第四章泡沫排水采气工艺.docx
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第四章泡沫排水采气工艺
第四章泡沫排水采气工艺
第四章泡沫排水采气工艺
泡沫排水采气是针对有水气藏气井中后期生产研究的一项助采工艺技术，具有操作简便、收效快、成本低等优点，国内外气田已广泛使用。
川南地区从1978年开始进行泡沫排水采气试验，经过30多年的研究和应用推广，工艺不断成熟、发展、配套，现已成为川南地区有水气藏开发的有效增产措施。
本章重点介绍泡沫排水采气机理、技术发展、工艺流程、主要设备，以及在川南地区取得的主要成果与经验。
第一节机理及技术发展
一、机理
泡沫排水采气机理涉及到气液两相管流的滑脱现象和垂直管流中气液混合物的流态。
由于气相密度小于液相密度，在气液两相沿垂管上升流动中，轻质气相的运动速度会快于重质的液相。
这种由于两相间物性差异所产生的气相超越液相流动称为滑脱现象，因滑脱而产生附加压力损失称为滑脱损失。
1.垂直管流中气液混合物的流型
垂直管气液两相流是指游离气体和液体在
垂直管中同时流动。
在垂直管中气液两相混合物
向上流动时，目前公认的典型流形有泡流、段塞
-1）。
流、过渡流和环雾流（见图4
1）泡流
当气液两相混合物中含气率较低时，气相以
分散的小气泡分布于液相中。
管子中央的气泡较
多，靠近管壁的气泡较少，小气泡近似球形。
气
体为分散相，液体是连续相;气泡的上升速度大
于液体流速，对摩阻的影响不大，而滑脱现象比
较严重。
图4-1气液混合物的流型
2）段塞流
当混合物继续向上流动时，压力逐渐降低，气体不断膨胀，含气率增加，小气泡相互碰撞聚合而形成大气泡，其直径接近于管径。
气体段塞形象炮弹，其中也携带有液体微粒。
在段塞向上运动的同时，弹状气泡与管壁之间的液体层也存在相对流动。
3）过渡流
过渡流也称搅动流，液相从连续相过渡到分散相，气相从分散相过渡到连续相，气体连续向上流动并举升液体，有部分液体下落、聚集，而后又被气体举升。
4）环雾流
当含气率更大时，气弹汇合成气柱在管中流动，液体沿着管壁成为一个流动的液环，这时管壁上有一层液膜。
通常总有一些液体被夹带，以小液滴形式分布在气柱中。
在上述四种流态中，试验研究结果认为:
泡流携液能力较弱，气井井筒流体处于这种流态宜造成气井水淹;段塞流是两相流中举升效率最高的流型，但滑脱损失大，气井井筒流体
1
处于这种流态同样宜造成气井水淹;而过渡流和环雾流携液能力较强，气井井筒流体处于这两种流态宜及时排出井底积液，气井能稳定生产。
2.气井垂直管流中气液混合物的举升
气井井底的气液经油管或油套环空流到井口，在整个油气井生产系统中，总的压降大部分消耗于克服气液的重力、摩阻损失和滑脱损失。
1）泡沫排水采气机理
泡沫排水采气就是向井底注入某种能够遇水产生泡沫的表面活性剂即起泡剂，起泡剂的作用是降低水的表面张力，水的表面张力随表面活性剂浓度增加而迅速降低，表面张力随浓度下降的速度体现了起泡剂的效率（见图
4-2），当起泡剂注入浓度大于临界胶束浓度时，
表面张力随浓度变化不大。
注入井内的起泡剂
借助于天然气流的搅动，把水分散并生成大量
低密度的含水泡沫，从而改变了井筒内气水流
态，这样在地层能量不变的情况下，提高了气
井的带水能力，把地层水举升到地面。
同时，
加入起泡剂还可提高气泡流态的鼓泡高度，减
少气体滑脱损失。
研究表明，对于环雾流，由于气井自身能
量足，带水生产稳定，能及时带出井底积液，图4-2表面张力与起泡剂浓度关系图不需要助采措施。
泡沫排水采气的主要对象是
环雾流以下的泡流、段塞流、过渡流态，尤其以段塞流态助采效果最佳。
在段塞流时，加入一定浓度的表面活性剂，可促使气相和液相互相混合，减弱振荡效应;且浓度越大，混合越好，振荡越弱，能量损失也降低。
处于段塞流的气井，一旦加入起泡剂，表面张力下降使水相分散，段塞流将转变为环雾流。
2）举升能量的来源与能量的损耗
气井举升能量主要来源于气液本身的压能，由地层流入井底的流体具有一定的压能，当这种压力能大于井筒气液柱的重力能、摩阻损失能和滑脱损失能的总和时，井底气液就会喷出井口。
