毛细管泡沫排液采气工艺在低压、小液量水平井中的推广应用——以川西坳陷中浅层气藏为例

刘 通 周兴付 陈海龙 鲁光亮 赵哲军 刘大永 杜 洋

1. 中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院 2. 中国石化西南油气分公司采气一厂

泡沫排液采气工艺在中石化川西气田的应用始于1995年，从最早的引进、吸收阶段，历经技术攻关、精细化管理、疑难井工艺优化，现已形成了起泡剂的多样化和加注工艺的系列化[1]。近年来随着开发技术的进步，川西气田的开发已普遍采用水平井[2]。由于斜井段的携液临界产气量大于直井段，水平井的积液主要分布于斜井段，积液液段长，井口注入的起泡剂易浮于液面浅层而无法进入积液内部，起泡少，造成常规的泡排工艺效果变差，气井稳产的难度增大。截至2014年12月，川西气田水平井增至223口，平均单井产液1.12 m3/d，平均单井油压3.67 MPa，其中积液井占到了总井数的64.13%。新开发的中江—高庙气田水平井虽然初期产量高，但递减迅速，井底积液已严重影响气井的稳产。

针对原有泡排工艺在水平井中由于泡排剂加注不到位导致工艺应用效果变差的问题，在川西气田开展了毛细管排液采气工艺技术研究[3]。通过开展该工艺的适应性分析、工艺参数的设计，以及标准化作业流程与配套技术的研究，在XS21-10H、XS21-13H、XS23-5H等9口水平井中开展了现场试验，总结形成了一套毛细管泡沫排液采气工艺系列技术（含选井论证、工艺设计、作业流程、防卡、注剂测压一体化、净化排液联作、毛细管悬挂等），为川西坳陷中浅层气藏、低压、小液量水平井通过井筒排液实现气井稳产提供了技术支撑。

1 毛细管泡沫排液采气工艺适应性

为明确该工艺在川西气田的应用潜力，指导正确选井，避免投资浪费，提高增产效益，从产气量、产液量和井身结构等3个方面开展了该工艺的适应性分析。

1.1 产气量

毛细管泡沫排液采气工艺适用的气井需具有一定的生产能力。产气量过高，气井能够连续携液，不用助排；产气量过低，气井积液段含气过少，难以产生稳定泡沫，排液效果差。因此，该工艺适用的产气量应介于最小稳泡产气量与携液临界产气量之间。

将李闽椭球体携液模型与Вelfroid角度修正关系式相结合，得到水平井携液临界流速[4]的表达式为：式中vcr表示水平井携液临界流速，m/s；σL表示气液间的表面张力，N/m；g表示重力加速度，m/s2；ρL表示液体密度，kg/m3；ρg表示气体密度，kg/m3；θ表示管段与水平面的夹角，（°）。

将式（1）转换为标准状态下气体流量的形式，即

式中qcr表示水平井携液临界产气量，104m3/d；A表示油管横截面积，m2；p表示压力，MPa；Z表示天然气偏差系数；T表示温度，K。

据 Mitchell[5]、Princen[6]、Kraynik[7]等对泡沫流变性的研究，含气率小于0.52时，聚集成团的泡沫将分散成各个游离的小气泡（图1），屈服应力明显降低，泡沫状态不再稳定。因此，将油管截面含气率0.52对应的产气量作为该工艺适用的产气量下限，定义为最小稳泡产气量。

图1 不同含气率下泡沫屈服应力特征曲线图

根据两相流漂移模型[8]，油管截面含气率表达式为：

式中α表示油管截面含气率；vsg表示气相表观流速，m/s；vsL表示液相表观流速，m/s；C0表示速度分布系数，取1.2；vD表示气相漂移速度，m/s。

当油管截面含气率为0.52时，对应的气相表观流速即为产生稳定泡沫的最小气流速vcf。此时流型为段塞流，气相漂移速度采用Вendiksen[9]泰勒气泡速度公式计算，即

