超深负压泡洗井工艺研究及现场实.docx
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超深负压泡洗井工艺研究及现场实
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
0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”套管）一般100方以上，返排时间3小时以上。
第四是安全问题和效益问题，实现经济条件下，污水不落地、不外排。
第五是防滤失问题。
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,记下半衰期和泡沫体积，其测试结果如下表：
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-A
350
5.76
阳离子型
Y-A
915
6.82
Y-B
702
5.81
Y-C
795
4.42
Y-D
715
3.95
阴离子型
Z-A
1120
7.92
Z-B
1040
6.53
Z-C
810
5.43
Z-D
531
2.48
两性离子
L-A
680
7.10
L-B
550
6.21
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0.7～0.9g/cm3，泡沫液密度完全满足洗井液的需要。
2.1.6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min
8.3min
与盐水配伍性
无沉淀无分层
稳泡剂半衰期min
300min
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/a
2.2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、16m3/h、18m3/h和20m3/h计算，所得结果如图6-7所示。
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）
850
850
850
850
850
850
井口注入液量（m3/h）
10
11
12
13
14
15
气液比
85
77
71
65
61
57
井口最大注入压力（MPa）
13.1
12.5
12
11.6
11.3
11
计算井底压力（MPa）
43.21
43.15
43.11
43.13
43.21
43.22
3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、4748.0～4755.0m13.4m/2层，地层压力43.4MPa,油层中深4747.0米，折算压力系数0.92，射孔段至井口环空容积97.8方。
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），洗井增注效果显著，详见表5。
图10LN2-4-2井洗井前后注水曲线
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
185
12.5
65.5
43.5
22.0
8.4
洗井后
186
0.0
51.6
43.5
8.1
23.0
差值
1
-12.5
-13.9
0
-13.9
14.6
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
1
LN2-4-2
2009-10-29
138
180
42
250
42
41375
6875
2
LN209
2009-11-21
276
330
54
36
54
10424
488
3
LN210
2009-12-25
217
237
20
5
20
1132
47
5天后酸化
4
LN209
2010-3-13
147
277
130
62
130
17155
8041
5
LN2-34-3
2010-4-1
370
631
261
87
261
54930
22740
6
LN2-5-15
2010-4-5
153
353
200
234
200
75828
40026
7
LN2-3-15
2010-4-10
153
205
52
55
52
11296
2881
8
LN2-1-18H
2010-4-14
165
175
10
86
10
15112
922
9
LN2-34-4
2010-4-18
106
161
55
130
55
21038
7258
10
LN2-3-15
2010-6-11
88
187
99
79
99
14808
7856
11
LN2-1-16
2010-7-1
273
301
28
148
28
42368
1964
12
LN3-H10
2010-7-10
138
139
1
10
1
1390
10
流量计故障
13
LN3-2-9
2010-7-22
24
92
68
148
68
7447
3895
14
LN2-34-3
2010-9-3
329
792
463
117
463
53991
15498
目前仍有效
15
LN205C
2010-9-8
0
50
50
44
50
963
963
16
LN2-3-15
2010-9-21
139
211
72
99
72
19717
5956
目前仍有效
17
LN204
2010-10-15
172
203
31
72
31
14093
1709
目前仍有效
18
LN201
2010-10-23
50
78
28
20
28
1209
209
目前仍有效
19
LN2-1-16
2010-11-28
164
275
111
29
111
9226
4470
目前仍有效
20
LN2-1-18
2010-12-11
118
156
38
16
38
2534
646
目前仍有效
21
LN2-34-4
2010-12-22
14
161
147
4
147
685
629
目前仍有效
平均值
154
247
93
82.43
社会效益
针对塔里木油田超深、低压条件下存在二次污染的问题，在大量的调研和矿场实验的基础上，首次提出了超深负压泡沫洗井工艺，并在轮南油田成功应用，该工艺改善了洗井现状，达到了增注的效果，洗井成功率达100%。
编写一套适合塔里木油田的负压泡沫洗井参数计算软件。
设计了一套泡沫洗井工艺流程，优化改进了施工步骤，并形成了一套泡沫洗井操作流程。
超深负压泡沫洗净工艺可推广至塔里木油田各砂岩油藏注水井洗井、分层注水井洗井、水平井注水井洗井、碳酸盐岩超稠油油藏注水井洗井。
此外油井解堵、油井冲砂洗井，特别是水平井的冲砂洗井，水平井较直井容易出砂，原则上能减少洗井液用量，缩短洗井恢复周期，避免洗井液进入地层进而污染油水层。
应用推广范围及前景广阔。
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