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）有限責任公司油氣勘探公司3.斯倫貝謝（中國）投資有限公司 4.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室

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，屬于致密氣項目。部分產(chǎn)水氣井在生產(chǎn)一段時間后，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；當氣量低于臨界攜液氣量時，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措施，具有簡單易行、經(jīng)濟性好、見效快的特點。目前國內不同區(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，投送方式又分為兩種：①使用6.35 mm同心毛細管從油管直接泵至井底；②套管（或油管）泵入靠自重到達井底[4-6]。第一種投送方式，使用同心毛細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)復雜，后期維保費用高。與之相比，第二種投送方式，地面泵入依靠自重到達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，但是不可避免地會對套管造成腐蝕，并且見效慢，同時由于不直觀，在泡排劑下行時間方面的研究很少，因而對泡排注劑之后關井時間的選擇具有一定的盲目性和隨機性。

井區(qū)無環(huán)空的積液氣井，無法從環(huán)空注泡排劑，只能從油管側注入，此時掌握注泡排劑的下行時間和擴散時間（二者之和為關井時間）就尤為重要。不同的學者通過一些研究得到了一些不同的結果，Solesa[7]認為泡排劑剛入井就會產(chǎn)生效果，Schinagl[8]和Bowman[9]認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]認為泡排劑的下行速度約為731 m/h，Nafis[12]通過壓差密度計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間與擴散時間的規(guī)律，從而相對準確地推斷出注泡排劑后的關井時間，為礦場提供了第一手數(shù)據(jù)，可以直觀指導并優(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

儲層流體在從地層進入井筒之后，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，借助天然氣的攪動作業(yè)形成大量低密度的含水泡沫，同時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，相當于降低了臨界攜液氣量[13-16]。

2 泡排劑下行時間與擴散時間判定方法

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（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等方式實時監(jiān)測氣井的生產(chǎn)狀態(tài)，并可自動生成相關報告。

圖1 延北項目數(shù)字化氣田技術流程與下步計劃圖

2.2 井身結構和泡排注劑系統(tǒng)

選用的研究井為139.7 mm套管內下入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 泡排劑下行時間及擴散時間

關于泡排劑下行時間，不同研究者采用不同的方法，Nafis[12]通過井底壓差密度計來觀測，Schinagl[8]通過井底壓力計和溫度計的變化來觀測。這些方法的優(yōu)點是取出計量工具后可以直觀觀察泡排劑的到達時間，但是費用高、準確度低、實時性差，并且仍然需要結合生產(chǎn)數(shù)據(jù)對下行時間進行具體分析。

X井區(qū)不具備大范圍采用井底壓力計和溫度計的條件，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間和擴散時間。該方法不需要額外增加儀器。具體操作步驟如下：準確記錄泡排劑剛開始泵入井口的時間作為T1，此時液態(tài)泡排劑進入環(huán)空，套壓輕微下降；泡排劑下行至井底積液位置之后，在氣流的攪動下，積液形成低密度的泡沫進入油管，油管內總液量增加，井口套壓上升、氣量下降，將氣量開始下降時的時間作為T2；隨著泡排劑與環(huán)空中的水不斷作用產(chǎn)生更多的泡沫進入油管，套壓會不斷上升，將套壓上升至最高點、即將開始下降時的時間作為T3，此時氣量會開始升高，溫度出現(xiàn)輕微波動。由上述定義的各個時間點可推出：泡排劑下行時間Td=T2-T1，擴散時間Tr=T3-T2（備注：擴散時間實際上指泡排劑遇水之后擴散加上反應時間，期間套壓上升、氣量下降），總關井時間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，從而計算出下行時間（Td）為 7 h，擴散時間（Tr）為2 h，需要的總關井時間（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構無環(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時的生產(chǎn)狀況下，泡排劑的下行時間（Td）為8 h，擴散時間（Tr）為3 h，需要的總關井時間（Tc）為11 h。

圖4 Y64-05井泡排前后生產(chǎn)曲線圖

3 泡排劑下行時間和擴散時間的影響因素探討

3.1 泡排劑下行時間和擴散時間統(tǒng)計

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，同時由于井斜的存在，泡排劑被泵入井筒之后不會將橫截面充填完全而下行，也不會像液滴在天然氣中自由墜落，而是如小溪狀細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)計了7井次（6口井）的泡排劑下行時間和擴散時間（表1）。

表1 7井次泡排劑下行時間和擴散時間統(tǒng)計表

根據(jù)7組數(shù)據(jù)，繪制出下行時間和井斜深之間的關系（圖5），可以看出：①同一口井Y64井在兩次注入泡排劑時的下行時間比較接近；②Y14-03井的下行時間最短、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，這樣泡排劑會在較短的時間到達液面位置；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。去掉最大下行時間，另6組數(shù)據(jù)求平均值結果為577 m/h，與Kelly、Shearer[10]以及Sean[11]的數(shù)據(jù)610 m/h很接近。

