西南石油大天然氣工程講義第9章 排水采氣

第九章

排水采氣提示

排水采氣是封閉型水驅氣藏生產中常見的采氣工藝。有許多方法可以排出氣井中的積液，包括優(yōu)選管柱、泡沫排水、柱塞氣舉、連續(xù)氣舉、有桿泵、潛油電泵、水力活塞泵、射流泵等。本章重點介紹氣井攜液臨界流量、泡沫排水采氣、柱塞氣舉，它們在氣藏排水采氣工藝中占有十分重要的地位。第一節(jié)

氣井攜液臨界流量一、氣井積液圖9-1

氣井積液過程氣井一般都會產出一些液體，井中液體來源有兩種，一是地層中的游離水或烴類凝析液與氣體一起滲流進入井筒，液體的存在會影響氣井的流動特性；二是地層中含有水汽的天然氣流入井筒，由于熱損失使溫度沿井筒逐漸下降，出現凝析水。圖9-1描述了氣井的積液過程。由圖可見，多數氣井在正常生產時的流態(tài)為環(huán)霧流，液體以液滴的形式由氣體攜帶到地面，氣體呈連續(xù)相而液體呈非連續(xù)相。當氣相流速太低，不能提供足夠的能量使井筒中的液體連續(xù)流出井口時，液體將與氣流呈反方向流動并積存于井底，氣井中將存在積液。對于積液來源于凝析水的氣井，在積液過程中，由于天然氣通常在井筒上部達到露點，液體開始滯留在井筒上部。當氣井流量降低到不能再將液體滯留在井筒上部，液體泡沫隨之崩潰，落入井底，井筒下部壓力梯度急劇增高。一般來說，只需少量積液就會使低壓氣井停噴。井筒積液將增加對氣層的回壓、限制井的生產能力，井筒積液量太大可使氣井完全停噴，這種情況經常發(fā)生在大量產出地層水的低壓井內，高壓井中液體會以段塞形式出現。另外，井筒內的液柱會使井筒附近地層受到傷害（反向滲吸），含液飽和度增大，氣相滲透率降低，井的產能受到損害。二、氣井攜液臨界流量氣井開始積液時，井筒內氣體的最低流速稱為氣井攜液臨界流速，對應的流量稱為氣井攜液臨界流量。當井筒內氣體實際流速小于臨界流速時，氣流就不能將井內液體全部排除井口。杜奈爾等（Turner、Hubbard和Dukler）提出了確定氣井攜液臨界流速和臨界流量的兩種物理模型，即液膜模型和液滴模型。液膜模型描述了液膜沿管壁的上升，計算比較復雜。液滴模型描述了高速氣流中心夾帶的液滴。這兩種模型都是實際存在的，而且氣流中夾帶的液滴和管壁上的液膜之間將會不斷交換，液膜下降最終又破碎成液滴。Turner等人用礦場資料對這兩個模型進行了檢驗，發(fā)現液滴模型更實用。液滴模型假設，排出氣井積液所需的最低條件是使氣流中的最大液滴能連續(xù)向上運動。因此，根據最大液滴受力情況可確定氣井攜液臨界速度，即氣體對液滴的曳力等于液滴的沉降重力。如果氣井表現為段塞流特性，由于其流動機理不同，不能采用液滴模型。氣體對液滴的曳力F為

（9-1）液滴的沉降重力G為

（9-2）式中

ucr----氣井攜液臨界速度，m／s；

d-----最大液滴直徑，m；

Cd----曳力系數，0.44；

ρL---液體的密度，kg/m3；

ρg---氣體的密度，kg/m3。根據氣體對液滴的曳力F等于液滴的沉降重力G，得氣井攜液臨界速度

（9-3）式（9-3）表明，液滴直徑越大，要使它向上運動的氣流速度就越高。如果能夠確定最大液滴直徑，就可以計算出使所有液滴向上運動的氣流臨界速度。氣流的慣性力和液體表面張力控制著液滴直徑的大小。氣流的慣性力試圖使液滴破碎，而表面張力試圖使液滴聚集，韋伯數綜合考慮了這些力的影響。當韋伯數超過20到30的臨界值時，液滴將會破碎，不存在穩(wěn)定液滴。最大液滴直徑由下式確定

（9-4）式中

σ-----氣水界面張力，N/m。由式（9-4）求出d，并代入式（10-3），則臨界流速變?yōu)?/p>

（9-5）

由式（9-4）可知，壓力越低，臨界流速越大。因此，低壓氣井臨界流速大，而產氣速度又較低，更易積液。如果采用李閩等人的橢球型模型，則計算臨界流速為

（9-6）氣井攜液臨界流量為

（9-7）

式中

qcr---氣井攜液臨界流量，104m3/d

A----油管面積，m2

p----壓力，MPa

T----溫度，K

Z----氣體偏差系數。由式（9-7）可知，臨界流速、臨界流量與壓力、溫度有關，與氣液比無關。應把井筒中臨界流速和臨界流量最小的位置點作為它們的計算條件。為方便起見，對于僅產生少量液體（主要是凝析液）的氣井，可根據井口條件來預測臨界流速和臨界流量，這類氣井需經過幾天的時間方能完全積液或停噴；而對于產出大量液體（主要是自由液體）的氣井，可根據井底條件來預測積液的產生，這類氣井在產氣量降到臨界流量之后幾小時便會停噴。雖然氣液比對積液的臨界流量沒有什么影響，但當天然氣流量降低到臨界流量以下時，氣液比就會直接影響氣井積液或停噴所需要的時間。另外，油管直徑對臨界流量有明顯影響。如果井筒上部和下部的直徑差別較大，那么直徑最大的地方容易積液。為了有效地排除一口井的水，必須將油管下到產層底部。用式（9-5）或式（9-6）計算臨界流速時，需要相應壓力溫度下的液體密度和表面張力，近似計算時，可采用以下數據：對水：σ＝0.06N／m，ρL＝1074kg／m3。對凝析油：σ＝0.02N／m，ρL＝721kg／m3。當水和凝析油同時存在時，為了安全起見，應采用水的密度和表面張力。對于一口氣井，當產量降到臨界流量之后，氣井將開始積液并停噴。如果關井一段時間，停噴后氣井的井底附近地層能量得以恢復，則仍然可以間歇生產。間歇生產所需的氣量小于氣井攜液臨界流量。例9-1

求某產水氣井攜液臨界流速和臨界流量，已知參數如下

井口壓力ptf＝3.21MPa

井口溫度Ttf＝295K

油管內徑dti＝62mm

氣體相對密度＝0.6解（1）氣井攜液臨界流速

1）氣體偏差系數Z＝0.93

2）氣體密度

＝24.46kg／m3

3）氣井攜液臨界流速

＝3.12m/s

4）油管面積

m2

5）氣井攜液臨界流量

＝2.76×104m3/d三、氣井攜液臨界流量的應用1.

