超深負(fù)壓泡沫洗井工藝研究及現(xiàn)場實(shí)

PAGE超深負(fù)壓泡沫洗井工藝研究及現(xiàn)場實(shí)施塔里木油田公司開發(fā)事業(yè)部2010年12月目錄0項(xiàng)目背景 181技術(shù)難點(diǎn)及總體思路 191.1技術(shù)難點(diǎn) 191.2.總體思路 192技術(shù)方案 192.1泡沫液優(yōu)選 202.1.1泡沫基液選擇 202.1.2氣源選擇 212.1.3發(fā)泡劑篩選 212.1.4穩(wěn)泡劑篩選 232.1.5泡沫液密度 242.1.6優(yōu)選結(jié)果 242.2泡沫液在井筒中流動的相關(guān)參數(shù)計(jì)算 253實(shí)施情況 303.1泡沫洗井地面工藝 303.2實(shí)施效果 324經(jīng)濟(jì)效益 355社會效益 350項(xiàng)目背景塔里木油田是中國陸上最深油田，油田埋深深度一般4500～5800米，原始壓力系數(shù)1.01～1.05，屬于正常溫壓系統(tǒng)。受油田深度限制，為提高開發(fā)效益，充分利用天然能量等技術(shù)條件限制，油田60%左右的儲量采用天然能量開發(fā)；另外40%左右的儲量采用注水開發(fā)。即使注水開發(fā)的油藏，合理壓力保持程度設(shè)計(jì)為70～90%(不同油藏壓力保持程度不一致)。即塔里木注水開發(fā)單元的壓力系數(shù)一般為0.7～0.95左右。而地層水為高礦化度，地層水比重為1.12～1.17。因此，注水井在用油田產(chǎn)的地層水洗井時(shí)，必然對地層產(chǎn)生一個(gè)8～12MPa的壓差，洗井時(shí)洗井液漏失嚴(yán)重，導(dǎo)致二次污染，洗井作業(yè)效果差。以輪南油田2008年為例，采用常規(guī)注水井洗井方法，統(tǒng)計(jì)洗井16井次，二次污染9井次。針對這一問題，提出了低密度洗井液負(fù)壓洗井的思路，實(shí)現(xiàn)地層邊洗邊吐，改善洗井效果。

1技術(shù)難點(diǎn)及總體思路1.1技術(shù)難點(diǎn) 針對塔里木超深、低壓條件下，要改善洗井效果，主要存在三個(gè)方面的難點(diǎn)。第一是井筒密度下降的問題(井筒比重下降至0.7以下)，實(shí)現(xiàn)懸浮物返吐。第二是井深帶來的攜帶懸浮物問題，實(shí)現(xiàn)懸浮物帶得出。第三是返排時(shí)間問題。塔里木油田井深、井筒容積(7”1.2.總體思路塔里木油田先后做了大量的調(diào)研和礦場實(shí)驗(yàn)。2002年進(jìn)行了3井次的氣化水洗井，通過向處理后的地層水中加入氮?dú)庾鰹橄淳合淳?，但由于氮?dú)夂偷貙铀换旌希裁芏认陆涤邢薅慈〉蔑@著效果。2008年準(zhǔn)備用鉆井中使用的玻璃微珠洗井，但因成本太貴而未開展礦場實(shí)驗(yàn)。2009年在礦場實(shí)驗(yàn)水力噴射泵誘噴洗井，但存在如果水力噴射泵噴嘴太大，放大壓差作用小而達(dá)不到誘噴目的；如果水力噴射泵噴嘴太小，洗井壓差放大了，但水力噴射泵噴嘴經(jīng)常堵而未成果。2009年在調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了用泡沫液洗井的新思路并獲得了成果，解決了負(fù)壓下，注水井經(jīng)濟(jì)有效地洗井的難題。2技術(shù)方案泡沫是由空氣、泡沫基液形成的分散體系,其中的液體是連續(xù)相，氣體是不連續(xù)相。而泡沫基液一般是由水、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑(有時(shí)添加一定量膨潤土)按一定比例配制而成。泡沫生成條件，必須具有一定配比的發(fā)泡劑、液體等組份，以及發(fā)泡裝置。