式中dt表示油管内径，m。

联立式（3）、式（4），并代入α（取值为0.52），产生稳定泡沫的最小气流速为：

式中vcf表示最小稳泡气流速，m/s。

将式（5）转换为标准状态下气体流量的形式，即

式中qcf表示最小稳泡产气量，104m3/d。

根据计算结果，川西气田水平井中有51%的井符合该工艺对产气量的要求。

1.2 产液量

泡排工艺适用于气液比高于180 m3/m3的气井[10]，对气液比低的井则效果差。川西气田的水平井产气量主要为（0.2～3.0）×104m3/d，产液量普遍低于10 m3/d，气液比普遍高于5 000 m3/m3，满足该工艺对气液比的要求。另外该工艺不适合在凝析油含量超过50%的井应用，泡沫只能在油相以外的水相生成，起泡效果差，且油相还会在泡沫液膜上铺展，加速水相泡沫破裂。川西气田除了中江—高庙区块有少量水平井高含凝析油外，绝大多数水平井不产油或低含油。

1.3 井身结构

毛细管尺寸较小，具有一定的刚性，对于气井的井身结构没有特殊要求；通过优选毛细管钢级、壁厚和尺寸，毛细管设备完全可以深入到水平段。因此，该工艺满足川西气田水平井在斜井段或水平段注剂的要求。只是在下入毛细管前需要通井，以确保毛细管能够顺利通过。

2 毛细管泡沫排液采气工艺参数设计

合理设计毛细管泡沫排液采气的工艺参数是保障该工艺成功排液的关键。其中合理注剂深度的确定是充分改善井筒压降、获得最佳增产效果的前提；毛细管规格与工具串参数的优选是顺利下放毛细管至指定井深的保障；泡排参数的优化则关系到泡沫生成量的多少与最终的排液效果。

2.1 注剂点深度设计

注剂深度过浅达不到充分降低井筒压降的目的，注剂深度过深则无法进一步提高排液效果，并且增加作业成本与风险；另外毛细管在井下会因悬重和热膨胀而伸长，导致实际注剂深度与设计深度不一致，需校核毛细管伸长量。

2.1.1 注剂深度确定

造斜段形成积液是导致水平井积液的主要原因[11]，因此注剂点深度的设计只需要考虑能否满足造斜段带液即可，而不必进入水平段。即使在水平段注剂，由于气液分层、搅动弱，泡沫稀少，并不能进一步提高泡排效果[12]。在川西气田一般将毛细管下至井斜角70°～80°井段处；对于积液严重、流压梯度大于0.4 MPa/100 m的水平井，一般采用逐段下放毛细管、逐段排液的方式。

2.1.2 注剂深度校核

毛细管井下伸长量主要受毛细管自重、液柱重量、泵压和热膨胀影响，根据胡克定律和热膨胀定律[10]，毛细管井下伸长量表达式为：

式中ΔL表示毛细管井下伸长量，m；Gt表示毛细管重量，N；Gf表示毛细管中的药剂重量，N；pp表示泵压，Pa；Af表示毛细管流通截面积，m2；L表示地面测量的毛细管长度，m；Am表示毛细管金属截面积，m2；E表示金属弹性模量，取2.06×1011Pa；Ce表示不锈钢线性热膨胀系数，取7.2×10－6℃－1；Twe、Twh分别表示地层温度和井口温度，℃。

2.2 毛细管规格选择

川西气田采用的毛细管外径为9.525 mm，壁厚有1.245 mm和1.651 mm两种规格，拉断力分别为20.1 kN和25.3 kN，充满液体时的管柱重量分别为2.91 N/m和3.49 N/m。根据油管抗拉安全系数公式对毛细管井口部位的抗拉强度进行校核[13]，安全系数取1.5，计算得两种壁厚的毛细管对应的最大安全下入深度分别为4 610 m和4 830 m，适用于浅井和中深井。对于深井通过采用两种壁厚的毛细管形成组合毛细管来提升抗拉能力，最大安全下入深度可达5 500 m。