確定氣井能否連續(xù)攜液目前條件下氣井是否能連續(xù)攜液，可通過對比油管中氣流速度和臨界流速或產氣量和臨界流量來確定。具體方法用例9-2來說明。例9-2已知：井深＝3000m

井底溫度＝380K

產氣量＝4×104m3/d

其余參數同例9-1試判斷氣井是否能連續(xù)攜液生產？解根據已知條件計算氣井沿井深的參數，見表9-1。

表9-1

氣井沿井深的參數深度(m)壓力(MPa)溫度(K)Z系數氣密度(kg/m3)氣流速(m/s)臨界流速(m/s)產氣量(104m3/d)臨界流量(104m3/d)03.21295.9324.464.533.124.002.765003.36309.9424.254.573.144.002.7510003.52323.9524.064.613.154.002.7415003.67337.9523.904.643.164.002.7320003.82351.9623.754.673.174.002.7225003.97365.9623.624.693.184.002.7130004.12380.9723.494.723.194.002.70

由表可知，井中任何地方的臨界流速和臨界流量都分別小于氣體流速和產氣量，故該井能連續(xù)攜液生產。臨界流速在井底最大，為3.19m/s，臨界流量在井口最大，為2.76×104m3/d，表明在井口更易積液。但是，當產氣量小于2.76×104m3/d后，氣井不能連續(xù)攜液生產。氣井是否具有攜液能力，還與氣井的舉升壓力有關，該井必須能提供高于4.12MPa的井底壓力，才能連續(xù)攜液。2.

優(yōu)選油管尺寸一般來說，油管直徑越大，氣井產量越高。為了獲得最大產量，應安裝較大尺寸的油管。但是，這種油管可能不能連續(xù)攜液。因此選擇油管尺寸時還應考慮攜液問題。油管直徑越小，由于會提高天然氣流速，舉升液滴的效率也越高。一口氣井如果不能連續(xù)攜液，一般可通過更換小油管使其連續(xù)攜液，這種方法稱為優(yōu)選管柱排水采氣。具體方法用例9-3來說明。例9-3

已知氣井產能方程，產氣量＝2×104m3/d

其余參數同例9-2確定氣井連續(xù)攜液的油管尺寸？解為方便起見，按井底條件計算臨界流量。根據已知條件計算氣井沿井深的參數，見表9-2。

表9-2

不同油管尺寸下的臨界流量序號壓力(MPa)產氣量(104m3/d)臨界流量(104m3/d)1”(25mm)1?”(40.3mm)2”(50.3mm)2?”(62mm)3”(75.9mm)01.005.06.22.56.871.321.9812.004.87.31.791.231.872.8123.004.54.37.971.522.303.4534.004.07.431.131.752.663.9945.003.45.491.261.972.994.4856.002.65.531.392.163.284.9167.001.61.581.502.333.555.3278.000.00.621.602.503.805.69

將表9-2的數據繪成圖9-2。圖中IPR曲線代表地層流入動態(tài)，其余曲線為不同油管尺寸對應的臨界流量。由圖可見，不同油管尺寸在不同井底壓力下的臨界流量不同。在同一井底壓力下，油管尺寸越小，臨界流量越低。圖中IPR曲線和不同油管尺寸對應的臨界流量曲線交點處的流量，為該油管下氣井能連續(xù)攜液的臨界流量，把它們列于表9-3。由表可知，隨著油管從1”增加到3”，氣井攜液臨界流量增加。在目前條件下，2?”油管尺寸的臨界流量為3.12×104m3/d，而實際產氣量為2×104m3/d，因此該井不能攜液，應更換為1?”油管。在產量遞減中后期，產氣量降到1.0×104m3/d以下，需更換為1”油管。

表9-3

不同油管尺寸下的臨界流量

油管尺寸(mm)1”(25)1?”(40.3)2”(50.3)2?”(62)3”(75.9)

臨界流量(104m3/d)0.611.512.233.124.03圖9-2

不同油管尺寸下的臨界流量對于一些低產井，根本不能采用更換油管的方法進行排水采氣，需要采用其它方式。氣井攜液臨界流量同節(jié)點分析方法結合，還可用于確定氣井生產制度和計算氣藏廢棄壓力等。第二節(jié)泡沫排水采氣有三類物質可改變溶劑的表面張力，能降低表面張力的物質稱為表面活性劑，也稱起泡劑。泡沫排水采氣是將表面活性劑注入井底，借助于天然氣流的攪拌，與井底積液充氣接觸，產生大量的較穩(wěn)定的低密度含水泡沫，泡沫將井底積液攜帶到地面，從而達到排水采氣的目的。該工藝的適用條件是井深小于3500m，井底溫度小于150℃；空管氣流線速不小于0.1m/s；日產液量在100m3以內；且液態(tài)烴含量小于30%；產層水總礦化度小于25g/L；硫化氫含量小于23g/m3；二氧化碳含量小于86g/m3。見文[7]。一、起泡劑排水采氣機理起泡劑的作用是降低水的表面張力，如圖9-3所示，水的表面張力隨表面活性劑濃度增加而迅速降低，表面張力隨濃度下降的速度體現了起泡劑的效率。當起泡劑注入濃度大于臨界膠束濃度時，界面張力隨濃度變化不大。泡沫排水采氣的機理包括泡沫效應、分散效應、減阻效應和洗滌效應等。下面主要介紹泡沫效應和分散效應。1.