當(dāng)氣體進(jìn)入混有發(fā)泡的水溶液中，通過發(fā)泡裝置分散成小氣泡，被水溶液包圍的同時(shí)，氣泡界面的活性劑親水基朝向液相;疏水基伸向氣體內(nèi)部，按規(guī)律排列成界膜，此時(shí)泡沫由于浮力上升，當(dāng)溢出界面時(shí)，活性劑分子再次定向,于是形成了雙層活性劑水膜結(jié)構(gòu)的泡沫壁,使泡沫具有一定的穩(wěn)定性能。泡沫液的懸浮攜砂能力是洗井能否達(dá)到效果的重要指標(biāo)。懸浮性受靜切力影響,攜砂能力主要受動力和粘度的影響。經(jīng)過充分?jǐn)嚢璧呐菽谶\(yùn)動過程中，砂粒被氣泡承托著，砂粒要下沉，就要使氣泡變形，或擠出一條通道時(shí)才能發(fā)生。由于砂粒的質(zhì)量較輕，不可能使氣泡變形，或其質(zhì)量遠(yuǎn)小于氣液相之間的表面張力,因此,泡沫液體的懸浮能力很強(qiáng)。均勻的泡沫是乳白色不透明的,泡沫液的粘度比水高,只要有足夠的流量，泡沫液很容易將砂粒攜帶出井筒。由于泡沫的存在阻止了水的濾失，因此,泡沫液具有很好的防濾失作用,相同條件下,其濾失量比清水要小得多。泡沫直徑越小，液體的濾失量越小。泡沫進(jìn)入產(chǎn)層巖石孔隙，壓力變化時(shí)氣體可能會膨脹，能防止流體的繼續(xù)進(jìn)入，減少進(jìn)入產(chǎn)層的流體數(shù)量。2.1泡沫液優(yōu)選2.1.1泡沫基液選擇陸上油田基液一般有兩種，即地層水和清水。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，清水配制泡沫液不僅發(fā)泡體積大，泡沫半衰期長等優(yōu)點(diǎn)，而且與污水接觸時(shí)界面穩(wěn)定。地層水礦化度高達(dá)15～25×104PPa，在選用了10種泡沫液均存在著發(fā)泡少，泡沫不穩(wěn)定，半衰期短等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是選用清水做為基液進(jìn)行配制。圖1：清水、污水配制泡沫液結(jié)果圖2.1.2氣源選擇生成泡沫流體的氣體主要有空氣、天然氣、氮?dú)?、二氧化碳等?？諝夂吞烊粴饩嬖趤碓捶奖愕膬?yōu)勢，但洗井施工的井場均靠近油氣井或油氣處理裝置，存在天然氣爆炸、燃燒等危險(xiǎn)，因此未選用。氣體可以是空氣或天然氣。而氮?dú)獍踩珶o毒,可以防止天然氣與空氣混合后的爆炸危險(xiǎn)，排出液中氮?dú)獠恍杼幚怼Ｖ饕秉c(diǎn)是需要專用液氮車運(yùn)輸或制氮設(shè)備生產(chǎn),需要專用泵入設(shè)備。目前油田制氮車技術(shù)已經(jīng)成熟配套，而且成本已經(jīng)大幅度下降。因此，塔里木泡沫洗井的氣源選擇為氮?dú)狻?.1.3發(fā)泡劑篩選國內(nèi)外發(fā)泡劑的種類較多，包括陰離子型發(fā)泡劑、陽離子型發(fā)泡劑、非離子型發(fā)泡劑和兩性發(fā)泡劑。發(fā)泡劑的性能評價(jià)方法很多，筆者采用WaringBlender法，該方法所用藥品少，實(shí)驗(yàn)周期短，使用條件不受限制，操作簡單，測試速度快，容易掌握和推廣，可作為標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)方法之一。在室溫條件下,將配好的溶液倒入WaringBlender攪拌器中攪拌1分鐘(轉(zhuǎn)速控制在三擋)。把生成的泡沫倒入500ml大量筒中。從倒入時(shí)開始記時(shí)并記下泡沫的初始體積,當(dāng)量筒底部有50ml溶液生成時(shí)停止記時(shí)。記下這段時(shí)間,這就是泡沫的半衰期。