超深负压泡沫洗井工艺研究及现场实

PAGE超深负压泡沫洗井工艺研究及现场实施塔里木油田公司开发事业部2010年12月目录0项目背景 181技术难点及总体思路 191.1技术难点 191.2.总体思路 192技术方案 192.1泡沫液优选 202.1.1泡沫基液选择 202.1.2气源选择 212.1.3发泡剂筛选 212.1.4稳泡剂筛选 232.1.5泡沫液密度 242.1.6优选结果 242.2泡沫液在井筒中流动的相关参数计算 253实施情况 303.1泡沫洗井地面工艺 303.2实施效果 324经济效益 355社会效益 350项目背景塔里木油田是中国陆上最深油田，油田埋深深度一般4500～5800米，原始压力系数1.01～1.05，属于正常温压系统。受油田深度限制，为提高开发效益，充分利用天然能量等技术条件限制，油田60%左右的储量采用天然能量开发；另外40%左右的储量采用注水开发。即使注水开发的油藏，合理压力保持程度设计为70～90%(不同油藏压力保持程度不一致)。即塔里木注水开发单元的压力系数一般为0.7～0.95左右。而地层水为高矿化度，地层水比重为1.12～1.17。因此，注水井在用油田产的地层水洗井时，必然对地层产生一个8～12MPa的压差，洗井时洗井液漏失严重，导致二次污染，洗井作业效果差。以轮南油田2008年为例，采用常规注水井洗井方法，统计洗井16井次，二次污染9井次。针对这一问题，提出了低密度洗井液负压洗井的思路，实现地层边洗边吐，改善洗井效果。

1技术难点及总体思路1.1技术难点 针对塔里木超深、低压条件下，要改善洗井效果，主要存在三个方面的难点。第一是井筒密度下降的问题(井筒比重下降至0.7以下)，实现悬浮物返吐。第二是井深带来的携带悬浮物问题，实现悬浮物带得出。第三是返排时间问题。塔里木油田井深、井筒容积(7”1.2.总体思路塔里木油田先后做了大量的调研和矿场实验。2002年进行了3井次的气化水洗井，通过向处理后的地层水中加入氮气做为洗井液洗井，但由于氮气和地层水不混合，井筒密度下降有限而未取得显著效果。2008年准备用钻井中使用的玻璃微珠洗井，但因成本太贵而未开展矿场实验。2009年在矿场实验水力喷射泵诱喷洗井，但存在如果水力喷射泵喷嘴太大，放大压差作用小而达不到诱喷目的；如果水力喷射泵喷嘴太小，洗井压差放大了，但水力喷射泵喷嘴经常堵而未成果。2009年在调研的基础上，提出了用泡沫液洗井的新思路并获得了成果，解决了负压下，注水井经济有效地洗井的难题。2技术方案泡沫是由空气、泡沫基液形成的分散体系,其中的液体是连续相，气体是不连续相。而泡沫基液一般是由水、发泡剂和稳泡剂(有时添加一定量膨润土)按一定比例配制而成。泡沫生成条件，必须具有一定配比的发泡剂、液体等组份，以及发泡装置。当气体进入混有发泡的水溶液中，通过发泡装置分散成小气泡，被水溶液包围的同时，气泡界面的活性剂亲水基朝向液相;疏水基伸向气体内部，按规律排列成界膜，此时泡沫由于浮力上升，当溢出界面时，活性剂分子再次定向,于是形成了双层活性剂水膜结构的泡沫壁,使泡沫具有一定的稳定性能。泡沫液的悬浮携砂能力是洗井能否达到效果的重要指标。悬浮性受静切力影响,携砂能力主要受动力和粘度的影响。经过充分搅拌的泡沫在运动过程中，砂粒被气泡承托着，砂粒要下沉，就要使气泡变形，或挤出一条通道时才能发生。由于砂粒的质量较轻，不可能使气泡变形，或其质量远小于气液相之间的表面张力,因此,泡沫液体的悬浮能力很强。均匀的泡沫是乳白色不透明的,泡沫液的粘度比水高,只要有足够的流量，泡沫液很容易将砂粒携带出井筒。由于泡沫的存在阻止了水的滤失，因此,泡沫液具有很好的防滤失作用,相同条件下,其滤失量比清水要小得多。泡沫直径越小，液体的滤失量越小。泡沫进入产层岩石孔隙，压力变化时气体可能会膨胀，能防止流体的继续进入，减少进入产层的流体数量。2.1泡沫液优选2.1.1泡沫基液选择陆上油田基液一般有两种，即地层水和清水。经过实验，清水配制泡沫液不仅发泡体积大，泡沫半衰期长等优点，而且与污水接触时界面稳定。地层水矿化度高达15～25×104PPa，在选用了10种泡沫液均存在着发泡少，泡沫不稳定，半衰期短等问题。