毛細管泡沫排液采氣工藝在低壓、小液量水平井中的推廣應用
——以川西坳陷中淺層氣藏為例

劉 通 周興付 陳海龍 魯光亮 趙哲軍 劉大永 杜 洋

1. 中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院 2. 中國石化西南油氣分公司采氣一廠

泡沫排液采氣工藝在中石化川西氣田的應用始于1995年，從最早的引進、吸收階段，歷經技術攻關、精細化管理、疑難井工藝優化，現已形成了起泡劑的多樣化和加注工藝的系列化[1]。近年來隨著開發技術的進步，川西氣田的開發已普遍采用水平井[2]。由于斜井段的攜液臨界產氣量大于直井段，水平井的積液主要分布于斜井段，積液液段長，井口注入的起泡劑易浮于液面淺層而無法進入積液內部，起泡少，造成常規的泡排工藝效果變差，氣井穩產的難度增大。截至2014年12月，川西氣田水平井增至223口，平均單井產液1.12 m3/d，平均單井油壓3.67 MPa，其中積液井占到了總井數的64.13%。新開發的中江—高廟氣田水平井雖然初期產量高，但遞減迅速，井底積液已嚴重影響氣井的穩產。

針對原有泡排工藝在水平井中由于泡排劑加注不到位導致工藝應用效果變差的問題，在川西氣田開展了毛細管排液采氣工藝技術研究[3]。通過開展該工藝的適應性分析、工藝參數的設計，以及標準化作業流程與配套技術的研究，在XS21-10H、XS21-13H、XS23-5H等9口水平井中開展了現場試驗，總結形成了一套毛細管泡沫排液采氣工藝系列技術（含選井論證、工藝設計、作業流程、防卡、注劑測壓一體化、凈化排液聯作、毛細管懸掛等），為川西坳陷中淺層氣藏、低壓、小液量水平井通過井筒排液實現氣井穩產提供了技術支撐。

1 毛細管泡沫排液采氣工藝適應性

為明確該工藝在川西氣田的應用潛力，指導正確選井，避免投資浪費，提高增產效益，從產氣量、產液量和井身結構等3個方面開展了該工藝的適應性分析。

1.1 產氣量

毛細管泡沫排液采氣工藝適用的氣井需具有一定的生產能力。產氣量過高，氣井能夠連續攜液，不用助排；產氣量過低，氣井積液段含氣過少，難以產生穩定泡沫，排液效果差。因此，該工藝適用的產氣量應介于最小穩泡產氣量與攜液臨界產氣量之間。

將李閩橢球體攜液模型與Вelfroid角度修正關系式相結合，得到水平井攜液臨界流速[4]的表達式為：式中vcr表示水平井攜液臨界流速，m/s；σL表示氣液間的表面張力，N/m；g表示重力加速度，m/s2；ρL表示液體密度，kg/m3；ρg表示氣體密度，kg/m3；θ表示管段與水平面的夾角，（°）。

將式（1）轉換為標準狀態下氣體流量的形式，即

式中qcr表示水平井攜液臨界產氣量，104m3/d；A表示油管橫截面積，m2；p表示壓力，MPa；Z表示天然氣偏差系數；T表示溫度，K。

據 Mitchell[5]、Princen[6]、Kraynik[7]等對泡沫流變性的研究，含氣率小于0.52時，聚集成團的泡沫將分散成各個游離的小氣泡（圖1），屈服應力明顯降低，泡沫狀態不再穩定。因此，將油管截面含氣率0.52對應的產氣量作為該工藝適用的產氣量下限，定義為最小穩泡產氣量。

圖1 不同含氣率下泡沫屈服應力特征曲線圖

根據兩相流漂移模型[8]，油管截面含氣率表達式為：

式中α表示油管截面含氣率；vsg表示氣相表觀流速，m/s；vsL表示液相表觀流速，m/s；C0表示速度分布系數，取1.2；vD表示氣相漂移速度，m/s。

當油管截面含氣率為0.52時，對應的氣相表觀流速即為產生穩定泡沫的最小氣流速vcf。此時流型為段塞流，氣相漂移速度采用Вendiksen[9]泰勒氣泡速度公式計算，即