所以举升能量的损耗大部分消耗于举升管柱中的重力、摩阻损失和滑脱损失。
气藏开采中、后期，地层压力降低，即举升能量降低，达不到临界携液流速，致使气井井底积液不能及时排出，造成气井水淹。
向气井井底注入起泡剂，与井底积水混合在气流搅动下生成大量低密度的含水泡沫，从而改变了井筒内气水流态，这就降低举升管柱的重力和滑脱损失，在地层能量不变的情况下，降低了临界携液流速，提高了采气井的带水能力，把地层水举升到地面。
二、技术发展
早在20世纪50,60年代泡沫排水采气受到国外学者的关注，前苏联在克拉斯诺达尔、谢别林卡等气田广泛开展泡沫排水，成效很高。
如克拉斯诺达尔地区，几年间处理3500多井
83次，多采出天然气4.0×10m。
美国在堪萨斯州和俄克拉荷马州气田用起泡剂实施了200口井，成功率也高达90,。
川南地区气田从1978年起开始进行泡沫排水采气技术工艺研究，试验由一千多米的浅井、低温井，扩大到三千米的深井、高温井;由非含硫气水井扩大到含硫气水井;由低产气水井，扩大到气水产量较大井。
1980年11月，寺31井采用“8002”起
2
泡剂作试验，注入起泡剂后，该井增产效果明显（表4-1）。
随着时间的推移，泡沫排水采气技术工艺日益成熟，已成为川南地区有水气藏开发的有效增产措施。
表4-1寺31井泡沫排水采气试验前后对比表
油压套压月产气量月产水量措施生产状况433MPaMPa10mm
泡排前1.745.196.311.5由加注前每月关井5,6次转为连续生产。
泡排后3.054.8317.1153.5
20世纪80年代早期，针对非含硫气田气井的地质、气水特点，研制了适用于井温70?
、矿化度水质50000mg/L的起泡剂及其工艺实施方法。
如8001,8003配方的油患子（又名无患子）起泡剂具有良好的起泡能力。
自80年代中期以来，起泡剂的研究应用快速发展，针对含硫气藏气井，研究了适用于井温120?
、矿化度水质60000mg/L、同时兼有缓蚀功能的起泡剂，解决了泡排中含硫气井的防腐蚀问题。
如84,S配方的FS、H,1901和CT2,6起泡剂。
同时针对产凝析油气藏气井和高温气井，研究了适用于高温（150?
）、高矿化度（80000mg/L）的起泡剂。
如8001（b）配方FS等起泡剂。
接着针对边远地区气井以及一些特殊井身结构井（如油套管不通、油套管串通等）研制了气水井快速排液的PB泡棒、SB酸棒和JY滑棒等固体起泡剂。
与此同时，不断改进起泡剂的品质，从单一起泡功能，发展到兼有减阻、井底酸洗、高分散性、抗油功能等高效多功能。
川南地区应用过的起泡剂如表3,2所示，其中，最常用的是CT5-2、CT5-7C、UT-11B、HRQ-1。
在加注设备方面，研制和配套了平衡罐、计量泵、泡排车、小直径管和固体泡排剂加注筒等设备。
在加注方式上，也摸索出间歇加注或连续加注一些有益的经验。
表4-2常用的起泡剂适用范围
起泡剂
使用方法备配伍消泡剂注配方名称适用范围用量（地层水）配制浓
3kg/m度,
a用于井温小于110?
的产水气井0.8,210,20仲辛醇8001用于井温小于150?
、凝析b0.3,110,20仲辛醇油含量小于30,的产水气井20世纪80
年代普遍使a用于井温小于110?
的产水气井0.6,1.210,20磺化蓖麻油
用。
8002用于井温小于120?
、凝析b0.5,110,20磺酸三丁脂油含量小于10,的产水气井
8003用于70?
以下井温的产水气井0.4,0.810,20仲辛醇
用于井温小于120?
、矿化产水:
0.05,0.2消泡剂用量CT5-2度小于120g/L、凝析油含量小产油水:
0.2,?
20Fx-1为起泡剂的
于10,、含HS的产水气井0.510,45,。
2
3
消泡剂配制用于井温小于100?
、矿化产水:
2,5浓度10,以A度小于250g/L、凝析油含量小20,50CT5-10A产油水:
5,10上的溶液使S的产水气井于50,、含H2用。
用于井温小于120?