2.3 工具串参数优化

毛细管井下注剂工具串自上而下需配置连接器、单向阀、注剂头、加重杆、导向头，通过优化工具串长度，确保毛细管顺利通过油管最大弯度处；此外由于毛细管刚度小、受纵向上顶力和摩擦力易弯曲变形，需要在毛细管下方加配一定重量的加重杆。

2.3.1 最大长度

SY/T 6030—2012[14]中规定了油管允许仪器串最大刚性长度的计算方法。该规范忽略了工具串各段直径的变化，统一采用工具串最大直径计算工具串的最大长度。因此求出的工具串最大长度偏小，降低了因材料缺陷、管柱变形等不确定因素引起的风险，计算结果偏保守。模型如图2所示，工具串能够通行的最大长度计算式为：

主要为不明原因的脑力疲劳和精神不振，具体表现为低沉、焦虑、恐慌、烦躁、不安、担心、易怒、反应迟钝、白天困倦、夜晚失眠、记忆力衰退、不自信、抑郁寡欢、紧张、精力下降等症状。若心理亚健康状态持续存在，则无法自我解脱和控制，若大学生心理亚健康状态得不到及时改善则会造成心理障碍和心理疾病，轻者影响学习效率，重者可引发心脏病或抑郁症等。

其中

式中Lp表示工具串能够通行的最大长度，m；R表示油管曲率半径，m；δ表示工具串与油管间隙，m；dp表示工具串最大直径，m；k表示全角变化率，（°）/m；π表示圆周率，取值为3.14。

图2 工具串极限外形尺寸示意图

针对川西气田常用的Ø73 mm、Ø89 mm油管，要求工具串与油管间隙不小于2 mm，计算不同全角变化率下工具串直径与最大长度的关系曲线，如图3所示。川西水平井属于长半径水平井，其造斜段的全角变化率一般在（17°～22°）/100 m之间，对最大直径为44.4 mm的毛细管工具串，要求在油管直径73 mm、89 mm中其组合长度应分别小于6 m和8 m。

2.3.2 最小配重

如图4所示，为了让毛细管始终处于拉伸状态，工具串进入液体时加重杆所受重力需要克服其受到的上顶力（下、上端面压力差）与摩擦力之和[15]：

式中ρe表示加重杆密度，取7.9×103kg/m3；de、do、di分别表示加重杆直径、毛细管外径和毛细管内径，m；Le表示加重杆最小长度，m；pw表示井下压力，Pa；fL表示液相摩阻系数，取0.017；ve表示毛细管下放速度，m/s。

对于外径为9.525 mm，壁厚为1.651 mm的毛细管，采用最大直径为44.4 mm的加重杆，设定下放速度为10 m/s，计算得到不同井底压力对应的加重杆最小配重与加重杆最小长度（图5）。根据计算结果，川西气田已形成了针对不同井底压力的加重杆配重推荐方案，但对于井底压力大于12 MPa的水平井，由于加重杆最小长度接近限值（6 m），不建议采用毛细管工艺。

2.4 泡排参数设计

毛细管泡沫排液采气的本质仍是泡排，起泡剂的正确选型、加注浓度与加注量的合理优化决定了该工艺最终的排液效果。

图3 不同全角变化率下工具串最大直径与最大长度的关系曲线图

图4 工具串井下受力示意图

图5 井底压力与加重杆最小配重、最小长度的关系曲线图

2.4.1 起泡剂选型

依据中国石油化工股份有限公司西南油气分公司《采气用化学药剂技术规范》，采用罗氏米尔法、气流法[16]，优选出了适用于中石化川西气田不同工况条件下的液体起泡剂，实现了对起泡剂的性能检测和质量控制，如表1所示。

2.4.2 地面加注浓度与地面加注量

地面加注浓度与地面加注量、井下积液量和起泡剂井下有效浓度的关系式为：

式中ws表示地面加注浓度；we表示起泡剂井下有效浓度；mL表示井下积液量，kg；mi表示地面加注量，kg。

川西气田采用毛细管进行起泡剂加注，地面加注浓度范围一般介于9%～50%（起泡剂量∶水量＝1∶10～1∶1），以降低注剂时的黏滞阻力。加注量则根据积液量按式（10）来确定，对于积液较少的井，一天可一次性注完；对于积液较多且持续出水的井，可增加注入药剂的次数，1天注入药剂6～12次。

