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        某氣井產(chǎn)出液發(fā)泡原因分析及對(duì)策

        2023-11-24 07:37:32李靜
        石油石化綠色低碳 2023年5期

        李靜

        (中國(guó)石油西南油氣田分公司,四川遂寧 629000)

        某含硫井站日產(chǎn)氣約10×104m3,日產(chǎn)水約3 m3。該井產(chǎn)氣、水經(jīng)井口節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入水套爐加熱,加熱后經(jīng)二級(jí)節(jié)流,通過單井采氣管線D88.9×6.3~4.4混輸至下游集氣站,生產(chǎn)過程中產(chǎn)出大量白色泡沫,如圖1所示。泡沫流動(dòng)性較差,導(dǎo)致產(chǎn)出液分離、裝卸困難甚至堵塞管路,轉(zhuǎn)水井站不接受含污物較多的產(chǎn)出液致井站關(guān)井,造成一定的經(jīng)濟(jì)損失并存在安全隱患。因此對(duì)產(chǎn)出液發(fā)泡原因進(jìn)行分析,制定針對(duì)性解決措施,為井站的安全平穩(wěn)生產(chǎn)提供保障。

        圖1 井站生產(chǎn)過程中出現(xiàn)白色泡沫

        1 發(fā)泡原因分析

        針對(duì)產(chǎn)出液發(fā)泡現(xiàn)象,從鉆井試油、產(chǎn)出液組分、地面集輸工藝三方面進(jìn)行分析,以明確產(chǎn)出液發(fā)泡原因。

        1.1 鉆井試油情況

        該井站試油改造液主要使用酸液體系,依靠酸液的水力和溶蝕作用將地層裂縫撐開、加寬并延伸到遠(yuǎn)處;同時(shí)通過酸巖反應(yīng)改善滲流狀況、提高地層導(dǎo)流能力,從而提高氣井產(chǎn)量[1]。試油改造時(shí)共注入井筒2 000余方酸液(膠凝酸為主)和40方降阻液,截止到試油結(jié)束排液513.5方,返排率為23.85%,具體情況如表1所示。

        表1 該井站試油改造情況

        由于試油階段的大量入井液在投產(chǎn)前未排出,較大概率會(huì)在投產(chǎn)后返排至地面,其中有起泡功能的添加劑可能在返排地面時(shí)造成乳化、泡沫情況。

        1.2 產(chǎn)出液組分分析

        產(chǎn)出液水樣振蕩后有明顯的起泡現(xiàn)象。

        1.2.1 常見陽(yáng)離子含量分析

        根據(jù)《水質(zhì) 鈣和鎂的測(cè)定 原子吸收分光光度法》(GB/T 11905-1989)、《水質(zhì) 鉀和鈉的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 11904-1989)、《水質(zhì) 鐵、錳的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 11911-1989)、 《水質(zhì) 鋇的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法;》(HJ603-2011),分別測(cè)定K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Sr2+等含量,測(cè)定結(jié)果如表2所示,產(chǎn)出液中陽(yáng)離子以Ca2+、Mg2+為主,且濃度較高,易結(jié)垢沉淀。

        表2 水樣陽(yáng)離子組成表 mg/L

        1.2.2 常見陰離子含量分析

        根據(jù)《水質(zhì) 氯化物的測(cè)定 硝酸銀滴定法》(GB/T 11896-1989)、《水質(zhì) 硫酸鹽的測(cè)定 鉻酸鋇分光光度法(試行)》(HJ/T 342-2007)、《地下水質(zhì)檢測(cè)方法 滴定法測(cè)定碳酸根、重碳酸根和氫氧根》(DZ-T 0064.49-93)、《水質(zhì) 硫化物的測(cè)定 碘量法》(HJ/T 60-2000)進(jìn)行水質(zhì)陰離子指標(biāo)測(cè)定,測(cè)得結(jié)果如表3所示,產(chǎn)出液中陰離子以Cl-為主。

        表3 水樣陰離子組成 mg/L

        參照《油田注入水細(xì)菌分析方法絕跡稀釋法》(SY/T 0532-2012)進(jìn)行腐生菌、硫酸鹽還原菌與鐵細(xì)菌計(jì)數(shù),測(cè)定結(jié)果表4所示,產(chǎn)出液中細(xì)菌以腐生菌為主。

