過(guò)水平井YH004-H2 井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證實(shí)現(xiàn)有棒狀固體起泡劑長(zhǎng)度均能滿足川東地區(qū)大斜度井、水平井的投注要求。

1 泡沫排水采氣工藝

隨著有水氣藏逐步進(jìn)入開發(fā)中后期，地層壓力逐漸下降，依靠地層能量或井底能量帶水出現(xiàn)困難。此時(shí)若向氣井加入一定量的起泡劑，借助天然氣的攪動(dòng)，使井筒積液生成大量低密度含水泡沫，從而隨著天然氣流被帶出到地面，達(dá)到排水采氣的目的[1-2]。四川盆地川東地區(qū)自20 世紀(jì)90 年代初期，在臥龍河氣田小產(chǎn)水量氣井首次實(shí)施泡沫排水采氣，至目前已有200 余口井實(shí)施了泡沫排水采氣，成為一套成熟的適用于川東地區(qū)的主力排水采氣工藝技術(shù)。

泡沫排水采氣工藝有固體及液體加注兩種方式[3-6]，液體加注主要根據(jù)氣井產(chǎn)水量大小配兌合適比例藥劑，通過(guò)泵注或罐注至井下油套環(huán)空或者油管內(nèi)。固體加注主要是通過(guò)固體加注裝置向油管內(nèi)投注相應(yīng)數(shù)量的固體起泡劑。固體起泡劑又分為棒狀或球狀起泡劑[7]。

2 固體泡沫劑排水采氣適應(yīng)性分析

2.1 固體泡排存在的主要問(wèn)題

固體泡沫排水采氣一般要求在關(guān)井狀態(tài)下將泡排劑從油管加入[8-9]，起泡劑加注完后需要繼續(xù)關(guān)井一定時(shí)間，以保證固體起泡劑有足夠的時(shí)間落入井底并與井底積液充分混合。

固體泡排劑加注具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）固體泡排劑作用時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)需每日加注。

2）固體泡排劑加注裝置加注工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需外加動(dòng)力和水，減少大量生產(chǎn)成本。

3）相對(duì)液體泡排劑而言，固體泡排劑不會(huì)增加井筒積液，且更容易落入井底。

同時(shí)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多口井固體起泡劑加注情況分析，認(rèn)為其仍存在以下問(wèn)題：

1）固體泡排劑需關(guān)井加注，周期性關(guān)井加注固體起泡劑，會(huì)導(dǎo)致氣井生產(chǎn)時(shí)率低，氣井產(chǎn)量無(wú)法最大化發(fā)揮。

2）頻繁開關(guān)井操作不利于氣井穩(wěn)定生產(chǎn)。

3）按照氣井產(chǎn)水情況選擇相應(yīng)數(shù)量固體起泡劑，一般選擇最佳濃度為1‰。如果氣井產(chǎn)水量大，需要加注更多的起泡劑，通常需要反復(fù)投注才能完成，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 固體泡排在直井中的適應(yīng)性分析

為避免頻繁開關(guān)井加注固體起泡劑給氣井生產(chǎn)帶來(lái)不利影響和安全風(fēng)險(xiǎn)，開展不關(guān)井加注固體泡排棒試驗(yàn)。

考慮到不同生產(chǎn)情況對(duì)固體泡排投注要求存在差異，選取不同產(chǎn)量的1 井（產(chǎn)氣量0.3×104～0.4×104m3/d、產(chǎn)水量0.2 m3/d）和2 井（產(chǎn)氣量2.0×104～2.3×104m3/d、產(chǎn)水量1.1 m3/d）作為代表井（1 井和2 井均為直井，油管內(nèi)徑?73 mm），開展不關(guān)井投注固體泡排試驗(yàn)。

1）大產(chǎn)氣量井在開井狀態(tài)下投注UT-6 固體泡排棒，在投棒過(guò)程中發(fā)現(xiàn)泡排棒不能掉入井底，檢查投注裝置發(fā)現(xiàn)泡排棒在投注裝置筒內(nèi)發(fā)生堵塞，且數(shù)根斷裂（圖1）。

2）小產(chǎn)氣量井在開井狀態(tài)下投注UT-6 固體泡排棒未發(fā)現(xiàn)異常，固體泡排投注裝置筒內(nèi)無(wú)泡排棒堵塞。

圖1 2 井投注裝置取出的的泡排棒照片

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初步分析認(rèn)為氣井產(chǎn)氣量越大、流速越快，在不關(guān)井條件下投注的泡排棒遇自下而上氣流作用無(wú)法落入井底，部分下落的泡排棒在氣流作用下反沖回固體投注裝置處。