泡沫效應起泡劑注入后，液柱將變?yōu)榕菽?，形成穩(wěn)定的充氣泡沫（泡沫是由充氣泡、泡膜和液溝構成，液溝一般由三個相鄰的氣泡構成，如圖9-4所示），臌泡高度增加，水的滑脫減少，使流動更平穩(wěn)和均勻，從而降低井底回壓。泡沫產生意味著氣水兩相結合得更加緊密，具有乳狀液性質。泡沫的物性參數與起泡劑的性質和濃度有關。泡沫效應主要在氣泡流和段塞流等低流速下出現。實驗研究表明，在段塞流時，加入一定濃度的表面活性劑如泡棒、酸棒或滑棒等，可促使氣相和液相互相混合，減弱振蕩效應。且濃度越大，混合越好，振蕩越弱，能量損失也降低。

圖9-3

起泡劑濃度與界面張力的關系

圖9-4

泡沫的膜和液溝

2.

分散效應分散效應一般在環(huán)霧流的高流速狀態(tài)出現。由于表面張力降低，水滴在相同動能條件下更易分散為質點，質點愈小愈易被氣流帶走，而且形成的平滑液膜減少了對氣流的阻力。分散效應能促使流態(tài)轉變，降低臨界攜液流速。例如，處于段塞流的氣井，一旦加入起泡劑，表面張力下降使水相分散，段塞流將轉變到環(huán)霧流。二、起泡劑1.

起泡劑的性能一是可降低水的表面張力；二是起泡性能好，使水和氣形成水包氣的乳狀液；三是能溶解于地層水，親憎平衡值要求在9～15范圍之內；四是泡沫攜液量大，即氣泡壁形成的水膜越厚，單位體積泡沫的含水量就越高，表示泡沫的攜水能力越強。另外還要求泡沫穩(wěn)定性適中，因穩(wěn)定性差有可能達不到將水帶至地面的目的；反之，如穩(wěn)定性過強，則將會給地面消泡、分離帶來困難。起泡劑的起泡能力由泡沫高度表示。不加起泡劑時，氣體可將水沖成泡沫狀，為水柱的6～7倍，加入起泡劑后，泡沫柱高度的大大增加，具體倍數與起泡劑的類型和使用濃度有關（穩(wěn)態(tài)時，單位時間生成和破裂的泡沫數應相等，故存在最大泡沫高度），泡沫邊界液體量和泡沫密度隨泡沫高度增加而迅速減小，故可大大改善氣井的生產狀況。泡沫穩(wěn)定性取決于排液快慢和液膜的強度，受界面張力（及其修復作用）、表面粘度、溶液粘度、氣體通過液膜的擴散、表面電荷的影響，其中表面粘度是影響泡沫強度的主要因素。因此影響泡沫的穩(wěn)定性。泡沫排液過程是由于液溝壓力小于膜中壓力，液膜逐漸變薄，對于厚液膜，重力也會使液體下降。氣體擴散是由于小氣泡中的壓力大于大氣泡中的壓力，促使小氣泡減小，大氣泡增大。2.

起泡劑的類型泡沫排水中采用的起泡劑有離子型（主要是陰離子型）、非離子型、兩性表面活性劑和高分子聚合物表面活性劑等。表9-4介紹了國外起泡劑的主要類型。四川常用起泡劑如表9-5所示，技術指標列于表9-6，可用作泡排工藝設計時參考。例如可根據已知井內所產流體性質和溫度，在表中選擇適當配方，確定泡排工藝參數。國內外已有的十多種泡沫排水劑，一般適用于70℃以下的地層。隨環(huán)境溫度的升高，泡排劑的起泡能力和穩(wěn)定性會大大降低，尤其在100℃以上的高溫地層，許多起泡劑產生的泡沫會在幾分鐘內消失，甚至不產生泡沫。3.

起泡劑的評價選用一種起泡劑或新開發(fā)一種起泡劑，必須評價其性能,

獲得起泡劑的起泡能力、攜液量和穩(wěn)定性等參數。目前對起泡劑的實驗評價普遍采用以下兩種方法。1）氣流法此法用于測定起泡劑溶液在氣流攪拌下，產生泡沫的能力和泡沫含水量。其裝置如圖9-5所示。起泡劑溶液盛于發(fā)泡器內，空氣在一定壓力下通過多孔分散器進入發(fā)泡器，攪動起泡劑圖9-5

起泡劑泡沫效應評價裝置流程表9-4

國外起泡劑主要類型序號起泡劑名稱類

型氣井條件1烷基磺酸鹽或烷基苯磺酸鹽陰離子型氣水井2烷基酚聚氧乙烯醚非離子型含礦化水氣井3有機硅化合物酒精廠發(fā)酵后殘液（主要含甜菜堿）兩性含礦化水和凝析氣井4丙烯酰胺和乙酰丙酮丙烯酰胺共聚物高分子聚合物含礦化水和凝析氣井5起泡劑：如磺酸鹽類、硫酸醇酯、烷基聚氧乙烯醇酯等穩(wěn)定劑：如羧甲基纖維素、環(huán)烷皂等復合物含礦化水和凝析氣井6固體起泡劑（組分如聚氧乙烯烷基醚、聚乙二醇、尿素）復合物含礦化水和凝析氣井表9-5