        表4 產(chǎn)出液水樣細(xì)菌含量 個(gè)/mL

        1.2.3 GC-MS分析

        將水樣的油相進(jìn)行GC-MS分析(7890AGC-5975CMS),過程、數(shù)據(jù)處理結(jié)果分別如圖2、3所示。

        圖2 油相萃取

        圖3 油相GC-MS結(jié)果

        其中,相對(duì)含量最多的是月桂基二甲基氧化胺(53.64%),相對(duì)含量第二的是十二烷基三甲基溴化銨(9.4%)。

        1.2.4 表面活性劑含量測(cè)定

        利用表面張力儀進(jìn)行測(cè)定,判斷離子類型,然后測(cè)定其相對(duì)含量。

        將0.1 g待測(cè)水樣稀釋后加入溴酚藍(lán)和碳酸鈉,混勻后加入苯,振蕩?kù)o置分層,參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析法》(第三、四版),對(duì)試樣中陽(yáng)離子表面活性劑含量進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果如表5所示,具有加強(qiáng)的起泡性能。

        表5 表面活性劑檢測(cè)結(jié)果

        以上檢測(cè)分析結(jié)果表明,返排液中的月桂基二甲基氧化胺和十二烷基三甲基溴化銨兩種物質(zhì)可能是誘發(fā)起泡的主要原因(月桂基二甲基氧化胺主要用于餐具洗滌劑及工業(yè)液體漂白劑,有增泡穩(wěn)泡作用,是合成兩性表面活性劑的原料;十二烷基三甲基溴化銨在工業(yè)中常用作表面活性劑)。

        1.3 地面集輸工藝

        該井所產(chǎn)氣、水通過單井采氣管線混輸至下游集氣站,混輸天然氣在下游集氣站經(jīng)分離計(jì)量后(目前該集氣站只有該井來(lái)氣),分離氣田水通過自動(dòng)排液系統(tǒng)進(jìn)入計(jì)量后端與天然氣混合,通過集氣干線混輸至集氣末站,與其它干線來(lái)氣及單井來(lái)氣混合后,經(jīng)生產(chǎn)分離器分離,進(jìn)入凈化廠凈化裝置。

        該集氣站分離器為臥式重力分離器(P9.9-DN1000),其利用重力作用使液滴從氣流中分離出從而實(shí)現(xiàn)氣液分離[2]。分離器中氣流水平流速必須小于液滴沉降速度,氣流到達(dá)分離器出口管之前,要有足夠時(shí)間使其攜帶的液滴從氣流中分離,因此普通臥式重力分離器對(duì)泡沫和粒徑較小的液滴重力分離能力較弱,必須依賴分離器中的特殊構(gòu)件,如高效除沫器、高效捕霧器等才能有效攔截。該集氣站應(yīng)用的為未基于分離泡沫需求進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)的分離器,不能有效攔截泡沫和粒徑較小的液滴,導(dǎo)致其可能越過分離器進(jìn)入下游流程。

        2 消泡方式對(duì)比

        泡沫是許多氣泡被液體分隔開的多項(xiàng)分散體系[3],泡沫的存在會(huì)影響生產(chǎn)過程的工序控制,引起設(shè)備內(nèi)部液位虛高,導(dǎo)致氣相攜帶液相進(jìn)入增壓機(jī)或天然氣凈化系統(tǒng)等,造成裝置停運(yùn)、引起經(jīng)濟(jì)損失[4]。目前國(guó)內(nèi)外常見的消除泡沫的方式包括物理消除法和化學(xué)消除法。物理消除法包括放置擋板濾網(wǎng)、靜電、冷凍、加熱、高速離心、高頻振動(dòng)、加壓減壓、超聲波法;化學(xué)消除法包括化學(xué)反應(yīng)、投加消泡劑。各類方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表6,其中加注消泡劑法具有破泡速率快、抑泡時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)生產(chǎn)過程無(wú)影響、試用范圍廣、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),是各行業(yè)應(yīng)用最廣泛的消泡方法[5-6]。油氣生產(chǎn)中一般會(huì)采取加注消泡劑等方式[7]。