3 毛细管标准化作业流程

川西气田引入SLG50型毛细管作业机，由毛细管车、注剂系统、防喷系统、橇上动力与控制系统、滚筒系统等构成，详见本文参考文献[4]。该作业机满足外径为9.525～14.000 mm的毛细管的起下作业，最大提升能力5 000 kg，额定工作压力35 MPa。由于安装部件多，安装时间长，为确保作业安全，提高作业效率，研究并形成了毛细管标准化作业流程。

表1 川西气田各类液体起泡剂的性能要求与推荐结果表

1）准备工作。落实场地、采气流程、井口是否满足作业要求；选用直径大于44 mm的通井规通井，确保井内通畅，必要时测试井内流压，为工艺参数提供依据；编写毛细管作业方案，毛细管作业机进入井场。

2）安装防喷器。采气树顶部安装转换法兰，防喷器试压、防喷闸板检查合格后，将防喷器和放喷短节吊装于采气树上方。

3）安装注入头。在地面组装好注入头，并将毛细管穿过注入头及防喷盒；安装液压管线，检查注入头内链条运动状态。针对毛细管挠性大、对中性差、难以顺利穿越防喷盒的问题，研制注入头扶正系统，将毛细管一次性穿过率由75%提升至100%。

4）组装工具串。依次安装上、中、下支架，将注入头逐级抬高至防喷器上方，并在防喷器下方逐段安装防喷管和毛细管工具串；连接防喷管与放喷短节，绷绳牵拉固定注入头，整体试压合格，安装完成（图6）。

图6 毛细管作业机井口安装图

5）下入毛细管。全开采油树清蜡闸阀，读取压力数据，查看防喷盒等有无泄漏；按毛细管操作规程及设计方案下放毛细管。

6）毛细管注剂。到达注剂位置后，按设计方案配药，关闭半封闸板，锁紧毛细管滚筒，注入头停机，启动柱塞泵向井内注剂；注剂完毕后，解除滚筒锁紧装置，开启半封闸板，按作业方案要求上提毛细管至指定位置。

7）起出毛细管。上提毛细管，在确认工具串全部进入防喷管后，关闭清蜡闸阀，开启放喷短节泄压，进行停机操作。

4 毛细管泡沫排液采气配套技术

4.1 毛细管防卡技术

前期试验发现，当井筒内存在砂、蜡、机械杂质等污染物，或者油管变形时，毛细管下入过程极易发生卡阻。毛细管管径小、挠性大，解卡工艺十分复杂，应以预防为主。将普通钢加重杆更换为密度更高的钨合金加重杆，在相同配重下降低了工具串的长度；在加重杆与加重杆之间，或加重杆与注剂头之间采用了柔性短节连接（图7），以实现工具间的角度偏转；提放过程中速度一般控制在5 m/s以内，注剂结束后应将工具串提至直井段，以防泡排携带出的井下赃物掩埋工具串。以上措施保障了毛细管的顺利作业。

图7 柔性短节外观图

4.2 注剂测压一体化技术

为确保毛细管泡沫排液采气工艺的实施效果，需优化注剂时机和注剂频率。然而传统方式是根据地面参数间接判断井下积液变化、进而采取优化措施，积液判断准确性差，优化成功率低。为此，首次提出了注剂测压一体化思路，在毛细管工具串下方增设CEP存储式压力计（图8），在注剂过程中直接测取井筒压力，折算压力梯度，反演持液率，计算井筒液位和流型变化，根据液位的涨落优化注剂深度与注剂制度，提高了优化成功率与排液效果。压力计重约3 kg，直径为36 mm、长为630 mm，最高耐压为80 MPa、最高耐温为150 ℃，精度为0.05%，可存储数据10万组，连续工作120 d。该技术已在SF20-1HF、MP23-2H井中成功应用。