四川氣田常用泡沫助采劑配方編號下井泡沫助采劑井口消泡劑特點及主要用途名稱規(guī)格用量(%)使用濃度(mg/L)名稱使用濃度(mg/L)8001a無患子5°Be’95800～2000仲辛醇(工業(yè))10～251.用于5～110℃井溫2.用于礦化水、凝析水氣井泡排HAC工業(yè)5b無患子5°Be’92300～1000仲辛醇(工業(yè))20～501.用于5～150℃井溫2.用于產凝析油的氣水井（油量在總液量中小于30%）其它同(a)方FS30%88002aYEG15%80600～1200磺化蓖麻油(工業(yè))10～251.用于5～110℃井溫2.用于產凝析水氣井（用于礦化水井時不用NaCl）NaCl工業(yè)20bYEG15%94500～1000磷酸三丁酯(工業(yè))10～251.可用于產少量凝析油的氣水井（油量在總液量中小于10%）2.用于70～120℃井溫R12工業(yè)68003OP-1035%95400～800仲辛醇(工業(yè))10～251.用于70℃以下井溫2.用于淡水、礦化水井3.用于鹽鹵腐蝕較重井CT2-1工業(yè)584-SaFS30%90400～600磷酸三丁酯(工業(yè))20～501.用于含硫氣水井2.用于淡水、礦化水井3.用于5～120℃井溫H-1901工業(yè)10b無患子5°Be’75400～1000仲辛醇(工業(yè))20～50用于含硫、油、氣、水井（凝析油含量在總液量中小于30%）其它同(a)方FS30%12CT2-6工業(yè)13c無患子5°Be’80800～2000仲辛醇及磺化蓖麻油(工業(yè))10～25同(a)方CT2-6工業(yè)20PB泡棒Φ38×80

500～1000仲辛醇(工業(yè))20～50用于氣水井快速排液（其它同8001）SB酸棒Φ38×45

500～1000仲辛醇(工業(yè))20～50用于泡排一酸洗解堵助采（其它同8001）JY滑棒Φ38×45

200～1000XZ-110～20用于起泡-減阻復合助采（其它同8001）

目前針對泡沫排水采氣工藝在高溫、高礦化度、高凝析油等復雜井中,已研制出抗高溫、抗高礦化度、抗高凝析油新型高效泡沫排水劑LH、UT系列和XH系列等。

表9-6

四川氣田常用泡沫助采劑技術指標編號羅氏泡高（mm）動態(tài)起泡能力緩蝕率(%)表面張力(20～25℃)(mN/m)泡沫含水度（70℃）[ml(水)/L(泡)]備

注開始時3min后臨界起泡濃度(mg/L)泡高[cm/L(氣)]氣相液相70℃70℃70℃70℃90℃8001a564180074.383.3

38.655.035.81.表中各項參數均是同一條件下測定的相對值。2.8002(a)方中括號內數據系淡水中測得b6433300

80.8

45.127.38002a75(23)23(5)60071.283.3

84.361.537.5b8263500

41.132.08003671040040.0

96.138.035.584-Sa801040052.175.854.891.336.622.3b1201040052.179.4

97.137.622.3c651880052.687.775.998.846.529.5PB棒5944180

15.523.934.524.0SB棒9769300

95.634.029.7JY棒21093100

46.130.530.3

溶液，產生泡沫。在泡沫發(fā)生器中，每升氣流通過后形成連續(xù)泡沫柱的高度，表示起泡劑溶液生成泡沫的能力。實驗中產生的泡沫，用泡沫收集器收集。加入消泡劑消泡后，測定每升泡沫的含水量用以表示泡沫的攜水能力。

起泡能力＝泡高（cm）/單位氣體體積（L）

或＝泡沫體積（L）/單位氣體體積（L）

泡沫含水量＝mL（水）/L（泡沫）2）羅氏米爾法實驗規(guī)定，測定200mL起泡劑溶液從羅氏管口流至羅氏管底時管中形成的泡沫高度，開始時和3分鐘（或5分鐘）分別測兩個高度。起始泡沫高度反映了起泡劑溶液的起泡能力，其差值表示泡沫的穩(wěn)定性。用氣流法和羅氏法測量無患子、空泡劑的起泡性能數據見表9-7。表9-7

起泡劑的泡沫性能起泡劑①水質礦化度(g/L)泡沫含水量氣流法羅氏法泡高(cm)通氣量含水量通氣量起泡體積礦化水（L）[mL(水)/L(泡沫)]（L）（L）開始時5min后無患子60.81.0610.6710.8778.02.0空泡劑60.81.5311.9710.6547.56.3注：①濃度為1g/L

4.

起泡劑的選擇起泡劑可根據以下幾個方面選擇：1）井溫。例如，無患子和空泡劑的起泡性能易受溫度的影響，溫度升高時起泡能力下降。無患子不宜用于井底溫度高于90℃的氣井?？张輨┰?0℃時幾乎喪失起泡能力，見表9-8。2）凝析油、H2S、CO2含量。起泡劑CT5-2和緩蝕劑CT2-11可用于這類氣井，其性能見表9-9。3）水礦化度。礦化度增高，水的表面張力增加，泡排效果降低。4）親憎平衡值（HLB）。在排水采氣中，一般要求親憎平衡值在9～15，其值越大，水溶性越高。表9-8

溫度對起泡劑能力的影響起泡劑①水礦化度(g/L)溫度(℃)羅氏法泡高(cm)開始時5min后無患子60.8127.83.0408.02.0606.52.0空泡劑60.8125.01.0407.50.3601.50.0

注：①濃度為1g/L表9-9

起泡劑CT5-2的泡沫性能試驗條件①羅氏法泡高(cm)攜液量（mL/15min）溫度(℃)凝析油(%)水礦化度(g/L)開始時3min后60059.0810.63.850.0602059.086.91.048.0903080.485.20.657.0905080.484.80.561.0

注：①濃度為0.5g/L5）表面張力。表面張力會影響潤濕、起泡、乳化和分散。所選起泡劑能使表面張力下降越低越好，這樣才能改善垂管氣液兩相流動中的流態(tài)。6）臨界膠束濃度（C.M.C）。膠束是指兩親性分子在水或非水溶液中趨向于聚集（締合或相變）。所有性質在臨界膠束濃度以上都存在轉折。起泡劑的臨界膠束濃度一般應大于6.0×10-5，臨界膠束濃度越大的其帶水能力越好，起泡性能越高。7）穩(wěn)定性。泡沫的穩(wěn)定時間長，易將地層水從井底帶至地面，但穩(wěn)定時間過長又會給地面的分離、集輸、計量等帶來困難。根據現場的使用情況，認為泡沫的穩(wěn)定時間一般為1～2小時，泡沫高度為泡沫始高的2/3為好。室內實驗評價起泡劑及其選擇的具體實例如下：

圖9-6

90℃四種泡排劑性能對比

圖9-7

礦化度對泡排劑初始泡沫高度的影響

圖9-8

礦化度對泡排劑初始泡沫高度的影響

圖9-9

礦化度對泡排劑5min泡沫高度的影響

注：礦化度為萬PPM

圖9-10

凝析油對泡排劑LH泡沫性能的影響

圖9-11

凝析油對泡排劑半衰期的影響

圖9-12

氣流量對攜液量的影響

三、泡沫排水采氣工藝設計1.