实验结果是选用清水做为基液进行配制。图1：清水、污水配制泡沫液结果图2.1.2气源选择生成泡沫流体的气体主要有空气、天然气、氮气、二氧化碳等。空气和天然气均存在来源方便的优势，但洗井施工的井场均靠近油气井或油气处理装置，存在天然气爆炸、燃烧等危险，因此未选用。气体可以是空气或天然气。而氮气安全无毒,可以防止天然气与空气混合后的爆炸危险，排出液中氮气不需处理。主要缺点是需要专用液氮车运输或制氮设备生产,需要专用泵入设备。目前油田制氮车技术已经成熟配套，而且成本已经大幅度下降。因此，塔里木泡沫洗井的气源选择为氮气。2.1.3发泡剂筛选国内外发泡剂的种类较多，包括阴离子型发泡剂、阳离子型发泡剂、非离子型发泡剂和两性发泡剂。发泡剂的性能评价方法很多，笔者采用WaringBlender法，该方法所用药品少，实验周期短，使用条件不受限制，操作简单，测试速度快，容易掌握和推广，可作为标准评价方法之一。在室温条件下,将配好的溶液倒入WaringBlender搅拌器中搅拌1分钟(转速控制在三挡)。把生成的泡沫倒入500ml大量筒中。从倒入时开始记时并记下泡沫的初始体积,当量筒底部有50ml溶液生成时停止记时。记下这段时间,这就是泡沫的半衰期。在其它实验条件不变下,把温度提高到60℃,仍按以上步骤操作,表1：发泡剂发泡能力和泡沫稳定性(浓度0.5)发泡剂种类代号发泡体积半衰期非离子型F-A3505.76阳离子型Y-A9156.82Y-B7025.81Y-C7954.42Y-D7153.95阴离子型Z-A11207.92Z-B10406.53Z-C8105.43Z-D5312.48两性离子L-A6807.10L-B5506.21从表中数据可以看出，Z－A阴离子型发泡效果好于其他发泡剂，笔者以后就采用该发泡剂进行研究，主要研究了浓度，温度等对发泡剂性能影响，其结果是。图1：发泡剂不同浓度下发泡体积图2：发泡剂不同浓度对泡沫稳定性的影响由图1可以看出，起泡剂要超过一定的浓度后才能发挥作用。浓度太低,不能达到起泡的目的。当超过这一浓度值后,随着起泡剂浓度的增加,产生泡沫的体积也随之增加,且增加趋势明显。当浓度达到一定值后,体积不再增加或增加趋势明显减慢。所选用的Y—A型最佳浓度为0.5%。由图2可见，发泡剂的浓度对溶液的发泡能力和泡沫的稳定性影响很大，随发泡剂含量的增加，发泡剂稳定性增加，但当达到一定浓度后，半衰期又逐步下降并趋于稳定。所选用的Y-A型发泡剂最稳定时浓度为0.6%，此时半衰期达到8.3min以上的最大值。2.1.4稳泡剂筛选发泡剂+水体系产生的泡沫不够稳定，泡沫液分容易破裂，需加入稳定剂提高泡沫的稳定性。泡沫稳定剂按照作用方式可分为两类:第一类是增强吸附作用的稳泡剂。这类稳泡剂作为一种活性物质加入起泡液中,通过协同作用增强表面吸附分子间的相互作用,使表面吸附膜强度增大,提高薄膜的质量,增加薄膜的弹性,减小泡沫的透气性,从而提高泡沫的稳定性。第二类稳泡剂是增粘性稳泡剂,主要是通过提高液相粘度来减缓泡沫的排液速率,提高泡沫的稳定性,因而可以明显延长泡沫的半衰期。研究时选用了W－A、W-B、W-C三种稳泡剂进行筛选，筛选结果如图所示。可见W－A型稳泡剂是比较理想的稳泡剂。其半衰期在0.6%的浓度下可以达到250分钟，可以满足泡沫洗井时返排需要。图3：稳泡剂不同浓度对泡沫稳定性的影响2.1.5泡沫液密度用密度为1.0kg/m3的清水做为基液配制泡沫液，泡沫液密度在0.3～0.9g/cm3之间调整十分容易,甚至还可更低(其密度可由注入气量大小来调整)。塔里木油田地层压力系数0.7～0.9g2.1.6优选结果经过优选，初步形成了矿场实验用的泡沫体系。优选结果见表3。表3泡沫洗井相关药剂及泡沫液性能表基液清水气源氮气发泡剂Y-A稳泡剂W-A外观淡黄色均匀流体PH值6～8属性性能参数属性性能参数与酸液配伍性无沉淀无分层泡沫半衰期min8.3min与盐水配伍性无沉淀无分层稳泡剂半衰期min300min清水起泡能力1120mL悬浮能力比水大10～100倍污水起泡能力138mL耐高温性℃150毒性无毒抗滤失性好生物降解性易于降解金属腐蚀性<0.076mm/a2.2泡沫液在井筒中流动的相关参数计算泡沫流体是可压缩非牛顿流体，并广泛应用于石油工业中各个领域，其中泡沫流体冲砂洗井技术较为成熟。