式中dt表示油管內徑，m。

聯立式（3）、式（4），并代入α（取值為0.52），產生穩定泡沫的最小氣流速為：

式中vcf表示最小穩泡氣流速，m/s。

將式（5）轉換為標準狀態下氣體流量的形式，即

式中qcf表示最小穩泡產氣量，104m3/d。

根據計算結果，川西氣田水平井中有51%的井符合該工藝對產氣量的要求。

1.2 產液量

泡排工藝適用于氣液比高于180 m3/m3的氣井[10]，對氣液比低的井則效果差。川西氣田的水平井產氣量主要為（0.2～3.0）×104m3/d，產液量普遍低于10 m3/d，氣液比普遍高于5 000 m3/m3，滿足該工藝對氣液比的要求。另外該工藝不適合在凝析油含量超過50%的井應用，泡沫只能在油相以外的水相生成，起泡效果差，且油相還會在泡沫液膜上鋪展，加速水相泡沫破裂。川西氣田除了中江—高廟區塊有少量水平井高含凝析油外，絕大多數水平井不產油或低含油。

1.3 井身結構

毛細管尺寸較小，具有一定的剛性，對于氣井的井身結構沒有特殊要求；通過優選毛細管鋼級、壁厚和尺寸，毛細管設備完全可以深入到水平段。因此，該工藝滿足川西氣田水平井在斜井段或水平段注劑的要求。只是在下入毛細管前需要通井，以確保毛細管能夠順利通過。

2 毛細管泡沫排液采氣工藝參數設計

合理設計毛細管泡沫排液采氣的工藝參數是保障該工藝成功排液的關鍵。其中合理注劑深度的確定是充分改善井筒壓降、獲得最佳增產效果的前提；毛細管規格與工具串參數的優選是順利下放毛細管至指定井深的保障；泡排參數的優化則關系到泡沫生成量的多少與最終的排液效果。

2.1 注劑點深度設計

注劑深度過淺達不到充分降低井筒壓降的目的，注劑深度過深則無法進一步提高排液效果，并且增加作業成本與風險；另外毛細管在井下會因懸重和熱膨脹而伸長，導致實際注劑深度與設計深度不一致，需校核毛細管伸長量。

2.1.1 注劑深度確定

造斜段形成積液是導致水平井積液的主要原因[11]，因此注劑點深度的設計只需要考慮能否滿足造斜段帶液即可，而不必進入水平段。即使在水平段注劑，由于氣液分層、攪動弱，泡沫稀少，并不能進一步提高泡排效果[12]。在川西氣田一般將毛細管下至井斜角70°～80°井段處；對于積液嚴重、流壓梯度大于0.4 MPa/100 m的水平井，一般采用逐段下放毛細管、逐段排液的方式。

2.1.2 注劑深度校核

毛細管井下伸長量主要受毛細管自重、液柱重量、泵壓和熱膨脹影響，根據胡克定律和熱膨脹定律[10]，毛細管井下伸長量表達式為：

式中ΔL表示毛細管井下伸長量，m；Gt表示毛細管重量，N；Gf表示毛細管中的藥劑重量，N；pp表示泵壓，Pa；Af表示毛細管流通截面積，m2；L表示地面測量的毛細管長度，m；Am表示毛細管金屬截面積，m2；E表示金屬彈性模量，取2.06×1011Pa；Ce表示不銹鋼線性熱膨脹系數，取7.2×10－6℃－1；Twe、Twh分別表示地層溫度和井口溫度，℃。

2.2 毛細管規格選擇

川西氣田采用的毛細管外徑為9.525 mm，壁厚有1.245 mm和1.651 mm兩種規格，拉斷力分別為20.1 kN和25.3 kN，充滿液體時的管柱重量分別為2.91 N/m和3.49 N/m。根據油管抗拉安全系數公式對毛細管井口部位的抗拉強度進行校核[13]，安全系數取1.5，計算得兩種壁厚的毛細管對應的最大安全下入深度分別為4 610 m和4 830 m，適用于淺井和中深井。對于深井通過采用兩種壁厚的毛細管形成組合毛細管來提升抗拉能力，最大安全下入深度可達5 500 m。