        表6 國(guó)內(nèi)外常見的泡沫消除方法對(duì)比

        表7 消泡劑FG-1和CT5-10實(shí)驗(yàn)效果

        3 室內(nèi)消泡評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

        3.1 起泡性能測(cè)試

        取100 mL水樣,11 000 r/min高速攪拌之后,泡沫初始體積達(dá)290 mL;3 min自然消泡后泡沫體積為250 mL,即水樣發(fā)泡力和穩(wěn)泡性均較好。

        3.2 消泡劑優(yōu)選

        目前消泡劑種類主要包括脂肪類、聚醚型、有機(jī)硅型、聚醚改性有機(jī)硅型[8-10]。積極調(diào)研目前市場(chǎng)上常用的消泡藥劑并開展室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)能起到消泡作用的消泡劑為FG-1、CT5-10。分別取100 ml水樣,依次加入消泡劑FG-1和CT5-10,攪拌后均勻分散,無(wú)沉降和分層。將加有消泡劑的水樣在11 000 r/min下高速攪拌,觀察泡沫高度。實(shí)驗(yàn)效果如下表所示,即CT5-10消泡率略高于FG-1。最終選用CT5-10開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,并推薦用量為0.2%。

        3.3 管輸消泡模擬試驗(yàn)

        通過建立管輸模擬裝置,研究消泡劑在管輸狀態(tài)下,其抑制消泡時(shí)間是否會(huì)有所變化。

        管輸模擬裝置如圖4所示,采用DN80mm的鋼管模擬管輸狀態(tài),采用空壓機(jī)模擬天然氣,在清水中加入起消泡劑模擬加注了消泡劑的氣井產(chǎn)出液。在忽略流體粘度差的前提下,根據(jù)動(dòng)力學(xué)相似,雷諾數(shù)相等原則模擬現(xiàn)場(chǎng)工況,可推導(dǎo)出該試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工況的相似原理公式:

        圖4 試驗(yàn)裝置示意

        式中:V1為試驗(yàn)管道流速,m/s;V2為實(shí)際管道流速,m/s;D1為實(shí)驗(yàn)管路管徑,mm;D2為工業(yè)管路管徑,mm。

        根據(jù)調(diào)研情況,實(shí)際管道流速在3~6 m/s范圍,試驗(yàn)管路與工業(yè)管道管徑比值介于0.8~1之間。根據(jù)相似原理公式,試驗(yàn)管路流速應(yīng)控制在2.4~6 m/s。

        實(shí)驗(yàn)步驟為:

        1)打開空壓機(jī)及水泵,流速控制在2.4~6 m/s,工況條件下實(shí)際氣液比控制在320︰1;

        2)在液體儲(chǔ)罐中加入起泡劑和消泡劑;

        3)在水平觀察段觀察管流下的起泡情況;

        4)在液體儲(chǔ)罐中加入消泡劑;

        5)在水平觀察段觀察管流情況下的消泡情況;

        6)在液體循環(huán)運(yùn)行15 min、30 min和1 h后,分別在裝置末端取水樣進(jìn)行起消泡性能分析。

        根據(jù)試驗(yàn)步驟,在水平觀察段中分別觀察到管流情況如圖5所示。

        圖5 消泡劑加注前后管流情況

        由圖5可知,在模擬裝置中能有效模擬實(shí)際管道中氣體攪動(dòng)造成起泡的現(xiàn)象,且消泡劑效果顯著。

        在循環(huán)運(yùn)行一段時(shí)間后取樣,使用高速攪拌機(jī)在11 000 r/min條件下攪動(dòng)樣品1 min,評(píng)價(jià)其起消泡性能。實(shí)驗(yàn)表明,在管流攪動(dòng)條件下,樣品起消泡性能在1 h內(nèi)無(wú)明顯變化,消泡率95.2%。

        4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        4.1 消泡控制指標(biāo)