为了确定泡沫在井筒及环空中的压力分布，最常用的是高度增量压力迭代法。此方法基于机械能守恒方程，将井筒分为若干井段，通过适当假设，以Berthelot第二维里系数完善泡沫的状态方程，采用Runge-Kutta方法进行求解，得到泡沫流体在井筒中流动的压力及其他参数的分布。此方法较上述方法简单，计算量小，对实际应用具有指导作用。1基本假设泡沫在管内流动过程中流动参数的影响因素很多，为便于研究，作以下假设：1）用于计算的泡沫流体看作单相流体，流动为均相流，即忽略气液两相间的相对运动；2）泡沫在流动过程中的压缩性仅取决于气体的压缩性质，气相、液相与固相之间不存在互溶现象，泡沫质量仅取决于压力和温度的变化；3）流动过程为稳定绝热过程，温度由地面温度和地温梯度确定；4）流动过程中的摩擦损失项的确定取决于泡沫流体的流变模式。3数学模型泡沫流体在井筒内流动的动量方程采用机械能守恒方程，表达式为(1)其中，P为总压，Pa；为泡沫密度，kg/m3；U为流速m/s；f为摩阻系数；g为重力加速度，m/s2；为当量直径，m；为管路倾斜角度，(°)。计算=90°。从上式可以看出，该方程包括4项，分别为总压梯度、加速度压力梯度、摩阻压力梯度和重力压力梯度。4.1泡沫密度与泡沫质量定义气体质量分数为单位质量泡沫体系中气体所占的分数，并假设流动过程中该值保持不变。其表达式为(2)根据气体状态方程，气体的比容为(3)则泡沫体系的比容可以定义为(4)则泡沫密度的表达式为(5)其中，M为气体摩尔质量，kg/mol；为泡沫基液比容，m3/kg；Z为气体压缩因子；R为气体通用常数，8.314J/（mol·k）.泡沫质量的定义为泡沫体系中气体的体积分数，表达式为(6)结合式(2)、(3)、(5)、(6)可得到泡沫质量与温度、压力的关系式为(7)从上式可以看出，由于流动过程中不变，则可根据温度和压力得到任何流动截面的泡沫质量，从而可通过Sanghani和Ikoku的回归数据获得泡沫的流变参数。4.2压缩因子气体压缩因子表征实际气体可压缩的难易程度，计算式多为基于对比态原理的经验公式，包括维里状态方程和立方型状态方程。考虑到本文算法中需要对该参数进行微分，则选取形式较为简单的维里状态方程(8)式中，B为第二维里系数，采用Berthelot方程确定，表达式为(9)其中，为气体临界温度，K；为气体临界压力，Pa。5摩阻系数要计算摩阻压力梯度，需要获得摩阻系数。通过理论分析，摩阻系数与雷诺数有关，泡沫流体的雷诺数表达式为(10)其中，K为稠度系数，Pa·sn；n为流变指数；对于油管为油管直径，m；对于环空为套管直径与油管直径之差，m。若为层流流动，油管内的摩阻系数为(11)环空内的摩阻系数为(12)若流动为紊流流动，则摩阻系数采用修正的Blasius公式(13)(14)(15)采用4阶Runge-Kutta数值计算方法求解，它具有5阶精度，且编程方便，将上述各式编作为一个函数文件多次调用即可实现。以泡沫流体冲砂洗井正循环过程为例。1）若已知油管井口参数，那么计算方向则与泡沫的流动方向相同，以获得环空井口参数，则构造函数为(16)2）若已知环空井口参数，那么计算方向则与泡沫的流动方向相反，为井口参数设计过程，则构造函数为上式右端取负(17)6程序简介及计算结果该计算程序采用VisualBasic语言编写，主要功能简单实用，软件界面见图4、图5。主要功能为：在注入气量一定、不同的泡沫液注入速度的情况下，计算泡沫流体在井筒中的压力、密度的分布情况，以此来计算能够产生负压情况下的井口极限注入速度和压力。图4：软件主要界面图5：软件主要界面2该软件不仅可以直接显示计算结果及图形，还可以将计算的数据导出，与不同参数情况下计算结果对比。井深为4800m为例，注入压力为10MPa，氮气标况（1atm，20℃）排量为850m3/h，基液排量分别以10m3/h、12m3/h、14m3/h、16m图6泡沫流体的压力随井深的变化图7泡沫流体的密度随井深的变化泡沫基液排量越大，则泡沫质量越小，泡沫液密度越大。