图8 CEP存储式压力计实物图

4.3 净化排液联作技术

针对井底有污染的水平井，开展了毛细管定位加注解堵剂/起泡剂，配合气举排液手段，以排出井底污染物（压裂砂、蜡质混合物等），实现气井的增产。解堵剂具有一定的腐蚀性，通过室内评价，315L材质的毛细管在有解堵剂的环境下其腐蚀速率最高为0.001 mm/a，远小于NACE RP0775-2005标准规定的0.025 mm/a，满足净化作业抗蚀要求。该技术在XS21-13H井、XS23-5H井及SF3-3HF井获得了成功应用，排液、净化、增产效果良好。

4.4 毛细管井口悬挂技术

针对现有毛细管注剂过程中车辆需驻留井场，一次仅能作业一口井的问题，研制了毛细管井口悬挂装置（图9）。密封圈在毛细管自重下压紧膨胀实现密封，卡瓦座通过背部锥斜角的压紧作用卡紧毛细管，由此实现毛细管永久悬挂于井口，进而用柱塞泵或者平衡罐代替毛细管车注剂。该工艺一方面可大幅降低毛细管泡沫排液采气成本，另一方面可满足多井全生命周期的毛细管排采需要，该技术目前已进入选井论证阶段。

5 现场应用

图9 毛细管井口悬挂装置示意图

截至2017年7月底，川西气田在9口水平井应用了毛细管泡沫排液采气工艺。水平井垂深为1 268～2 490 m，A靶点处斜深为1 488～2 664 m，油管内径为62 mm或76 mm，油压为1.25～4.20 MPa，气液比为（0.11～1.36）×104m3/m3，产液量为0.1～3.5 m3。通过选井论证、药剂优选、工具串优化、加注制度调整、配套工艺研究，保障了工艺的顺利实施，并取得了较好的增产效果（表2），累计增产天然气295.045 5×104m3，为川西坳陷中浅层、低压、小液量水平井的排液稳产提供了保障。首次开展了3口井的毛细管泡沫排液＋净化联作试验，为存在井底污染的气井有效解堵开辟了新途径；首次开展了2口井的毛细管注剂＋测压一体化试验，实现了压力的实时监测与加注工艺的及时优化，以确保毛细管泡沫排液采气工艺的实施效果。下步将开展毛细管使用寿命研究，并在有增产潜力的井开展毛细管井口悬挂的泡沫排液采气先导试验，进一步降低成本。

表2 川西气田毛细管泡沫排液采气实施情况表

6 结论

1）毛细管泡沫排液采气工艺在川西坳陷中浅层、低压、小液量水平井中具有推广潜力，选井时应避免选择产气量过低、产液量过高或含凝析油过多的井。

2）工艺参数设计时，注剂点深度在井斜角70°～80°即可，不必进入水平段；毛细管规格的选择应满足井深对抗拉强度的要求；注剂工具串的长度与配重需根据全角变化率与井内压力确定；泡排参数需针对具体井况与积液特征进行优化。

3）毛细管作业时，应遵照标准化流程，确保作业安全，提高作业效率。

4）形成了4项毛细管泡沫排液采气配套技术：防卡技术成功降低了毛细管井下卡阻概率；注剂测压一体化技术提高了加注工艺优化效率与排液效果；净化排液联作技术为存在井底污染的气井净化增产提供了新方法；井口悬挂技术进一步降低了毛细管作业成本。

[ 1 ] 张百灵, 周静. 新场致密砂岩气藏泡沫排水采气技术应用优化[J]. 天然气工业, 2003, 23(3): 126-128.Zhang Вailing & Zhou Jing. Application and optimization of foam drainage in the tight sandstone gas reservoir of Xinchang[J].Natural Gas Industry, 2003, 23(3): 126-128.

[ 2 ] 甘振维. 理论创新和技术进步支撑引领百亿气田建设[J]. 天然气工业, 2016, 36(12): 1-9.Gan Zhenwei. Theoretical innovation and technical progress will usher in a production period of gas fi elds with an annual capacity of ten billion cubic meters[J]. Natural Gas Industry, 2016, 36(12):1-9.