、矿化产水:
0.2,0.5B度小于120g/L、凝析油含量小20,50CT5-10A同CT5-7A。
产油水:
5,10于10,、含HS的产水气井。
2
具有除垢洗用于井温小于100?
、矿化CT5-7产水:
0.5,5井作用，其C度小于150g/L、凝析油含量小20,50CT5-10A产油水:
5,10它同于5,,30,、含HS的产水气井。
2CT5-7A。
具有除垢洗用于井温小于120?
、含凝产水:
0.5,5井作用，其2+2+D析油、HS、含成垢型Ca、Ba20CT5-10A2产油水:
5,10它同离子的产水气井。
CT5-7A。
E适用于高水位、大产水量、产水:
1—CT5-10A同CT5-7A。
棒特殊工艺井。
产油水:
2,5
消泡剂用量用于井温小于100?
、矿化为起泡剂的UT-1度小于100g/L、凝析油含量小1,1020,40FG-220,,于5,的产水气井。
30,。
消泡剂用量用于井温小于110?
、矿化UT-4为起泡剂的度小于100g/L、凝析油含量小1,10—FG-2（棒）10,,于10,的产水气井。
40,。
油水分离率用于井温小于120?
、矿化FG-2消泡剂达90,以UT-11度小于250g/L、凝析油含量小1,1020,40PR-3破乳剂上，其它同于30,的产水气井。
UT-1。
用于井温小于120?
、含硫a0.4,0.610,20磷酸三丁脂—的产水气井。
用于井温小于120?
、凝析油b0.4,110,20仲辛醇—84-S含量小于30,、含硫的产水气井。
用于井温小于120?
、含硫仲辛醇及磺c0.8,210,20—的产水气井。
化蓖麻油PB泡棒用于气水井快速排液0.5,110,20—
仲辛醇SB酸棒用于泡排—酸洗解堵助采0.5,110,20—
4
—JY滑棒用于起泡—减阻复合助采0.2,110,20Y7-1
用于凝析油含量小于50,、SPI-C100.5,210,20—矿化度小于200g/L的产水气井。
高级脂肪醇
脂用于井温小于120?
、矿化SPI-C120.510,20—度小于200g/L的产水气井。
用于井温小于130?
、矿化A度小于100g/L的产水气井。
消泡剂用量用于井温小于130?
、矿化
为起泡剂的B度小于250g/L、凝析油含量小HRQ-10.8,1.015,40HRX-1125,,于45,的产水气井。
200,。
用于井温小于130?
、矿化
C度小于300g/L、凝析油含量小
于45,的产水气井。
进入21世纪以来，川南地区针对不同类型的井在起泡剂选型和加注制度方面还继续开展试验工作，如在自流井气田开展了CT5-2、CT5-7C、UT-5C类型起泡剂试验，在长宁构造和付家庙气田开展了HRQ-1类型起泡剂试验，在观音场气田开展了CT5-2、CT5-7C、UT-11B（主要针对含凝析油的气井）等不同类型的起泡剂试验。
对于新型低密起泡剂、GWFA8型和新型固体HT-5B起泡剂正在继续开展试验，含凝析油气水井、高温高矿化度气水井的泡沫排水也在进一步开展试验研究。
第二节工艺流程及主要设备
一、工艺流程
川南地区泡沫排水采气工艺流程通常如图
4-3所示，液体起泡剂从套管环空间注入，与井
底气液混合后经油管排出（若用套管生产的气井，
则由油管注入）。
起泡剂相态不同，加注方式不同，
其加注装置也不同。
如固体起泡剂，则由井口加
注筒投入，经油管投到井底，再由油管或套管排
出。
消泡剂的注入部位一般是在井口气液流出处，
这是因为该处距分离器较远，与气水混合时间长，
达到消泡和抑制泡沫再生，进入分离器便于分离。
图4-3泡沫排水采气工艺流程图
5
二、主要工艺设备
1.固体起泡剂加注
固体起泡剂加注是利用安装在采油树7,阀门上固体泡排剂加注筒加注（见图4-4），通过该装置将固体起泡剂如棒状起泡剂从油管投入井内，在重力的作用下落入井底。
其工艺流
343程如图4-5所示，主要用于间隙生产井、无人看守的边缘气井，水气比一般小于30m/10m，
3产水量小于80m/d，液体在井筒内的流速不宜过高。
例如孔滩气田孔27井使用了这种装置。
图4-4固体泡排剂加注装置图图4-5固体泡排剂加注工艺流程
2.液体起泡剂加注
液体起泡剂加注是利用安装在井口的起泡剂加注装置进行加注，加注装置有:
平衡罐加注装置、计量泵加注装置、泡排车加注装置和小直径管加注装置。
1）平衡罐加注装置
将起泡剂溶液过滤后，倒入安装在井
口的平衡罐内（见图4-6），调节平衡罐压
力，使其平衡罐与井口压力平衡，起泡剂
在重力的作用下从井口的套管或油管注入
井底，其工艺流程如图4-7所示。
主要用
于间隙生产或间歇加注起泡剂，无动力电
源，以及无人看守的边缘产少量凝析液、
还有一定的自喷能力的气井，水气比一般