在其它實(shí)驗(yàn)條件不變下,把溫度提高到60℃,仍按以上步驟操作,表1：發(fā)泡劑發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性(濃度0.5)發(fā)泡劑種類代號發(fā)泡體積半衰期非離子型F-A3505.76陽離子型Y-A9156.82Y-B7025.81Y-C7954.42Y-D7153.95陰離子型Z-A11207.92Z-B10406.53Z-C8105.43Z-D5312.48兩性離子L-A6807.10L-B5506.21從表中數(shù)據(jù)可以看出，Z－A陰離子型發(fā)泡效果好于其他發(fā)泡劑，筆者以后就采用該發(fā)泡劑進(jìn)行研究，主要研究了濃度，溫度等對發(fā)泡劑性能影響，其結(jié)果是。圖1：發(fā)泡劑不同濃度下發(fā)泡體積圖2：發(fā)泡劑不同濃度對泡沫穩(wěn)定性的影響由圖1可以看出，起泡劑要超過一定的濃度后才能發(fā)揮作用。濃度太低,不能達(dá)到起泡的目的。當(dāng)超過這一濃度值后,隨著起泡劑濃度的增加,產(chǎn)生泡沫的體積也隨之增加,且增加趨勢明顯。當(dāng)濃度達(dá)到一定值后,體積不再增加或增加趨勢明顯減慢。所選用的Y—A型最佳濃度為0.5%。由圖2可見，發(fā)泡劑的濃度對溶液的發(fā)泡能力和泡沫的穩(wěn)定性影響很大，隨發(fā)泡劑含量的增加，發(fā)泡劑穩(wěn)定性增加，但當(dāng)達(dá)到一定濃度后，半衰期又逐步下降并趨于穩(wěn)定。所選用的Y-A型發(fā)泡劑最穩(wěn)定時(shí)濃度為0.6%，此時(shí)半衰期達(dá)到8.3min以上的最大值。2.1.4穩(wěn)泡劑篩選發(fā)泡劑+水體系產(chǎn)生的泡沫不夠穩(wěn)定，泡沫液分容易破裂，需加入穩(wěn)定劑提高泡沫的穩(wěn)定性。泡沫穩(wěn)定劑按照作用方式可分為兩類:第一類是增強(qiáng)吸附作用的穩(wěn)泡劑。這類穩(wěn)泡劑作為一種活性物質(zhì)加入起泡液中,通過協(xié)同作用增強(qiáng)表面吸附分子間的相互作用,使表面吸附膜強(qiáng)度增大,提高薄膜的質(zhì)量,增加薄膜的彈性,減小泡沫的透氣性,從而提高泡沫的穩(wěn)定性。第二類穩(wěn)泡劑是增粘性穩(wěn)泡劑,主要是通過提高液相粘度來減緩泡沫的排液速率,提高泡沫的穩(wěn)定性,因而可以明顯延長泡沫的半衰期。研究時(shí)選用了W－A、W-B、W-C三種穩(wěn)泡劑進(jìn)行篩選，篩選結(jié)果如圖所示?？梢奧－A型穩(wěn)泡劑是比較理想的穩(wěn)泡劑。其半衰期在0.6%的濃度下可以達(dá)到250分鐘，可以滿足泡沫洗井時(shí)返排需要。圖3：穩(wěn)泡劑不同濃度對泡沫穩(wěn)定性的影響2.1.5泡沫液密度用密度為1.0kg/m3的清水做為基液配制泡沫液，泡沫液密度在0.3～0.9g/cm3之間調(diào)整十分容易,甚至還可更低(其密度可由注入氣量大小來調(diào)整)。塔里木油田地層壓力系數(shù)0.7～0.9g2.1.6優(yōu)選結(jié)果經(jīng)過優(yōu)選，初步形成了礦場實(shí)驗(yàn)用的泡沫體系。優(yōu)選結(jié)果見表3。表3泡沫洗井相關(guān)藥劑及泡沫液性能表基液清水氣源氮?dú)獍l(fā)泡劑Y-A穩(wěn)泡劑W-A外觀淡黃色均勻流體PH值6～8屬性性能參數(shù)屬性性能參數(shù)與酸液配伍性無沉淀無分層泡沫半衰期min8.3min與鹽水配伍性無沉淀無分層穩(wěn)泡劑半衰期min300min清水起泡能力1120mL懸浮能力比水大10～100倍污水起泡能力138mL耐高溫性℃150毒性無毒抗濾失性好生物降解性易于降解金屬腐蝕性<0.076mm/a2.2泡沫液在井筒中流動的相關(guān)參數(shù)計(jì)算泡沫流體是可壓縮非牛頓流體，并廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)中各個(gè)領(lǐng)域，其中泡沫流體沖砂洗井技術(shù)較為成熟。