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氮气泡沫技术在冀东油田的应用
1。
前言
泡沫流体是由不溶性或微溶性的气体分散于液体中所形成的分散体系,是一种可压缩非牛顿流体。
其独特的结构决定了泡沫流体具有许多优点:
(1)密度低且方便调节,作为入井液便于控制井底压力,减少漏失和污染;
(2)泡沫在孔隙介质中具有很高视粘度,低摩阻,携砂能力强;(3)低滤失,对地层污染小;(4)对不同渗透率级差地层具有选择性封堵作用,封堵高渗透率孔道,对低渗层有增大波及体积、提高波及系数的效果,调剖能力强;(5)泡沫“遇水稳定、遇油消泡”,堵水不堵油;(6)缓速效果好,本身即为一种缓速酸;(7)压缩系数大,弹性能量高,助排性能好;(8)氮气泡沫在地下与天然气混合不易发生爆炸,安全性能可靠。
由于泡沫流体的特殊性质,目前广泛应用于泡沫冲砂洗井、泡沫排酸、泡沫混排、泡沫酸化、泡沫诱喷、泡沫压底水、泡沫调剖、泡沫驱油、泡沫欠平衡钻井、泡沫压裂等各个方面,显示出很大的应用潜力。
2。
泡沫流体基本性能
2.1泡沫流体组成
在石油工程中应用的泡沫流体是以水为液相,以空气、氮气、天然气、二氧化碳等气体为气相,两相充分混合形成的非牛顿连续体系。
也可能是携带了井底的固体颗粒,组成气、液、固三相流体.
液体可以是清水、海水或油田废水,组成低密度水基泡沫液体,用于井下作业或增注.也可以是钻井液或水泥浆,组成低密度钻井液或低密度水泥浆,用于钻井。
一般在没有天然气爆炸、燃烧等危险的井场,气相可以是空气或天然气.在有爆炸、燃烧危险的场合,多使用二氧化碳、氮气及其它惰性气体为气相。
用惰性气体为气相的优点是安全,可以防止天然气与空气混合后的爆炸危险,防止氧进入岩石孔隙后产生的氧化反应.最易制取、量又多的气体是从空气中分离出的氮气,不仅使用效果好,成本也低。
在陆地油气井、海洋油气井的钻井完井和油藏增注中广泛使用。
氮气泡沫液体多用于负压钻井、高油气比油井的洗井和射孔,还可用于注入地层驱替原油.
泡沫流体是气体在液体中充分分散形成,气泡分散程度越高,泡沫流体的质量越好。
气体在水基液体搅拌后的气泡直径是微米级或更小,气泡在液体中分散后成乳化状态,呈乳白色,不透明。
在常温常压下静止,气体会滑脱上升,产生气液分离。
在液体中加入表面活性剂类的发泡剂或泡沫稳定剂后,水的表面张力减小,容易形成稳定的气泡.气液混合的方式可以是机械搅拌,也可以是液力搅拌.经过搅拌,气体破碎成小气泡。
搅拌越彻底,气泡越小,泡沫流体的质量越好.在石油工程中以液力搅拌多用。
2。
1。
1氮气分离
氮气是使用最多的惰性气体,一般是在现场用空气分离的手段制备使用.氮气分离技术是比较成熟的技术,可以用化学方法制备,也可以用物理方法,如膜分离技术.在油田现场使用最多的是膜分离技术。
空气经过分离膜管,氧气、部分氮气和其它气体成分被过滤出,留下纯度较高的氮气经过增压,进入泡沫发生器。
分离膜管的分离效率与氮气纯度有关。
一般油井使用氮气纯度为95%,分离效率接近50%,氮气流量可以达到1200Nm3/h。
在氮气用量大的场合,也有使用液氮的,氮气流量可以达到3000Nm3/h以上,但一般不如气体分离方便,液氮需要先经过气化器,经加热变为氮气,然后再使用。
2。
1.2泡沫发生器
泡沫发生器的设计借鉴了实验室内利用电动搅拌器产生泡沫的原理。
按比例配制的泡沫基液倒入搅拌筒,随着搅拌器的高速运转,具有很高活性的泡沫基液呈薄膜状,与夹裹的空气充分接触形成液包气,即泡沫。
随着叶片的不断搅拌和切割,大的泡沫就逐渐形成均匀的细小泡沫颗粒。
2。
2泡沫流体的特点
泡沫流体是各种气体与液体混合后充分搅拌形成的。
除二氧化碳外,气体很少在水基液体中溶解.气体在液体中呈小气泡分散状态,气体的直径越小,泡沫流体的性能越好.泡沫流体的密度、稳定性、携带性和粘度等性能对使用工程中的使用有直接意义。
2。
2。
1密度
在水基液体中充气形成的泡沫流体的密度一般比水低。
石油工程中的泡沫流体密度范围一般为0.2~0。