2.3 工具串參數優化

毛細管井下注劑工具串自上而下需配置連接器、單向閥、注劑頭、加重桿、導向頭，通過優化工具串長度，確保毛細管順利通過油管最大彎度處；此外由于毛細管剛度小、受縱向上頂力和摩擦力易彎曲變形，需要在毛細管下方加配一定重量的加重桿。

2.3.1 最大長度

SY/T 6030—2012[14]中規定了油管允許儀器串最大剛性長度的計算方法。該規范忽略了工具串各段直徑的變化，統一采用工具串最大直徑計算工具串的最大長度。因此求出的工具串最大長度偏小，降低了因材料缺陷、管柱變形等不確定因素引起的風險，計算結果偏保守。模型如圖2所示，工具串能夠通行的最大長度計算式為：

主要為不明原因的腦力疲勞和精神不振，具體表現為低沉、焦慮、恐慌、煩躁、不安、擔心、易怒、反應遲鈍、白天困倦、夜晚失眠、記憶力衰退、不自信、抑郁寡歡、緊張、精力下降等癥狀。若心理亞健康狀態持續存在，則無法自我解脫和控制，若大學生心理亞健康狀態得不到及時改善則會造成心理障礙和心理疾病，輕者影響學習效率，重者可引發心臟病或抑郁癥等。

其中

式中Lp表示工具串能夠通行的最大長度，m；R表示油管曲率半徑，m；δ表示工具串與油管間隙，m；dp表示工具串最大直徑，m；k表示全角變化率，（°）/m；π表示圓周率，取值為3.14。

圖2 工具串極限外形尺寸示意圖

針對川西氣田常用的?73 mm、?89 mm油管，要求工具串與油管間隙不小于2 mm，計算不同全角變化率下工具串直徑與最大長度的關系曲線，如圖3所示。川西水平井屬于長半徑水平井，其造斜段的全角變化率一般在（17°～22°）/100 m之間，對最大直徑為44.4 mm的毛細管工具串，要求在油管直徑73 mm、89 mm中其組合長度應分別小于6 m和8 m。

2.3.2 最小配重

如圖4所示，為了讓毛細管始終處于拉伸狀態，工具串進入液體時加重桿所受重力需要克服其受到的上頂力（下、上端面壓力差）與摩擦力之和[15]：

式中ρe表示加重桿密度，取7.9×103kg/m3；de、do、di分別表示加重桿直徑、毛細管外徑和毛細管內徑，m；Le表示加重桿最小長度，m；pw表示井下壓力，Pa；fL表示液相摩阻系數，取0.017；ve表示毛細管下放速度，m/s。

對于外徑為9.525 mm，壁厚為1.651 mm的毛細管，采用最大直徑為44.4 mm的加重桿，設定下放速度為10 m/s，計算得到不同井底壓力對應的加重桿最小配重與加重桿最小長度（圖5）。根據計算結果，川西氣田已形成了針對不同井底壓力的加重桿配重推薦方案，但對于井底壓力大于12 MPa的水平井，由于加重桿最小長度接近限值（6 m），不建議采用毛細管工藝。

2.4 泡排參數設計

毛細管泡沫排液采氣的本質仍是泡排，起泡劑的正確選型、加注濃度與加注量的合理優化決定了該工藝最終的排液效果。

圖3 不同全角變化率下工具串最大直徑與最大長度的關系曲線圖

圖4 工具串井下受力示意圖

圖5 井底壓力與加重桿最小配重、最小長度的關系曲線圖

2.4.1 起泡劑選型

依據中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司《采氣用化學藥劑技術規范》，采用羅氏米爾法、氣流法[16]，優選出了適用于中石化川西氣田不同工況條件下的液體起泡劑，實現了對起泡劑的性能檢測和質量控制，如表1所示。