選井選井的目的是盡量避免不必要的投資，提高工藝的增產效益。選井正確與否，直接關系到泡沫排水采氣工藝今后的發(fā)展。選井時應考慮以下幾點：1）氣井產量。泡沫排水的主要對象是那些產量不高的中小型氣水井。產水量一般在100m3/d以下，氣水比在160～1500m3/m3之間，其發(fā)泡條件最佳。礦化度較高的井不宜采用。圖9-13

氣流速度對排水量的影響2）油管下入深度。如果油管下入深度太淺，起泡劑不易流到井底，難以達到消除井底積液的目的。3）油套管連通性。要求工藝井的油套管連通性好，否則，不可能消除井底積液。2.

氣流速度的控制圖9-13表示氣液速度對排水量的影響。可見，氣流速度在1～3m/s時，泡沫帶水能力小，不利于泡排。當氣流速度＜1m/s或＞3m/s時，有利于帶水。通過選擇油管尺寸，控制井口壓力，可以獲得合理的氣流速度。3.

氣井投藥時間如果氣井的實際流速小于臨界流速，氣體不能帶水，井底出現積液。這時就要加入起泡劑助排，其時間就是投藥時間。4.

起泡劑最佳注入濃度和注入量1）最佳注入濃度起泡劑注入濃度必須根據其性能和氣井本身的條件來確定。注入濃度過低，達不到改善井筒氣水兩相流流態(tài)的目的；注入濃度過高，井筒壓降反而回升，而且地面消泡困難，分離器也會產生較高的回壓。在泡沫排水采氣中，起泡劑濃度加入不當，可導致工藝失敗。起泡劑注入氣井的濃度一般應小于其臨界膠束濃度。從而降低起泡劑的浪費，避免給氣井、地面集輸及氣水分離等帶來不必要的危害。對正在生產的氣井，開始試驗時，建議按其臨界膠束濃度的70%加入，再視其帶水的情況酌情加減，見表9-10。而對停產井，初始加入起泡劑宜稍過量，以達到既能正常帶水又不影響地面氣水分離的目的。但實際上影響濃度的因素較多，要視氣流速度、分離條件、井溫和有否凝析油而定。

表9-10

起泡劑注入濃度起泡劑8003高泡劑8001膠束濃度

%3.297～8

圖9-14和圖9-15表示不同類型起泡劑和不同流態(tài)下注入濃度與排水能力的關系。由圖可見，不管什么類型藥劑和流態(tài)，濃度在400～600mg/L時，帶水能力最好。但對不同的藥劑和流態(tài)，帶水能力不同。現場使用時，因加入藥劑后使氣井帶水能力增強，水量增大，藥劑的濃度會降低。故現場最佳使用濃度為600mg/L。

圖9-14

不同類型起泡劑最佳注入濃度

圖9-15

不同流態(tài)下起泡劑排水能力

2）起泡劑注入量根據起泡劑注入濃度和氣井產水量，直接計算起泡劑注入量。同時，還要考慮起泡劑的類型、氣井帶水生產平穩(wěn)狀況、溫度和不溶物等物性參數。但主要應以氣井帶水穩(wěn)定連續(xù)為宜。5.

起泡劑注入方式和流程起泡劑注入方式有泵注法、平衡罐注法、泡排車注法和投注法。1）泵注法該方法是將起泡劑溶液過濾后，從井口套管或油管泵入井內，見圖9-16。適用于有人看守或距井站較近而又需要連續(xù)注入起泡劑的氣井，氣水比一般大于160m3/m3。也可用于間隙注入起泡劑的氣井。圖9-16

液態(tài)泡排劑泵注法流程

2）平衡罐注法該方法是將起泡劑溶液過濾后，倒入平衡罐內，在壓差的作用下，將平衡罐內的起泡劑從井口套管或油管注入井內。主要用于無動力電源或需間隙式注入起泡劑的氣井，氣井的氣水比一般大于330m3/m3。3）泡排車注法該方法與泵注法相同，只是注入起泡劑的動力不是來自高壓電源，而是由汽車供給動力。主要用于邊遠又無人看守或間隙注入起泡劑的氣井，氣水比一般大于200m3/m3。4）投注法投注法是將棒狀固體起泡劑從井口油管投入井內，在重力的作用下落入井底。主要用于間隙生產或間隙加注起泡劑，以及無人看守的邊遠小產量氣井，氣水比一般大于330m3/m3，產水量小于80m3/d，液體在井筒內的流速不宜過高。6

消泡劑注入濃度和注入量消泡是為了使泡排井能連續(xù)穩(wěn)定生產，避免起泡劑加注過量，防止起泡劑第二次起泡，使產出流體易于分離、計量和輸送，防止井口壓力升高。消泡劑可采用泵注法或平衡罐注法。注入位置選在分離器前兩級針形閥之間。這樣能提高消泡能力，使氣水通過分離器的分離效果更好。不同類型的消泡劑使用的濃度不同，應根據配方確定。注入量須根據起泡劑的用量、氣井產水量、井溫等參數來確定，同時還應根據分離后液體中泡沫的多少酌情加減消泡劑用量。見文[1-14]。四、凝析氣井泡沫排水采氣現場應用以某凝析氣田的一口凝析氣井為例進行泡沫排水采氣工藝。該井幾乎不產水，由于該凝析氣田進行衰竭式開發(fā)，地露壓差大，井筒壓力低于凝析氣井的露點壓力，凝析油大量析出。為了維持氣井正常生產，泡排前由于該井經常放噴替液，幾乎一天進行一次，損失大量的油氣資源。為了考察泡排劑LH-1是否適合這類幾乎不產水的凝析氣井，特選擇該井進行泡沫排水采氣工藝。1