為了確定泡沫在井筒及環(huán)空中的壓力分布，最常用的是高度增量壓力迭代法。此方法基于機(jī)械能守恒方程，將井筒分為若干井段，通過適當(dāng)假設(shè)，以Berthelot第二維里系數(shù)完善泡沫的狀態(tài)方程，采用Runge-Kutta方法進(jìn)行求解，得到泡沫流體在井筒中流動的壓力及其他參數(shù)的分布。此方法較上述方法簡單，計(jì)算量小，對實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。1基本假設(shè)泡沫在管內(nèi)流動過程中流動參數(shù)的影響因素很多，為便于研究，作以下假設(shè)：1）用于計(jì)算的泡沫流體看作單相流體，流動為均相流，即忽略氣液兩相間的相對運(yùn)動；2）泡沫在流動過程中的壓縮性僅取決于氣體的壓縮性質(zhì)，氣相、液相與固相之間不存在互溶現(xiàn)象，泡沫質(zhì)量僅取決于壓力和溫度的變化；3）流動過程為穩(wěn)定絕熱過程，溫度由地面溫度和地溫梯度確定；4）流動過程中的摩擦損失項(xiàng)的確定取決于泡沫流體的流變模式。3數(shù)學(xué)模型泡沫流體在井筒內(nèi)流動的動量方程采用機(jī)械能守恒方程，表達(dá)式為(1)其中，P為總壓，Pa；為泡沫密度，kg/m3；U為流速m/s；f為摩阻系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；為當(dāng)量直徑，m；為管路傾斜角度，(°)。計(jì)算=90°。從上式可以看出，該方程包括4項(xiàng)，分別為總壓梯度、加速度壓力梯度、摩阻壓力梯度和重力壓力梯度。4.1泡沫密度與泡沫質(zhì)量定義氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為單位質(zhì)量泡沫體系中氣體所占的分?jǐn)?shù)，并假設(shè)流動過程中該值保持不變。其表達(dá)式為(2)根據(jù)氣體狀態(tài)方程，氣體的比容為(3)則泡沫體系的比容可以定義為(4)則泡沫密度的表達(dá)式為(5)其中，M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；為泡沫基液比容，m3/kg；Z為氣體壓縮因子；R為氣體通用常數(shù)，8.314J/（mol·k）.泡沫質(zhì)量的定義為泡沫體系中氣體的體積分?jǐn)?shù)，表達(dá)式為(6)結(jié)合式(2)、(3)、(5)、(6)可得到泡沫質(zhì)量與溫度、壓力的關(guān)系式為(7)從上式可以看出，由于流動過程中不變，則可根據(jù)溫度和壓力得到任何流動截面的泡沫質(zhì)量，從而可通過Sanghani和Ikoku的回歸數(shù)據(jù)獲得泡沫的流變參數(shù)。4.2壓縮因子氣體壓縮因子表征實(shí)際氣體可壓縮的難易程度，計(jì)算式多為基于對比態(tài)原理的經(jīng)驗(yàn)公式，包括維里狀態(tài)方程和立方型狀態(tài)方程。考慮到本文算法中需要對該參數(shù)進(jìn)行微分，則選取形式較為簡單的維里狀態(tài)方程(8)式中，B為第二維里系數(shù)，采用Berthelot方程確定，表達(dá)式為(9)其中，為氣體臨界溫度，K；為氣體臨界壓力，Pa。5摩阻系數(shù)要計(jì)算摩阻壓力梯度，需要獲得摩阻系數(shù)。通過理論分析，摩阻系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)，泡沫流體的雷諾數(shù)表達(dá)式為(10)其中，K為稠度系數(shù)，Pa·sn；n為流變指數(shù)；對于油管為油管直徑，m；對于環(huán)空為套管直徑與油管直徑之差，m。