2.4.2 地面加注濃度與地面加注量

地面加注濃度與地面加注量、井下積液量和起泡劑井下有效濃度的關系式為：

式中ws表示地面加注濃度；we表示起泡劑井下有效濃度；mL表示井下積液量，kg；mi表示地面加注量，kg。

川西氣田采用毛細管進行起泡劑加注，地面加注濃度范圍一般介于9%～50%（起泡劑量∶水量＝1∶10～1∶1），以降低注劑時的黏滯阻力。加注量則根據積液量按式（10）來確定，對于積液較少的井，一天可一次性注完；對于積液較多且持續出水的井，可增加注入藥劑的次數，1天注入藥劑6～12次。

3 毛細管標準化作業流程

川西氣田引入SLG50型毛細管作業機，由毛細管車、注劑系統、防噴系統、橇上動力與控制系統、滾筒系統等構成，詳見本文參考文獻[4]。該作業機滿足外徑為9.525～14.000 mm的毛細管的起下作業，最大提升能力5 000 kg，額定工作壓力35 MPa。由于安裝部件多，安裝時間長，為確保作業安全，提高作業效率，研究并形成了毛細管標準化作業流程。

表1 川西氣田各類液體起泡劑的性能要求與推薦結果表

1）準備工作。落實場地、采氣流程、井口是否滿足作業要求；選用直徑大于44 mm的通井規通井，確保井內通暢，必要時測試井內流壓，為工藝參數提供依據；編寫毛細管作業方案，毛細管作業機進入井場。

2）安裝防噴器。采氣樹頂部安裝轉換法蘭，防噴器試壓、防噴閘板檢查合格后，將防噴器和放噴短節吊裝于采氣樹上方。

3）安裝注入頭。在地面組裝好注入頭，并將毛細管穿過注入頭及防噴盒；安裝液壓管線，檢查注入頭內鏈條運動狀態。針對毛細管撓性大、對中性差、難以順利穿越防噴盒的問題，研制注入頭扶正系統，將毛細管一次性穿過率由75%提升至100%。

4）組裝工具串。依次安裝上、中、下支架，將注入頭逐級抬高至防噴器上方，并在防噴器下方逐段安裝防噴管和毛細管工具串；連接防噴管與放噴短節，繃繩牽拉固定注入頭，整體試壓合格，安裝完成（圖6）。

圖6 毛細管作業機井口安裝圖

5）下入毛細管。全開采油樹清蠟閘閥，讀取壓力數據，查看防噴盒等有無泄漏；按毛細管操作規程及設計方案下放毛細管。

6）毛細管注劑。到達注劑位置后，按設計方案配藥，關閉半封閘板，鎖緊毛細管滾筒，注入頭停機，啟動柱塞泵向井內注劑；注劑完畢后，解除滾筒鎖緊裝置，開啟半封閘板，按作業方案要求上提毛細管至指定位置。

7）起出毛細管。上提毛細管，在確認工具串全部進入防噴管后，關閉清蠟閘閥，開啟放噴短節泄壓，進行停機操作。

4 毛細管泡沫排液采氣配套技術

4.1 毛細管防卡技術

前期試驗發現，當井筒內存在砂、蠟、機械雜質等污染物，或者油管變形時，毛細管下入過程極易發生卡阻。毛細管管徑小、撓性大，解卡工藝十分復雜，應以預防為主。將普通鋼加重桿更換為密度更高的鎢合金加重桿，在相同配重下降低了工具串的長度；在加重桿與加重桿之間，或加重桿與注劑頭之間采用了柔性短節連接（圖7），以實現工具間的角度偏轉；提放過程中速度一般控制在5 m/s以內，注劑結束后應將工具串提至直井段，以防泡排攜帶出的井下贓物掩埋工具串。以上措施保障了毛細管的順利作業。