随着泡沫基液排量增加，泡沫液密度增大，压力上升。压力的变化同时影响了泡沫密度与泡沫质量的变化。同时，注入压力的变化将直接影响到井底压力的变化。通过不同气液比，不同注入压力，在保障井底压力小于地层压力(轮南油田TI油组43.25MPa)的情况下，计算出合理的泡沫洗井参数，见表4。井口注气量（m3/h）850850850850850850井口注入液量（m3/h）101112131415气液比857771656157井口最大注入压力（MPa）13.112.51211.611.311计算井底压力（MPa）43.2143.1543.1143.1343.2143.223实施情况3.1泡沫洗井地面工艺为方便施工，设计了如下工艺流程，见图8。将配制好的泡沫液通过泵车(水泥车)和制氮车进入泡沫发生器，产生泡沫后的液体进入采油树进行洗井，井口排出的洗井液经过节流管汇后，进入地面罐口，加入消泡剂后由罐车拉运至环保池。为便于井底赃物的冲洗和携带，采用正洗工艺(油管进，套管出)。整个工艺流程、管件用卡箍连接。图8氮气泡沫液制作和洗井工艺流程地面泡沫发生器是负压泡沫洗井的配套工具。结构示意图见图9，主要由进液管、配气管、进气口、母管、螺旋搅拌块、排出口等组成。洗井的泡沫液由动力车泵送至泡沫发生器,在泡沫发生器内泡沫液与氮气混合,经过泡沫发生器时，产生强烈的涡流和多次旋转,将气体破碎成微小直径的气泡。气体被粉碎成微小气泡与水混合,搅拌过程越长、切割次数越多、涡流越强烈、泡沫越均匀、气泡直径越小、泡沫液体越稳定。混合液呈乳白色的牛奶状液体,肉眼看不到气泡。图9地面泡沫发生器结构示意图该洗井工艺具有如下特点：1、设备撬装化。全部设备采用撬装式,设备轻、占地面积小、稳定性好、吊运方便。2、全密闭循环。工艺流程采用全密闭，实现了液不落地，油不排空的环保要求。3、安全可靠。全套设备均采用成熟的设备组合而成，在安全、自控、环保等方面均达到油田相关要求。采用制氮车配制泡沫，更是安全的双保险。2010年3月，优化了施工步骤。泡沫洗井施工前挤入一定量的前置液疏通射孔段炮眼，便于负压返排。当泡沫洗井洗通后，关井焖井，观察油套压变化情况，如套压变化较缓慢则可继续泡沫洗井，如此循环2-3次，洗井效果更好。3.2实施效果2009年10月28日，负压泡沫洗井工艺首次在LN2-4-2井实施，该井井身结构为7”套管(井身结构图)，27/8”油管。注水井段4739.0～4745.0、4748.0～4755泡沫液体系：Y-A发泡剂0.5%+W-A稳泡剂0.6%清水配制+制氮车注氮气。配制120方，注入120泡沫液。施工工艺为正洗，施工时间14小时，返出污水及泡沫液400方，说明已达到地层返吐的目的，洗井后在注水量稳定的情况下，井口注水压力由施工前的12.5MPa下降到0.0MPa，吸水指数由8.4m3/(d·Mpa)上升到23.3m3/(d·Mpa），洗井图10LN2-4-2井洗井前后注水曲线洗井洗井表5LN2-4-2井洗井前后效果表项目注水量(m3/d)井口注水压力(MPa)井底流压(MPa)地层压力(MPa)吸水压差(MPa)吸水指数(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负压泡沫洗井工艺自2009年10月实施以来，共洗井21井次，洗井效果成功率100%。洗井后视吸水指数均有不同程度的提高。统计21井次，洗井前平均注水量154方/天，洗井后增注有效期内平均注水量247方/天,日平均增注93方/天，增注有效期82天，有效期内累计注水13.31万方，洗井增注效果堪比基质酸化效果。详见表6。2010年注水井酸化井次为7井次，较2009年减少7井次，大大节约了酸化成本。表62009-2010年轮南油田泡沫洗井效果表序号井号洗井日期日注量（m3/d)增注量（m3/d)有效期（天）平均日增注（m3）有效期累注（m3）有效期累计增注（m3）备注洗井前洗井后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