        結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,確定消泡控制指標(biāo)如表8所示。

        表8 消泡效果要求

        4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

        該井站無(wú)分離器,氣液混輸至下游集氣站進(jìn)行氣液分離并計(jì)量,后氣液再次混輸至下游集氣末站,井站內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)藥劑加注泵,均可通過一級(jí)節(jié)流閥前端抗硫測(cè)溫套直接向流程加注藥劑。

        2020年7月3日開始,在井口向集輸管線加注消泡劑(50 kg/d),同時(shí)在集氣站加注消泡劑(50 kg/d)并在分離器取樣觀察泡沫情況

        2020年7月5~8日,每天19:00集氣站分離器所取產(chǎn)出液樣外觀為白色均相流體(少量黑色漂浮),流動(dòng)性好,有少量泡沫,靜止放置2 min內(nèi)自行消泡。對(duì)其二次起泡性能評(píng)價(jià)滿足指標(biāo)要求,具體如表9、圖6所示。

        圖6 試驗(yàn)前后集氣站分離器水樣對(duì)比

        2020年7月9日對(duì)北3集氣站至集氣末站管線實(shí)施清管作業(yè),共收集污水34 m3,污物0.1 kg。打開盲板后管內(nèi)殘液未見泡沫,如圖7所示。收液過程中從排污管道壓力表泄壓口取樣,裝滿取樣杯后,二分之一為泡沫,靜置2 min泡沫自然消除具體指標(biāo)詳見表9,樣液變化見圖8,滿足指標(biāo)要求。

        圖7 清管后管道無(wú)泡沫

        圖8 清管收集產(chǎn)出液樣初始(左)、靜置2 min(右)狀態(tài)

        現(xiàn)有的消泡方案能滿足該井產(chǎn)出液充分消泡并實(shí)現(xiàn)氣液有效分離的要求,分離后的氣井產(chǎn)出液流動(dòng)性好,二次起泡能力弱,實(shí)現(xiàn)了正常生產(chǎn)。

        5 結(jié)論及建議

        5.1 結(jié)論

        現(xiàn)階段快建快投,氣井投產(chǎn)前返排率低,大量入井液存留在近井地層中,在投產(chǎn)初期隨氣產(chǎn)出進(jìn)入生產(chǎn)流程;而試油期間為滿足工藝需求,主要使用的轉(zhuǎn)向酸和膠凝酸都含有易致泡組分,可能造成氣井產(chǎn)出液起泡。氣井產(chǎn)出液形成的泡沫、微小液滴,可能會(huì)越過分離器進(jìn)入溶液系統(tǒng),影響正常生產(chǎn)。

        5.2 建議

        為適應(yīng)開發(fā)現(xiàn)狀,確保區(qū)塊安全、高效開發(fā),建議抓好以下幾個(gè)方面:

        5.2.1 控制污染源頭

        (1)氣井產(chǎn)出液起泡預(yù)防

        在滿足試油改造工藝需求(如助排劑提高工作液的返排率、轉(zhuǎn)向劑使工作液變粘轉(zhuǎn)向等)的前提下,探索使用低致泡性添加劑的可行性。

        (2)氣井產(chǎn)出液治理措施

        針對(duì)目前試油改造液用量大,大量入井工作液未能在投產(chǎn)前全部排出的情況,建議在氣井投產(chǎn)初期增加臨時(shí)的消泡和分離環(huán)節(jié)??稍趩尉谞t后端管線上加注消泡劑,在集氣站進(jìn)行再次消泡,從源頭控制氣井產(chǎn)出液可能帶來(lái)的污染問題。

        5.2.2 切斷污染途徑

        調(diào)研得知,部分廠家的分離器具有分離泡沫和段塞流捕集功能??稍诮窈笱芯拷⒎蛛x器通用測(cè)試平臺(tái),對(duì)各類分離器或除沫、段塞流捕集構(gòu)件進(jìn)行全尺寸或相似縮小的試驗(yàn)研究,以便優(yōu)化選擇消泡、除水效率高,分離精度高,穩(wěn)定性強(qiáng)的分離器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行,從而解決氣井產(chǎn)出液起泡后大量泡沫進(jìn)入分離器后不能有效攔截的問題。

        5.2.3 優(yōu)化生產(chǎn)組織管理

        建議適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)試后排液時(shí)間,盡量減少試油改造液在地層的殘留。

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