圖7 柔性短節外觀圖

4.2 注劑測壓一體化技術

為確保毛細管泡沫排液采氣工藝的實施效果，需優化注劑時機和注劑頻率。然而傳統方式是根據地面參數間接判斷井下積液變化、進而采取優化措施，積液判斷準確性差，優化成功率低。為此，首次提出了注劑測壓一體化思路，在毛細管工具串下方增設CEP存儲式壓力計（圖8），在注劑過程中直接測取井筒壓力，折算壓力梯度，反演持液率，計算井筒液位和流型變化，根據液位的漲落優化注劑深度與注劑制度，提高了優化成功率與排液效果。壓力計重約3 kg，直徑為36 mm、長為630 mm，最高耐壓為80 MPa、最高耐溫為150 ℃，精度為0.05%，可存儲數據10萬組，連續工作120 d。該技術已在SF20-1HF、MP23-2H井中成功應用。

圖8 CEP存儲式壓力計實物圖

4.3 凈化排液聯作技術

針對井底有污染的水平井，開展了毛細管定位加注解堵劑/起泡劑，配合氣舉排液手段，以排出井底污染物（壓裂砂、蠟質混合物等），實現氣井的增產。解堵劑具有一定的腐蝕性，通過室內評價，315L材質的毛細管在有解堵劑的環境下其腐蝕速率最高為0.001 mm/a，遠小于NACE RP0775-2005標準規定的0.025 mm/a，滿足凈化作業抗蝕要求。該技術在XS21-13H井、XS23-5H井及SF3-3HF井獲得了成功應用，排液、凈化、增產效果良好。

4.4 毛細管井口懸掛技術

針對現有毛細管注劑過程中車輛需駐留井場，一次僅能作業一口井的問題，研制了毛細管井口懸掛裝置（圖9）。密封圈在毛細管自重下壓緊膨脹實現密封，卡瓦座通過背部錐斜角的壓緊作用卡緊毛細管，由此實現毛細管永久懸掛于井口，進而用柱塞泵或者平衡罐代替毛細管車注劑。該工藝一方面可大幅降低毛細管泡沫排液采氣成本，另一方面可滿足多井全生命周期的毛細管排采需要，該技術目前已進入選井論證階段。

5 現場應用

圖9 毛細管井口懸掛裝置示意圖

截至2017年7月底，川西氣田在9口水平井應用了毛細管泡沫排液采氣工藝。水平井垂深為1 268～2 490 m，A靶點處斜深為1 488～2 664 m，油管內徑為62 mm或76 mm，油壓為1.25～4.20 MPa，氣液比為（0.11～1.36）×104m3/m3，產液量為0.1～3.5 m3。通過選井論證、藥劑優選、工具串優化、加注制度調整、配套工藝研究，保障了工藝的順利實施，并取得了較好的增產效果（表2），累計增產天然氣295.045 5×104m3，為川西坳陷中淺層、低壓、小液量水平井的排液穩產提供了保障。首次開展了3口井的毛細管泡沫排液＋凈化聯作試驗，為存在井底污染的氣井有效解堵開辟了新途徑；首次開展了2口井的毛細管注劑＋測壓一體化試驗，實現了壓力的實時監測與加注工藝的及時優化，以確保毛細管泡沫排液采氣工藝的實施效果。下步將開展毛細管使用壽命研究，并在有增產潛力的井開展毛細管井口懸掛的泡沫排液采氣先導試驗，進一步降低成本。

表2 川西氣田毛細管泡沫排液采氣實施情況表

6 結論

1）毛細管泡沫排液采氣工藝在川西坳陷中淺層、低壓、小液量水平井中具有推廣潛力，選井時應避免選擇產氣量過低、產液量過高或含凝析油過多的井。

2）工藝參數設計時，注劑點深度在井斜角70°～80°即可，不必進入水平段；毛細管規格的選擇應滿足井深對抗拉強度的要求；注劑工具串的長度與配重需根據全角變化率與井內壓力確定；泡排參數需針對具體井況與積液特征進行優化。

3）毛細管作業時，應遵照標準化流程，確保作業安全，提高作業效率。

4）形成了4項毛細管泡沫排液采氣配套技術：防卡技術成功降低了毛細管井下卡阻概率；注劑測壓一體化技術提高了加注工藝優化效率與排液效果；凈化排液聯作技術為存在井底污染的氣井凈化增產提供了新方法；井口懸掛技術進一步降低了毛細管作業成本。

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