[ 3 ] 刘亚青, 杨泽超, 周兴付, 林代洪, 董耀文. 毛细管排水采气技术在四川某气田水平井中的应用[J]. 钻采工艺, 2013,36(5): 119-121.Liu Yaqing, Yang Zechao, Zhou Xingfu, Lin Daihong & Dong Yaowen. The application of the capillary deliquif i cation in a horizontal gas well of Sichuan fi eld[J]. Drilling & Production Technology, 2013, 36(5): 119-121.

[ 4 ] 武恒志, 戚斌, 郭新江, 陈海龙, 蒋晓红. 致密砂岩气藏采输技术[M]. 北京: 中国石化出版社, 2015.Wu Hengzhi, Qi Вin, Guo Xinjiang, Chen Hailong & Jiang Xiaohong. Gas production and transmission technology for tight sandstone gas reservoir[M]. Вeijing: China Petrochemical Press,2015.

[ 5 ] Mitchell ВJ. Viscosity of foam[D]. Norman: University of Oklahoma, 1970.

[ 6 ] Princen HM. Rheology of foams and highly concentrated emulsions: I. Elastic properties and yield stress of a cylindrical model system[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1983, 91(1):160-175.

[ 7 ] Kraynik AM. Foam fl ows[J]. Annual Review of Fluid Mechanics,1988, 20(1): 325-357.

[ 8 ] Hasan AR, Kabir CS & Sayarpour M. Simplif i ed two-phase fl ow modeling in wellbores[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2010, 72(1/2): 42-49.

[ 9 ] Вendiksen KH. An experimental investigation of the motion of long bubbles in inclined tubes[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1984, 10(4): 467-483.

[10] Lea JF, Nickens HV & Wells MR. Gas well deliquif i cation[M].2nded. Amsterdam: Elsevier Inc., 2008.

[11] 王琦, 李颖川, 王志彬, 程金金. 水平气井连续携液实验研究及模型评价[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2014,36(3): 139-145.Wang Qi, Li Yingchuan, Wang Zhibin & Cheng Jinjin. Experimental study and model evaluation on continuous liquid removal in horizontal gas well[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2014, 36(3): 139-145.

[12] 刘通, 郭新江, 王世泽, 陈海龙, 刘大永. 水平井泡沫排液采气井筒流型实验研究[J]. 钻采工艺, 2017, 40(1): 69-73.Liu Tong, Guo Xinjiang, Wang Shize, Chen Hailong & Liu Dayong. Experimental study on flow patterns in gas-producing horizontal wellbore having liquid drainage by foam[J]. Drilling &Production Technology, 2017, 40(1): 69-73.

[13] 杨涛, 鲁斌昌, 杨桦, 方建龙, 向雪琳. 关于深井不同壁厚组合生产管柱优化设计的研究与应用[J]. 钻采工艺, 2012,35(6): 81-84.Yang Tao, Lu Вinchang, Yang Hua, Fang Jianlong & Xiang Xuelin. Research and application of optimization design of the diあerence wall thickness production string in ultra-deep well[J].Drilling & Production Technology, 2012, 35(6): 81-84.

[14] SY/T 6030—2012. 钻杆及油管输送测井作业技术规范[S]. 北京: 石油工业出版社, 2012.SY/T 6030-2012. Technical specif i cation for logging operation of drill pipe & pipe conveyed[S]. Вeijing: Petroleum Industry Press,2012.

[15] 郭晓萌, 爨莹, 吴新民. 关井工况小直径管下井过程加重杆长度计算方法研究[J]. 重庆文理学院学报(自然科学版), 2009,28(5): 25-27.Guo Xiaomeng, Cuan Ying & Wu Xinmin. Research on the length calculation method of heavy rods of small-diameter pipe during down-hole process in case of well shut-in conditions[J].Journal of Chongqing University of Arts and Sciences (Natural Science Edition), 2009, 28(5): 25-27.

[16] 李士伦. 天然气工程[M]. 2版. 北京: 石油工业出版社, 2008.Li Shilun. Natural gas engineering[M]. 2nded. Вeijing: Petroleum Industry Press, 2008.