2.3 固體泡排在大斜度井、水平井中的適應(yīng)性分析

為了動(dòng)用氣藏低滲儲(chǔ)量，提高氣藏采收率，部分氣井實(shí)施大斜度井、水平井鉆井技術(shù)（圖2），該技術(shù)給后期排水采氣技術(shù)帶來(lái)困難[10-13]，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）大斜度井、水平井通常安裝有封隔器，油、套管不連通的氣井無(wú)法加注液體起泡劑，僅能通過(guò)油管投注固體起泡劑或車載泵注液體起泡劑輔助帶液；油、套管連通的氣井即使能從環(huán)空加注液體起泡劑，但井底積液必須被帶至滑套或反循環(huán)閥處。

2）部分氣井井下管柱安裝有井下節(jié)流器工作筒，工作筒內(nèi)徑比相應(yīng)油管內(nèi)徑小，工作筒處自然形成一臺(tái)階，固體起泡劑可能無(wú)法正常下落，無(wú)法達(dá)到排水采氣目的。

圖2 井身結(jié)構(gòu)示意圖

3）大斜度井、水平井井斜角較大，固體泡排棒容易卡堵在造斜段[14]，無(wú)法成功落入井底與積液充分混合，無(wú)法達(dá)到排水采氣目的。

3 固體泡沫排水采氣優(yōu)化措施

從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果看，固體起泡劑由于重量較輕，即使采取關(guān)井加注的形式以避免固體泡排劑被氣流反沖，也無(wú)法正常落入井底；棒狀固體起泡劑易受到井筒井斜的影響，下落過(guò)程中卡在造斜段而不能落入井底。

3.1 固體起泡劑質(zhì)量計(jì)算

由于直井加注棒狀固體起泡劑在投注裝置處發(fā)生堵塞，在大斜度、水平井試驗(yàn)了球狀固體起泡劑，同樣在投注裝置處也發(fā)生堵塞。綜合分析認(rèn)為，不關(guān)井投注固體起泡劑需滿足一個(gè)重要條件，即固體起泡劑本身重力大于上升氣流對(duì)該固體起泡劑橫截面造成的曳力。根據(jù)流體力學(xué)動(dòng)量定理[15]:作用在物體上的力的大小等于物體在力作用方向上的動(dòng)量的變化率，即利用流體力學(xué)動(dòng)量守恒的一維簡(jiǎn)化方程式可求得氣井流動(dòng)過(guò)程中對(duì)橫截面的力[4]。即

式中F表示橫截面作用力，N；ρ表示流體密度，kg/m3；β1、β2表示動(dòng)量修正系數(shù)（一般取1.02 ～1.05）；Q表示天然氣體積流量，m3/s；υ1表示天然氣平均流速，m/s；υ2表示固體起泡劑下落流速，m/s。

井筒中的固體起泡劑主要受自身重力G與氣體對(duì)起泡劑的曳力F的影響，當(dāng)G=F（忽略井壁摩擦力）時(shí)起泡劑相當(dāng)于靜止，即υ2約等于0，故方程（1）可簡(jiǎn)化為：

為使固體起泡劑落入井底，需要滿足F＜G這一條件。由于井口和井底流速不一致，故需要比較F在井底—井口之間的變化情況。

自噴井沿井筒自下而上壓力降低、流速加快，井口流速大于井底流速，低壓情況下井口和井底密度變化較小，忽略井筒密度變化影響，由此可知固體起泡劑在井口所受的曳力大于井底所受的曳力。因此當(dāng)固體起泡劑能夠順利通過(guò)井口橫截面后，也一定能順利落入井底，故僅需計(jì)算固體起泡劑在井口橫截面受到的曳力即可。

以1 井為例，該井瞬產(chǎn)氣量為0.3×104m3/d，井口氣流壓力為1.0 MPa、溫度為25.0℃，天然氣相對(duì)密度為0.57，井口油管內(nèi)徑為?73.0 mm，根據(jù)給定條件得到1 井體積流量(Q)為0.035 m3/s，氣流速度(v1)為8.3 m/s，該壓力溫度條件下流體密度(ρ)為7.1 kg/m3，通過(guò)方程（2）計(jì)算求得1 井井口橫截面曳力為2.08 N。根據(jù)F=mg，求出1 井井口需投注的固體起泡劑質(zhì)量為0.208 kg，即當(dāng)固體起泡劑質(zhì)量大于等于208 g 即可實(shí)現(xiàn)不關(guān)井加注。