施工參數設計根據該井的生產情況分析和氣井產能分析，結合泡排劑LH的泡沫動靜態(tài)性能分析，確定該井泡排劑LH-1的加量為10L，同時將泡排劑LH-1與水1：1的比例混合共20L注入井底?？紤]泡排劑的加入量少，將該井改為套管生產，通過采氣樹上的防噴管管處加入，加藥時間位于氣井的產量略大于該井的臨界攜液流量22500m3/d。2

試驗情況及效果分析1）施工過程中油套壓變化施工過程中，油壓從施工前的油壓6.4MPa上升到7.0MPa，套壓開始從6.8MPa下降到6.2MPa，最后上升到6.7MPa。施工見效后（見圖9-17），該井由施工前的間歇放噴替液生產變?yōu)槭┕ず蟮恼Ｉa，不用替液而進行生產。

圖9-17

施工過程中油套壓變化情況2）施工前后產量變化情況分別記錄該井施工前后油套壓、產油量、產氣量變化情況，見圖9-18～圖9-19。

圖9-18

施工前后產油量變化情況

圖9-19

施工前后油套壓變化情況圖9-20

施工前后產氣量變化情況

3）對比分析（1）對比施工前后油套壓變化情況得出：加入泡排劑后油套壓由施工前的不穩(wěn)定趨于穩(wěn)定，施工后油套壓略微變大；從11月22日加入的泡排劑效果非常明顯，加入泡排劑后油壓從11月22日的6MPa上升11月24日的6.5MPa，套壓由11月22日的6.8MPa上升11月24日的7.2MPa，油套壓上升效果非常明顯。（2）從施工前后產油量變化情況分析得出：由于施工前該井經產替液，產油量不穩(wěn)定，施工后該井連續(xù)生產，不需進行放噴替液，產凝析油量趨于穩(wěn)定，泡排效果好。（3）從施工前后產氣量變化情況分析得出：施工前，由于該井經常進行放噴替液，嚴重影響氣井的正常生產，產氣量非常不穩(wěn)定，產氣量在3500m3/d到45000m3/d之間變化；施工后該井連續(xù)生產，產氣量穩(wěn)定，不需進行放噴替液，維持氣井正常生產，泡排效果好。

第三節(jié)

柱塞氣舉柱塞氣舉是間歇氣舉的一種特殊形式，柱塞作為一種固體的密封界面，將舉升氣體和被舉升液載分開，減少氣體竄流和液體回落，提高舉升氣體的效率。柱塞氣舉的能量主要來源于地層氣，但當地層氣能量不足時，也向井內注入一定的高壓氣，這些氣體將柱塞及其上部的液體從井底推向井口，排除井底積液，增大生產壓差，延長氣井的生產期。柱塞在井中的運行是周而復始的上下運行，柱塞下落時必須關井，因此，氣井的生產是間歇式的。柱塞氣舉可充分利用地層能量，尤其適合于高氣液比氣井排液。對常規(guī)連續(xù)氣舉或間歇氣舉效率不高的井，采用柱塞氣舉可以提高生產效率，避免氣體的無效消耗。柱塞氣舉還可用于易結蠟、結垢油氣井，沿油管上下來回運動的柱塞可以干擾破壞油管壁上的結蠟、結垢過程，這樣就省去了清蠟、除垢的工序，節(jié)約了生產時間和生產費用。柱塞氣舉的安裝、生產和管理費用都較低。一、柱塞氣舉裝置圖9-21是典型的柱塞氣舉裝置。柱塞氣舉裝置由井下和地面裝置組成。1.

柱塞理想的柱塞工作特性包括三個方面：1)要求柱塞有良好的耐磨性、抗震性和在油管內的防卡性；2)柱塞上行過程中要求柱塞與油管之間有良好的密封性；3)柱塞下落過程中要求能迅速地通過氣、液柱下落，即下落阻力小。柱塞一般分為不帶旁通的實心柱塞和帶旁通的柱塞。實心柱塞的下落速度與帶旁通的柱塞相比要慢得多。帶旁通的柱塞中心有一條通路，配有一個閥門，柱塞上行撞擊井口防噴管內的緩沖彈簧該閥打開，柱塞中心的通路使柱塞下落加快，減少柱塞在油管中卡住的機會，增加柱塞有效循環(huán)次數。當柱塞下行撞擊油管底部卡定器上的緩沖彈簧該閥關閉。當柱塞撞擊緩沖彈簧的速度過大時，例如柱塞不帶液體上行，容易使柱塞的旁通閥發(fā)生故障。按柱塞密封機構、柱塞類型分為膨脹密封、擺動墊圈密封、刷式密封、紊流密封。膨脹密封柱塞在上行時彈簧加載的鋼襯套與油管壁之間行成一個液體密封。擺動墊圈密封柱塞是利用一組墊圈套裝在一根心管上作為密封元件。刷式密封柱塞是利用硬毛緊靠油管壁作為密封元件。紊流密封柱塞是在柱塞上開一系列溝槽作為密封元件，氣體通過溝槽急速運動形成紊流，產生壓降，從而形成密封，使柱塞運動。實際上，擺動墊圈密封和刷式密封柱塞也是利用紊流密封的原理工作的。實際使用中的柱塞主要包括膨脹葉片柱塞、擺動墊圈柱塞、刷式柱塞、紊流密封柱塞、組合型柱塞。柱塞類型不同，適應的井況不同。使用時應當根據油管情況、地層特征、舉升要求等諸因素選擇恰當的柱塞。當井的壓力恢復較快，應選擇下落速度較快的柱塞，當井的壓力恢復較慢，應選擇下落速度較慢的柱塞。

圖9-21

典型的柱塞氣舉裝置2.