若為層流流動，油管內(nèi)的摩阻系數(shù)為(11)環(huán)空內(nèi)的摩阻系數(shù)為(12)若流動為紊流流動，則摩阻系數(shù)采用修正的Blasius公式(13)(14)(15)采用4階Runge-Kutta數(shù)值計(jì)算方法求解，它具有5階精度，且編程方便，將上述各式編作為一個(gè)函數(shù)文件多次調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)。以泡沫流體沖砂洗井正循環(huán)過程為例。1）若已知油管井口參數(shù)，那么計(jì)算方向則與泡沫的流動方向相同，以獲得環(huán)空井口參數(shù)，則構(gòu)造函數(shù)為(16)2）若已知環(huán)空井口參數(shù)，那么計(jì)算方向則與泡沫的流動方向相反，為井口參數(shù)設(shè)計(jì)過程，則構(gòu)造函數(shù)為上式右端取負(fù)(17)6程序簡介及計(jì)算結(jié)果該計(jì)算程序采用VisualBasic語言編寫，主要功能簡單實(shí)用，軟件界面見圖4、圖5。主要功能為：在注入氣量一定、不同的泡沫液注入速度的情況下，計(jì)算泡沫流體在井筒中的壓力、密度的分布情況，以此來計(jì)算能夠產(chǎn)生負(fù)壓情況下的井口極限注入速度和壓力。圖4：軟件主要界面圖5：軟件主要界面2該軟件不僅可以直接顯示計(jì)算結(jié)果及圖形，還可以將計(jì)算的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，與不同參數(shù)情況下計(jì)算結(jié)果對比。井深為4800m為例，注入壓力為10MPa，氮?dú)鈽?biāo)況（1atm，20℃）排量為850m3/h，基液排量分別以10m3/h、12m3/h、14m3/h、16m圖6泡沫流體的壓力隨井深的變化圖7泡沫流體的密度隨井深的變化泡沫基液排量越大，則泡沫質(zhì)量越小，泡沫液密度越大。隨著泡沫基液排量增加，泡沫液密度增大，壓力上升。壓力的變化同時(shí)影響了泡沫密度與泡沫質(zhì)量的變化。同時(shí)，注入壓力的變化將直接影響到井底壓力的變化。通過不同氣液比，不同注入壓力，在保障井底壓力小于地層壓力(輪南油田TI油組43.25MPa)的情況下，計(jì)算出合理的泡沫洗井參數(shù)，見表4。井口注氣量（m3/h）850850850850850850井口注入液量（m3/h）101112131415氣液比857771656157井口最大注入壓力（MPa）13.112.51211.611.311計(jì)算井底壓力（MPa）43.2143.1543.1143.1343.2143.223實(shí)施情況3.1泡沫洗井地面工藝為方便施工，設(shè)計(jì)了如下工藝流程，見圖8。將配制好的泡沫液通過泵車(水泥車)和制氮車進(jìn)入泡沫發(fā)生器，產(chǎn)生泡沫后的液體進(jìn)入采油樹進(jìn)行洗井，井口排出的洗井液經(jīng)過節(jié)流管匯后，進(jìn)入地面罐口，加入消泡劑后由罐車?yán)\(yùn)至環(huán)保池。為便于井底贓物的沖洗和攜帶，采用正洗工藝(油管進(jìn)，套管出)。整個(gè)工藝流程、管件用卡箍連接。圖8氮?dú)馀菽褐谱骱拖淳に嚵鞒痰孛媾菽l(fā)生器是負(fù)壓泡沫洗井的配套工具。結(jié)構(gòu)示意圖見圖9，主要由進(jìn)液管、配氣管、進(jìn)氣口、母管、螺旋攪拌塊、排出口等組成。洗井的泡沫液由動力車泵送至泡沫發(fā)生器,在泡沫發(fā)生器內(nèi)泡沫液與氮?dú)饣旌?經(jīng)過泡沫發(fā)生器時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流和多次旋轉(zhuǎn),將氣體破碎成微小直徑的氣泡。