343大于30m/10m。
平衡罐工作压力为
图4-6平衡罐加注装置图10,30MPa，容量为10,100L，20世纪80,90年
代普遍使用，例如灵音寺气田灵3井使用的这种装置。
6
图4-7平衡罐加注流程
2）计量泵加注装置
将过滤后的起泡剂溶液置入安装在井口附近的固定式或可移动式计量泵内（见图4-8），经泵增压后，起泡剂在压差的作用下，按照调节好的量从井口的套管或油管注入井底，其工艺流程如图4-9所示。
主要用于连续加注起泡剂，有动力电源，以及有人看守或距井站较近
343的气井，也可用于间歇加注起泡剂的气井，水气比一般大于60m/10m。
优点:
可以调节起泡剂的加注量，以便有利于改变加药制度。
缺点:
井场因缺电而局限了使用范围。
现该设备已改进为电机带动，并配备有小型汽油发电机，可随意搬迁使用，即为可移动式起消泡剂加注装置。
20世纪90年代后普遍使用，如付22井使用的这种装置。
图4-8计量泵加注装置外型图图4-9计量泵加注流程图
3）泡排车加注装置
该加注与计量泵加注方式相同，只是加注起泡剂的动力不是来自井场电源，而是由汽车供给动力（见图4-10），用汽车动力带动计量泵使其起泡剂增压后，按照调节好的量从井口的套管或油管注入井底，方便灵活，适应性强，其工艺流程如图4-11所示。
主要用于间隙生产或间歇加注起泡剂，无动力电源，以及无人看守的边缘产水气井，水气比一般大于
34350m/10m，泡沫排水采气初期普遍使用。
7
图4-10泡排车加注装置
图4-11泡排车加注工艺流程
4）小管径管加注装置
小管径管加注泡排剂加注是近几年发展起来的一种泡沫排水采气以加注方式命名的设备（见图4-12），其基本作业过程是:
通过专用设备将不锈钢小管径（?
6.35mm或9.525mm）连续管下入井下生产管中，由地面注剂泵系统经小直径管将化学剂注入井内，使液体泡沫化后随天然气流携带出井筒，从而消除气井井底的液体滞留，其工艺流程如图4-13所示。
主要用于地层压力相对较低，因积液导致产量下降或停产的采气井，通过作业区消除井底积液影响恢复产量。
例如坝17井和纳59井使用的这种装置。
8
图4-12小直径管加注装置图
图4-13小直径管加注泡排剂工艺流程示意图
消泡剂加注3.
消泡剂加注通常采用平衡罐或计量泵装置加注两种方式，工艺流程与起泡剂加注相同。
第三节主要成果与经验
一、主要成果
川南地区从1978年开展泡沫排水采气技术工艺试验以来，经过30多年的现场试验研究和应用推广，该技术不断改进和逐步完善，施工井数日益增多，施工范围日益扩大，现已普遍使用，实施井数由1978年的2口增至到1990年最高为93口（见表4-3）。
泡沫排水采气年总增产气量在工艺措施井年总增产量中占30,左右（见图4-14），截至2009年年底，累计
83增产天然气39×10m。
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表4-3川南地区历年工艺总增产气量与泡排增产气量统计表
泡排泡排工艺总工艺总
时间增产量时间增产量井年增产量年产水年增产量年产水井数83838343834310m10m数10m10m10m10m19780.01———19943.82841.243.519790.02———19953.86781.153.719800.0570.010.219963.38721.222.119810.13230.090.519974.23621.102.319820.33580.280.919984.53511.041.919831.07540.721.019994.70500.922.319842.21460.831.020004.74490.993.219853.47571.191.120015.83470.843.319864.75571.151.320025.54671.748.219874.51581.201.420036.45702.141.219884.43671.721.520045.94611.838.519893.80821.461.720056.60641.738.019904.23931.232.020067.37792.1011.519914.20931.552.220077.41752.1813.019924.13921.452.420088.30702.4621.319934.13671.252.420098.34662.1821.2
合计132.51—38.99145.7
图4-14川南地区历年工艺总增产气量与泡排总增产气量对比图1.起泡剂性能试验评价方法和技术指标