95g/cm3。
泡沫流体是变密度液体,其密度可根据气体充入量的大小调节,十分方便。
同时密度又随压力而改变的。
在常压下的气体体积大,泡沫密度低,在高压下气体压缩,体积变小,密度上升。
泡沫液体在井筒垂直方向上的密度是变化的,因此,泡沫液体对井底的井液柱压力不能用简单的公式计算.在比较深的油井中,井底的泡沫液体的密度可能已经接近于水。
但是井筒中的井液柱压力还是比纯水的压力低。
在低压油井中仍然有很大实用价值。
2.2。
2稳定性
泡沫流体的稳定性是指呈分散状态的气体在液体中的聚集程度和聚集速度。
气体在液体中分散度高,流体就越稳定。
由于气体密度与液体密度的巨大差异,泡沫液体中的气体往往会在液体中滑脱上升,聚集在一起,形成气液分离。
分离之后泡沫液体就失去固有的特点,不能起相应的作用。
泡沫流体的稳定性与气体在液相中的分散程度和环境压力有关.气体直径越小,泡沫流体越稳定,环境压力越高,泡沫流体越稳定。
流动泡沫液的稳定性好.在一定流速下泡沫流体中的气体不会聚集而丧失稳定性.泡沫流体的稳定性与气体直径和加入的化学稳定剂有关。
发泡剂和稳定剂多半是表面活性剂之类的处理剂。
随着发泡稳定剂加量的增加,发泡能力增加.但是,当发泡剂、稳定剂的浓度达到临界胶束浓度后,发泡能力随发泡剂浓度的提高而增加不大。
化学发泡剂的浓度一般在千分之几.水的性质对发泡也同样有影响。
淡水的发泡能力最强,水的矿化度升高,发泡能力变弱。
海水和油田废水的发泡能力比较低。
原油微粒对发泡有极大影响。
油膜会破坏水的表面张力状况,泡坏气泡。
油含量增加,水基液体的发泡能力急剧降低。
常压下气泡的密度极低,与液体脱离的速度比较快,因此稳定时间较短.在高环境压力下,泡沫流体的稳定时间大大增加。
这是因为气泡在高压下不容易膨胀,不易滑脱,使泡沫的稳定时间增加。
井下高压有利于泡沫稳定.
在井下稳定时间延长,对压井、洗井都十分有利.对原油的驱替有利,可以维持井下正常和保持注入液体的压力。
地面压力降低有利于流体中气泡的消除。
在地面稳定时间短,有利于泡沫液体消除气泡后循环使用。
2。
2.3选择性
(1)对渗透率级差岩心的选择性
泡沫具有剪切稀释特性,对于高渗透地层,岩石对泡沫的剪切较弱,泡沫的表观粘度高于低渗透层,从而有利于低渗透层中的泡沫向前推进,而高渗透层中的泡沫则趋向于粘附和堵塞地层孔隙.
泡沫流经非均质地层中的大孔隙中时,其流动速度变大,压力降低,从而使得泡沫直径变大,贾敏效应更严重,起到堵塞大孔道的作用,减少酸液损失。
相反地,小孔隙中的泡沫酸由于受到阻力,产生挤压,使得泡沫的半径变小,更容易渗进地层。
实验证明(如图1所示),并联的两个渗透率不同的岩心随着注入泡沫量的增加,分流量开始接近,说明泡沫具有封堵高渗层的能力,具有良好的调剖能力。
图1泡沫驱岩心分流量曲线
(2)对油水的选择性
泡沫具有遇油消泡,遇水稳定的特性。
在酸化的过程中,进入水层的泡沫比进入油层的泡沫相对要稳定,当油层中泡沫破裂时(并不是全部破裂),泡沫酸的粘度降低,一方面在酸化过程中有利于泡沫酸的继续推进,另一方面在排酸和生产中可利用井底压力将其排出地面,从而利于采油生产;恰恰相反,进入到水层中的泡沫一方面在酸液推进中起到了封堵的作用,另一方面,生产和采油中也把地层水堵在水层而不至于含水量快速上升,既阻止了泡沫酸化水层,又防止了含水量的快速上升。
两块并联岩心渗透率分别2052mD和2038mD,一块是残余油岩心,另一块是饱和水岩心,进行泡沫驱,然后再水驱,分流量曲线如图2所示。
在水驱阶段(泡沫注入体积为0处),由于原油的影响,饱和水岩心的分流量要远高于含油岩心分流量;注泡沫后,含油岩心分流量迅速增加,饱和水岩心分流量则迅速降低,并低于含油岩心分流量。
图2含水含油岩心泡沫分流量曲线
2.2.4粘度
泡沫流体的粘度比纯气体和纯液体都大。
这是因为流体是气液两相,流动时,外力要克服气液两种分子之间的摩擦力.由于两种流体界面间的分子阻力和气体的表面张力比纯态大,流体的粘度大。
混合均匀的泡沫流体的粘度比中等粘度的钻井液大,可以接近于油的粘度。