氣體被粉碎成微小氣泡與水混合,攪拌過程越長、切割次數(shù)越多、渦流越強(qiáng)烈、泡沫越均勻、氣泡直徑越小、泡沫液體越穩(wěn)定?；旌弦撼嗜榘咨呐Ｄ虪钜后w,肉眼看不到氣泡。圖9地面泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖該洗井工藝具有如下特點(diǎn)：1、設(shè)備撬裝化。全部設(shè)備采用撬裝式,設(shè)備輕、占地面積小、穩(wěn)定性好、吊運(yùn)方便。2、全密閉循環(huán)。工藝流程采用全密閉，實(shí)現(xiàn)了液不落地，油不排空的環(huán)保要求。3、安全可靠。全套設(shè)備均采用成熟的設(shè)備組合而成，在安全、自控、環(huán)保等方面均達(dá)到油田相關(guān)要求。采用制氮車配制泡沫，更是安全的雙保險(xiǎn)。2010年3月，優(yōu)化了施工步驟。泡沫洗井施工前擠入一定量的前置液疏通射孔段炮眼，便于負(fù)壓返排。當(dāng)泡沫洗井洗通后，關(guān)井燜井，觀察油套壓變化情況，如套壓變化較緩慢則可繼續(xù)泡沫洗井，如此循環(huán)2-3次，洗井效果更好。3.2實(shí)施效果2009年10月28日，負(fù)壓泡沫洗井工藝首次在LN2-4-2井實(shí)施，該井井身結(jié)構(gòu)為7”套管(井身結(jié)構(gòu)圖)，27/8”油管。注水井段4739.0～4745.0、4748.0～4755泡沫液體系：Y-A發(fā)泡劑0.5%+W-A穩(wěn)泡劑0.6%清水配制+制氮車注氮?dú)?。配?20方，注入120泡沫液。施工工藝為正洗，施工時(shí)間14小時(shí)，返出污水及泡沫液400方，說明已達(dá)到地層返吐的目的，洗井后在注水量穩(wěn)定的情況下，井口注水壓力由施工前的12.5MPa下降到0.0MPa，吸水指數(shù)由8.4m3/(d·Mpa)上升到23.3m3/(d·Mpa），洗井圖10LN2-4-2井洗井前后注水曲線洗井洗井表5LN2-4-2井洗井前后效果表項(xiàng)目注水量(m3/d)井口注水壓力(MPa)井底流壓(MPa)地層壓力(MPa)吸水壓差(MPa)吸水指數(shù)(m3/d/MPa)洗井前18512.565.543.522.08.4洗井后1860.051.643.58.123.0差值1-12.5-13.90-13.914.6負(fù)壓泡沫洗井工藝自2009年10月實(shí)施以來，共洗井21井次，洗井效果成功率100%。洗井后視吸水指數(shù)均有不同程度的提高。統(tǒng)計(jì)21井次，洗井前平均注水量154方/天，洗井后增注有效期內(nèi)平均注水量247方/天,日平均增注93方/天，增注有效期82天，有效期內(nèi)累計(jì)注水13.31萬方，洗井增注效果堪比基質(zhì)酸化效果。詳見表6。2010年注水井酸化井次為7井次，較2009年減少7井次，大大節(jié)約了酸化成本。表62009-2010年輪南油田泡沫洗井效果表序號井號洗井日期日注量（m3/d)增注量（m3/d)有效期（天）平均日增注（m3）有效期累注（m3）有效期累計(jì)增注（m3）備注洗井前洗井后1LN2-4-22009-10-2913818042250424137568752LN2092009-11-21276330543654104244883LN2102009-12-25217237205201132475天后酸化4LN2092010-3-13147277130621301715580415LN2-34-32010-4-13706312618726154930227406LN2-5-152010-4-515335320023420075828400267LN2-3-152010-4-101532055255521129628818LN2-1-18H2010-4-141651751086101