井下管柱1）井下管柱類型井下管柱類型與柱塞氣舉井的井況有關，主要有如下幾種類型：（1）無封隔器的開式管柱，用于普通柱塞氣舉。舉升氣體以本井為主，也可以適當從地面注入補充氣，輔助柱塞舉升。（2）帶封隔器的閉式或半閉式管柱，用于帶柱塞的間歇氣舉。適用于井底壓力非常低，進入油套管地層氣較少，需外部補充氣源的氣井。（3）帶封隔器的半閉式管柱，舉升時氣體直接來源于地層。適用于氣液比非常高的氣井。井下管柱上一般還要求安裝氣舉閥。大多數井的氣舉閥是用于卸載排液的，設計時應保證單點注氣；另一種是用于提高舉升效率的，設計時應保證多點注氣。管柱上的氣舉閥不能同時達到這兩個目的，設計時應當仔細考慮。2）卡定器和油管卡定器是靠卡瓦卡定在油管預定的深度，作為柱塞行程的下死點。在一些情況下，卡定器下部裝有固定閥，用于防止油管中液體倒流。井底緩沖彈簧安放在卡定器上面，其作用是當柱塞下落到井底卡定器時起減震作用以及關閉柱塞的旁通閥。緩沖彈簧上端有打撈頸，下端有能抓住卡定器的套爪?？ǘㄆ鞯纳疃雀鶕貙訅毫Α⒂吞讐旱纫蛩剡M行估計。對于產能較低的井，卡定器應接近油管底部。有時對于產能高的井，油管中的液位較高，卡定器下淺些。當井內有砂、淤泥和其它落魚時，卡定器應下淺些，防止緩沖彈簧和柱塞損壞以及柱塞運動時受到砂卡。因此在油管和卡定器下井之前，應先對井進行清洗作業(yè)。油管尺寸受柱塞尺寸的限制。對于會產生鹽沉積和嚴重結垢的氣井，油管應下到氣層頂部。如果油管下到氣層底部，在舉升期間液體就不會完全淹沒完井段，氣層會因鹽沉積和結垢受到堵塞。3.

地面設備柱塞氣舉井的地面設備包括防噴管總成、三通總成、計量儀表和控制器等。地面流程一般采用雙排孔流程。在排液期間柱塞一直停在兩排孔之間的防噴管中，氣體經過柱塞四周到達上排孔，而大多數液體通過下排孔排出。如果下排孔管子上安裝有可調閥門，就可以調節(jié)下排孔的壓力，使柱塞上下保持一定的壓差。從而減少井口的流動阻力，使柱塞上移到防噴管頂部，便于捕捉柱塞。井口油管上所有閥門的內徑應與油管內徑相同，便于柱塞通過并防止液體回落。1）防噴管總成和三通總成防噴管總成主要由防噴管、可取式壓帽、緩沖彈簧和撞擊桿組成。防噴管總成安裝在三通之上。防噴管內緩沖彈簧的作用是當柱塞上行到井口時起減震作用，撞擊桿用于關閉柱塞的旁通閥。三通總成安裝在采油樹的頂部，上部與防噴管連接。三通總成安裝有手動捕捉器和磁力到達裝置。手動捕捉器用于捕捉柱塞，以便對柱塞進行檢查。2）計量儀表為了分析和選擇最佳柱塞氣舉裝置，必須對井口油套壓、產液量、產氣量、注氣量進行連續(xù)計量。井口油壓和套壓一般采用24小時雙筆壓力記錄儀進行連續(xù)記錄。產液量采用24小時計量儀表或排水池進行計量。產氣量和注氣量采用24小時孔板差壓流量計進行計量較好。柱塞氣舉井產氣量的計量較困難，在開井初期，流量非常高，隨后流量減低，如果安裝一個較大的孔板來測量最大流量，對低流量的計量就不準確。一般來說，最初的流量高峰期通常是短暫的，在地面管線上安裝一個節(jié)流嘴，使高峰流量期間的流動暫時受到限制，在較低流量下流動受到很少限制，從而使孔板差壓流量計計量的流量較準確，但應注意節(jié)流引起的水合物堵塞。當然，也可以采用大量程壓差傳感器或氣體渦輪流量計進行產氣量的計量。3）地面控制器地面控制器主要有時間控制器、壓力控制器和電子控制器三種類型?？刂破魍ㄟ^給氣動薄膜閥傳遞信號來控制井的開關，給氣動薄膜閥供氣，氣動薄膜閥就打開，中斷供氣，氣動薄膜閥就關閉。地層流體含砂、結垢、腐蝕、閥的開關頻率以及瞬時排量大，容易使氣動薄膜閥的閥孔損壞。時間控制器主要由帶有定時輪的時鐘機構和氣路系統(tǒng)組成。通過調節(jié)定時輪來控制對氣動薄膜閥供氣或中斷供氣的時間。壓力控制器主要由壓力的變化來控制打開和關閉。柱塞工作時，當套壓上升到某一預定值時井就打開，當套壓下降到某一預定值時井就關閉。由于采用井內流體的壓力作為控制器的輸入信號，這種控制器必須具有抗H2S等的能力。電子控制器分為普通電子控制器和可編程電子控制器兩種，其技術先進、操作方便，如FergusonBeauregard公司的LIQUILIFTII型電子控制器。電子控制器可以利用時間、壓力、壓差、柱塞到達井口和液面等信號來控制柱塞氣舉井的生產，可以設置OFF、ON、FLOW三種控制器事件。OFF事件設置關井時間，它至少應大于柱塞下落到卡定器的時間，在此期間，井的壓力恢復到能舉升載荷采出地面。ON事件設置從井打開至柱塞到井口的時間，一般保持不變，采用柱塞到達傳感器監(jiān)控柱塞是否到達井口。FLOW事件是ON事件的延伸，它設置從柱塞到井口至關井時刻的時間，即柱塞到井口后繼續(xù)生產一段時間的長短，二、柱塞氣舉過程柱塞氣舉過程是由循環(huán)的關井和開井組成。一個循環(huán)過程包括關井恢復壓力和開井生產兩個階段，如圖9-22所示。圖9-22

柱塞氣舉一個循環(huán)的壓力變化

1.