泡沫排水采气所使用的起泡剂是表面活性剂，除具有表面活性剂的一般性能外，还要求具有起泡能力强，泡沫携液量大、泡沫的稳定性适中以及在含凝析油和高矿化度水中有较强的起泡能力等特殊性能。
此外，由于气水井的复杂性，要求下井的起泡剂满足不同井况对起泡剂的特殊要求。
10
选用一种起泡剂或新开发一种起泡剂，必须评价其性能，获得其起泡能力、携液量、稳定性等参数。
目前，对起泡剂的试验评价普遍采用气流法和罗氏米尔法，起泡剂评价指标按照SY/T6465,2000《泡沫排水采气用泡排剂评价方法》执行。
具体评价方法在此不作介绍，下面列举起泡剂的携液能力评价和不同矿化度的起泡剂携液能力评价实例。
1）麻2井和麻7井水样试验
如表4-4所示，通过泡沫排水剂实验可以得出:
UT-1在麻2井水样中、UT-11C在麻7井水样中，当药剂浓度为3‰时，其携液率均达到75%以上。
根据实验室数据和现场应用数据对比分析结果显示,泡沫排水剂在实验室测试的携液率达到75%时，现场使用能满足生产排液需要，因此建议在麻2井泡沫排水采气工艺中使用UT-1，其最佳使用浓度为井底积液的3‰;在麻7井泡沫排水采气工艺中使用UT-11C，其最佳使用浓度为井底积液的3‰。
表4-4不同浓度的泡排剂在水样中的携液能力的对比表
测试项目水样名称药剂名称药剂浓度带出液体质量携液率
1.00‰172g43.00%麻2井水样UT-12.00‰276g69.00%
3.00‰314g78.50%
1.00‰261g65.25%麻7井水样UT-11C2.00‰290g72.50%
3.00‰320g80.00%
2）矿化度水样试验（见表4-5）
表4-5不同矿化度水样分析数据对比
分析日期矿化水样标样携液量mL发泡力稳泡力（3min后）备注
自2井28.55030
包41井234020自2井水样为日常分2009.6.16荔002,X1井216030析用水样，起泡剂样为
牟14井325020日常用CT-2标准样。
古12井32.55010
结论牟14井和古12井的水样效果相对较好。
2.加注装置的改进配套
泡沫排水采气试验阶段，起泡剂加注大多使用的是在井口安装平衡罐，由于平衡罐加注不均匀、不能连续加注、不能加注块状起泡剂、固定在井口等限制，适宜用于间歇加注的气井。
为适应现场加注需要，川南地区在加注设备方面也进行了改进配套，研制出了不同相态的起消泡剂加注装置和不同加注方式的加注装置。
例如为适用于固体起泡剂加注研制了固体泡排剂加注筒;为了解决井场无电源的问题，计量泵加注装置安装在汽车内，由汽车可提供动力，或单独配备小型发电机，这就发展成为泡排车或可移动式起消泡剂加注装置;为适宜带水能力弱的气水井，曾在威23井试验过的同心管发展为现在的小直径管加注装置。
3.现场推广应用
泡沫排水工艺不仅用于水淹井复产、不稳定气水井排液生产（见表4-6），还用于输气管线排积液、洗井作业、压井液助排等，都获得了良好效果。
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表4-6川南地区部分泡沫排水采气前后效果对比统计
加注泡排油压套压日产气量日产水量井号生产简况433时间前后MPaMPa10mm
前2.506.500.50.5由加泡前的间歇生产（每月6—威9井1981.05后2.805.502.118.510天）转为连续生产
前05.84040.0荔6井1981.05水淹井复活后8.1912.833.855
前1.002.202.015.6纳1井1981.08转为稳定生产后0.791.942.819.0
前0000桐7井1981.11水淹井复活后5.818.541.7463.0
前2.503.4000井4井1981.11水淹井复活后15.7113..503.126.0
威26前4.1310.350.70.21981.12水淹井复活后3.527.631.27.0井
寺28前4.507.052.01.01988.05转为稳定生产后5.707.002.81.5井
寺37前2.121.891.20.3每月加泡1次，连续生产，年增1992.0243后2.502.301.91.6井产天然气206×10m威23前2.3010.500.540.0通过小直径管加注UT-1起泡1995.01后2.457.505.5206.0井剂，间歇生产转为连续生产阳14前1.852.231.50每月加20Kg，生产时率增加，1996.0143后2.592.712.70.1井年增产天然气407×10m
前4.705.4700恢复间歇生产，年增产天然气白1井1996.0743后5.746.312.40.3137.3×10m寺12前2.874.281.2
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