3.2 固體起泡劑尺寸核算

棒狀固體起泡劑視為簡(jiǎn)單圓柱形工具[16-18]，通過(guò)最大曲率井段的極限幾何關(guān)系（圖3）為：

圖3 棒狀藥劑極限外形尺寸示意圖

式中L表示泡排棒極限長(zhǎng)度；R表示井筒曲率半徑；D表示油管內(nèi)徑；d表示泡排棒直徑。

大斜度井、水平井井眼軌跡與水平段形成一定角度的夾角，一般井斜角大于90°，當(dāng)前以90°為極限造斜角度核算可投注棒狀藥劑的極限尺寸。

受井筒內(nèi)徑的限制，棒狀藥劑直徑d應(yīng)滿足d＜D，通過(guò)計(jì)算得出滿足現(xiàn)有油管尺寸的?30 mm、?40 mm棒狀起泡劑的極限長(zhǎng)度分別為1.24 m、1.032 m。

現(xiàn)有?30 mm、?40 mm 棒狀藥劑的實(shí)際長(zhǎng)度分別有0.25 m、0.265 m 和0.39 m、0.4 mm、0.46 m，能夠滿足大斜度、水平井需求。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

川東地區(qū)YH004-H2 井是石炭系氣藏的一口水平井，井深5 468 m，最大井斜角95.58°，井下管串為88.9 mm+73 mm 組合油管。該井站場(chǎng)無(wú)水、無(wú)電，生產(chǎn)套壓、油壓分別為10.2 MPa、2.04 MPa，日產(chǎn)氣量0.3×104m3，井筒積液嚴(yán)重，無(wú)法連續(xù)帶水生產(chǎn)。

理論上常規(guī)固體棒狀泡排劑能通過(guò)造斜點(diǎn)，滿足大斜度、水平井排水采氣需求。為驗(yàn)證其效果，YH004-H2 于油管投注UT-6 型固體棒狀泡排劑（直徑?40 mm、長(zhǎng)度0.4 m）20 根，次日套壓下降至6.3 MPa，油壓上升至2.24 MPa，日產(chǎn)氣達(dá)到2.9×104m3，日產(chǎn)水2.5 m3，試驗(yàn)證明固體泡排劑起到了輔助帶液的效果。此后連續(xù)投注10 日，日投注12 ～20根，該井油套壓差持續(xù)減小，日產(chǎn)氣量維持在1.0×104m3，日產(chǎn)水0.8 m3。截至2018 年5 月，YH004-H2 井連續(xù)實(shí)施固體泡排工藝，生產(chǎn)套壓（4.8 ～5.0） MPa、油壓（1.4 ～1.5） MPa，日產(chǎn)氣（0.3 ～0.7）×104m3，日產(chǎn)水（0.2 ～0.6）m3。

4 結(jié)論

1）泡沫排水采氣工藝簡(jiǎn)單、投資少、見(jiàn)效快，是川東地區(qū)主力排水采氣工藝。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，固體棒狀起泡劑在不同的井況應(yīng)用效果不一樣，影響因素主要是井身結(jié)構(gòu)和起泡劑的重量、長(zhǎng)度。

2）通過(guò)受力分析提出固體起泡劑落入井底的首要條件，當(dāng)不關(guān)井加注起泡劑時(shí)需滿足固體起泡劑所受曳力小于本身重力。實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)氣井參數(shù)計(jì)算固體起泡劑所受曳力，進(jìn)而計(jì)算固體起泡劑的質(zhì)量，為選擇合適的起泡劑提供技術(shù)保障。

3）結(jié)合大斜度井、水平井井身結(jié)構(gòu)，建立固體起泡劑通過(guò)大斜度段時(shí)所需起泡劑極限長(zhǎng)度關(guān)系式。通過(guò)分析計(jì)算，認(rèn)為現(xiàn)有棒狀固體起泡劑長(zhǎng)度均能滿足川東地區(qū)大斜度井、水平井的投注要求。

4）水平井YH004-H2 井為一口氣水同產(chǎn)井，氣井連續(xù)帶水生產(chǎn)困難。通過(guò)分析計(jì)算，該井具備加注棒狀固體起泡劑的條件?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后日增產(chǎn)氣量0.7×104m3、產(chǎn)水量0.8 m3，泡排效果較好。

5）川東地區(qū)帶液生產(chǎn)困難的大斜度井、水平井較多，為實(shí)現(xiàn)不關(guān)井加注固體起泡劑，建議開展固體起泡劑優(yōu)化研究和相關(guān)試驗(yàn)，研制系列質(zhì)量的固體起泡劑，以適應(yīng)不同生產(chǎn)井況的需要，達(dá)到輔助氣井帶液生產(chǎn)的目的。