關井恢復壓力階段首先關井，柱塞從井口在油管內的氣柱和液柱中下落，直至到達卡定器處的井底緩沖彈簧上。若地層的供液和供氣能力較低，柱塞應在卡定器處的緩沖彈簧上停留一段時間，使壓力恢復到足以把柱塞從井下推到井口的程度，對應的套壓稱為最大套壓。在關井瞬時，套壓可能下降也可能不變，套壓下降是由于套管中氣體繼續(xù)向油管膨脹，使油套壓達到平衡，這時油壓會相應升高，之后套壓由地層供氣能力控制。關井初期，由于油管內氣液相分離，流速減小使摩阻減小，動能轉化為勢能，所以油壓恢復較快，之后油壓由地層供氣能力控制。2.

開井生產階段當開井生產時，套管氣和進入井筒的地層氣體向油管膨脹，到達柱塞下面，推動柱塞及上部液段離開卡定器上升，直到柱塞到達井口。若地層氣量充足，甚至需要敞噴放氣一段時間。該階段又可分為環(huán)空液體向油管轉移、柱塞及上部液段在油管內向上運動、柱塞上液段通過控制閥排出井口、柱塞停在井口放噴生產四個過程。油壓的變化過程較為復雜。開井后，氣體從井口產出，油壓迅速降低，柱塞逐漸加速上升；當液面到達井口后，由于控制閥節(jié)流，油壓又開始增加；柱塞到井口后，由于推動柱塞的能量轉移，油壓會繼續(xù)增加；對高氣液比井柱塞一般應停在井口放噴生產一段時間套壓的變化。套管氣進入油管舉升柱塞，套壓下降；柱塞到井口后套壓降到最小值，此套壓稱為最小套壓；之后由于舉升油管內液體的氣流量不足，液體在油管中滯留，井底壓力開始升高，套壓也回升。三、柱塞氣舉工藝參數設計方法柱塞氣舉工藝參數包括柱塞運行周期、開井時間和對應開井套壓、關井時間和對應關井套壓，所需的氣液比和日產量。對于需要補充注氣的情況，還要包括注氣量。柱塞氣舉設計方法較多，如五十年代的貝森（Beeson）、洛克斯（Knox）、斯托達德（Stoddard）和穆拉維也夫（Muraviev）的設計方法，這些方法有很大的局限性，并沒有在工業(yè)中得到實際應用。1965年，福斯和高爾（Foss&Gaul）總結了文杜里(Ventura)油田85口柱塞舉升油井使用7"套管2?"油管的試驗數據，提出了一套柱塞氣舉設計方法，該方法得到了廣泛應用。后來，哈克斯瑪（Hacksma）引入了最佳氣液比與最低氣液比的概念，以判斷柱塞氣舉是否需要補充注氣。這里以Foss&Gaul和Hacksma方法為基礎，介紹氣井普通柱塞氣舉設計方法。普通柱塞氣舉的能量主要來源于儲存在套管中的高壓氣體，包括關井恢復期間進入套管的地層氣或注入氣。當開井生產時，套管中的氣體向油管膨脹，到達柱塞下面，推動柱塞和液體段塞向上運動。如果套管中氣體能量高，柱塞及液體載荷能夠運動達到井口，那么就能進行正常柱塞氣舉，否則，柱塞及液體載荷不能達到井口。如果套管中氣體能量剛好能將柱塞和液體段塞推到井口，那么就能進行正常柱塞氣舉。因此，確定出柱塞和液體段塞剛好到井口位置時對應的最小套壓，就能進行其它參數的計算。1.

最小套壓柱塞和液體段塞剛好到井口位置時，油套管中的壓力處于平衡狀態(tài)。那么，在井底，從套管折算到井底的壓力等于從油管折算到井底的壓力，即最小套壓＋環(huán)空氣柱壓力＋環(huán)空氣體流動摩阻

＝最小油壓＋柱塞以上液段的靜液柱壓力和流動摩阻＋柱塞運動摩阻

＋克服柱塞重量所需的壓力＋柱塞以下氣液兩相流的靜流體柱壓力和流動摩阻

（9-8）由于環(huán)空中氣體的流動速度很低，摩阻可以忽略；柱塞摩阻很小，可忽略；假設柱塞下油管中僅存在單相氣體流動；忽略油套管中靜氣柱壓力梯度的差別。式（10-8）變?yōu)椋鹤钚√讐海阶钚∮蛪海陨弦后w段塞靜液柱壓力＋柱塞以上液體段塞摩阻＋克服柱塞重量所需的壓力＋油管長度上的氣體摩阻即

（9-9）

式中

pcmin----最小套壓，MPa；

ptmin----最小油壓，MPa；

plh-----舉升1m3液體段塞的靜液柱壓力，MPa/m3；

-----舉升1m3液體段塞的摩阻壓力，MPa/m3；

w------每周期液體段塞體積，或稱周期排水量，m3/c

pp------克服柱塞重量所需的壓力，MPa，一般取0.04MPa；

pf------柱塞以下油管長度上的氣體摩阻，MPa。1）舉升1m3液體段塞的靜液柱壓力

（9-10）

式中

ρL----液體段塞密度，kg/m3；

At----油管面積，m2。2）舉升1m3液體段塞的摩阻壓力根據油管內徑、柱塞上升速度和地層水密度計算

（9-11）

式中

upu----柱塞平均上行速度，m/s，一般取5.08m/s；

dt-----油管內徑，m；

fL-----液體段塞摩阻系數。3）油管長度上的氣體摩阻根據油管內徑、柱塞上升速度、氣體密度和粘度計算

（9-12）

式中

----油管中氣體平均密度，kg/m3；

fg-----油管中氣體平均摩阻系數；

Ht-----油管長度，m。用式（9-9）預測的壓力比實測值低，引入一修正系數后表示為

（9-13）

式中

pL-----柱塞和液體段塞剛好到井口時柱塞底部的壓力，MPa；

K------由式（9-15）計算。

（9-14）

（9-15）

2.

最大套壓由于最小套壓是環(huán)空中氣體在最大套壓下膨脹的結果，那么由氣體定律可計算最大套壓。忽略氣體膨脹時其偏差系數的差異，最大套壓為

（9-16）

式中

pcmax----最大套壓，MPa；

Ac------套管面積，m2。3.

平均套壓最大套壓和最小套壓的平均值稱為平均套壓。