圖5 泡排劑下行時間和井深之間的關系圖

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，很接近。

圖6 關于泡排劑下行時間的不同研究結果對比圖

3.2 流道橫截面積對下行時間的影響

關于油管內徑對泡排劑下行時間的影響，業(yè)內存在不同的觀點，Sean Peyton[11]認為油管內徑對下行時間的影響相對較小，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，他認為油管直徑越大，泡排劑在油管內的下行時間越長，原因是：油管內徑越大，在油管壁上平鋪一層液膜需要的泡排劑越多，那么需要的時間就越長，導致下行時間越長。Nafis[12]使用壓差密度計對緩蝕劑的下行時間做了研究，發(fā)現(xiàn)油管內徑越大，緩蝕劑的下行速度越快，下行時間越短。同時Nafis的研究中也有個別例外現(xiàn)象，緩蝕劑在60.3 mm油管內下行時間比88.9 mm油管內短，和上述觀點相悖，Nafis認為這是數(shù)據(jù)缺乏導致的異常，同時他也解釋原因可能是內徑越大，緩蝕劑與內壁接觸面也越大，產(chǎn)生的吸附力越大，下行時間就越長。

如圖7所示為流道橫截面積（油管內徑）對下行時間的影響的7井次統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從圖中并未看到明顯的比例關系。但是剔除139.7 mm+73.02 mm的環(huán)空截面積6 747 mm2時的最小下行時間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間減小，與Nafis的結論一致。從環(huán)空注泡排劑和油管內注劑稍有不同，泡排劑可能在外側套管內壁下行，也有可能在內側油管外壁下行，尤其是環(huán)空截面積小的時候，泡排劑會在套管內壁和油管外壁均形成一層薄膜，導致下行速度小，花費的時間長。

圖7 泡排劑下行時間和流道橫截面積之間的關系圖（折算到3 000 m井深）

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

3.3 壓力對下行時間的影響

如圖9所示為壓力對下行時間的影響的7井次統(tǒng)計數(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系，可能是由于下行時間的影響因素較多，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 泡排劑下行時間和壓力之間的關系圖（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)計數(shù)據(jù)，這3組不同套壓區(qū)間內的套壓和下行時間分別取平均值并繪圖（圖10）。可見隨著壓力的增大，下行時間有稍微增大的趨勢，這主要是因為泡排劑黏度隨著壓力升高有增大的趨勢，與Nafis[12]關于壓力對緩蝕劑下行時間的影響結論一致。

圖10 泡排劑下行時間和壓力之間的關系圖（折算到3 000 m井深）

3.4 下行時間的其他影響因素

下行時間的其他影響因素[11]有泡排劑泵入速率（負相關）、溫度（負相關）、黏度（正相關）、井斜（正相關）、管壁粗糙度（正相關）、井深（正相關）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關系。

3.5 泡排劑擴散時間的影響因素

泡排劑沿著管壁下行至積液液面位置后會在積液中慢慢地擴散，直到泡排劑的濃度在積液中擴散均勻。在油管鞋附近，分散開的泡排劑會隨氣流的攪動形成低密度含水泡沫，含水泡沫沿著油管鞋進入油管，造成油壓的波動，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，溫度也會有所變化，表現(xiàn)為小幅度波動。擴散時間和井筒積液量、氣量、井底溫度有直接關系。選取前5組數(shù)據(jù)（同樣的環(huán)空）作泡排劑擴散時間與氣量的關系圖（圖11），并未看出擴散時間與氣量的直接關系。

圖11 泡排劑擴散時間和氣量之間的關系圖

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

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

4 實際應用

通過上述研究發(fā)現(xiàn)對于X井區(qū)平均井深，泡排劑的下行時間為6 h，加上泡排劑的平均擴散時間2.5 h，注入泡排劑后的關井時間至少需要保證8.5 h，對于水平井，其井斜更大，建議關井10 h以上。我們選取項目的一口井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)注泡排劑后關井時間為4 h的時候，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；注劑之后關井20 h的時候，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18 d（此時關井了，關井前氣量仍有4.2 104m3/d）。證明只有當關井時間符合我們的研究結論時，泡排作業(yè)才能發(fā)揮其應有的排水采氣效果，對現(xiàn)場很有指導意義。

5 結論

泡排作業(yè)注劑后，泡排劑沿著管壁在重力作用下下行，到達積液位置時擴散進井底積液，在天然氣流的攪動下形成低密度含水泡沫，降低了氣井的臨界攜液氣量而達到排液目的。對于油管注劑同時油管生產(chǎn)的間歇注劑氣井，如果關井時間不夠就開井，會造成泡排劑沒有到達積液位置或者沒有與積液充分擴散反應就隨氣流流出井筒，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。

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