这对于原油的驱替十分有利。
驱替效果比纯水好。
粘度大有利于携带固体,在冲洗井底和携带砾石等作业中有利。
2。
2。
5携带和悬浮能力
固体颗粒在纯流体中下沉是比较容易的,携带固体颗粒的能力仅仅与流体粘度有关。
静置时,固体在其中迅速下降。
泡沫流体的携带固体颗粒能力很强。
泡沫中的固体颗粒下沉时,要克服的是气体分子与水分子之间的摩擦力。
固体颗粒要迫使气泡变形,才能形成下沉的通道,这是比较困难的。
因此泡沫流体的携带和悬浮能力比纯气体或液体强很多。
泡沫液体的携带能力与气体数量和直径有关.气泡多,密度很低时,在静止状态下,固体颗粒也不会下沉。
泡沫液体携带大直径固体颗粒的能力强,携带固体的数量也多。
在石油工程中的使用价值很大。
泡沫流体的携砂性能远远超过清水,在洗井中,泡沫流体的用量比水少,并且循环时间短,就可以将井底沉沙清洗干净,有利于节省成本,更有利于减少液体漏失,降低污染.
用泡沫流体携带砾石,进行充填或压裂,效果都要比纯水的携带液好。
其携带效果相当于中等粘度的砾石携带液。
用泡沫液体携带砾石时,改变泡沫液的携带能力也方便,仅仅需要静止,就容易使砾石下沉。
据实测,砂粒在泡沫中的沉降速度极小,泡沫流体的悬浮能力比水或冻胶液大10~100倍。
不同直径的砂粒在泡沫中的沉降速度如图3所示,沉降速度的数量级在10-4m/s。
图3砂粒沉降速度与泡沫质量的关系
3泡沫流体增产技术在冀东油田的应用
2007年泡沫流体增产技术在冀东油田的冲砂、酸化和返排中进行了应用,并取得了良好的效果.
3.1泡沫流体冲砂洗井技术的应用
3。
1.1基本原理
针对漏失井使用水基冲砂洗井液不返液或漏失量巨大问题,不用添加任何化学堵漏剂,使用低密度泡沫流体洗井冲砂.泡沫流体冲砂洗井的优点是减少漏失,降低污染,提高清洗效果,主要利用泡沫流体的特性暂堵地层,防止了入井液漏失,并利用高粘泡沫流体的携带性能和洗油能力,大大提高作业效果,并缩短了作业时间,低密度泡沫流体为水基泡沫,对地层污染小,开井生产时产能恢复期明显缩短。
3。
1。
2现场应用情况
1.G104—5P60井
G104—5P60井2007。
4.13-21日泡沫冲砂
G104—5P60井完井斜深2566。
0m,垂直井深1877。
38m,最大井斜91。
74°,水平位移1080。
51m,射孔井段2271。
31—2558。
8m,投产初期日产油41。
6t,日产液338m3,2007.4.13—21日进行泡沫冲砂,出砂0.62方,冲砂后产液量和产油量都有了提高。
2。
G104—5P42井
G104—5P42井2007.4。
21—26日泡沫冲砂
G104-5P42井完井斜深2388.0m,垂直井深1864.3m,最大井斜91。
7°,水平位移738.13m,2007.4.21—26日进行泡沫冲砂.(2007.10。
15检泵)
3。
G104-5P69井
G104—5P69井2007。
5。
6-18进行泡沫冲砂
G104—5P69井完井斜深3256.0m,最大井斜93。
19°,水平位移1080.51m,射孔井段2250。
0-3247。
0m,投产初期日产油65.0t,日产液376m3,2007.5。
6-18日进行泡沫冲砂,冲砂后产液量和产油量都有了提高。
(2007.7。
25日解堵,9。
10日不动管柱解堵)
4。
G104-5CP15井
G104—5CP15井2007。
5。
23—24连续油管泡沫冲砂
G104-5CP15井完井斜深2111.0m,垂直井深1872.62m,最大井斜86。
10°,水平位移485.36m,射孔井段1943.2—2098.8m,投产初期日产油23。
8t,日产液47。
6m3,2007.5。
23—24日进行泡沫冲砂,冲砂后产液量和产油量都有了提高。
(2007。
6。
10日酸化解堵,2007.11。
21日冲砂解堵)
5.G104-5P55井
G104—5P55井2007.7。
10-12泡沫冲砂
G104—5P55井完井斜深2229.0m,垂直井深1875.9m,最大井斜89.0°,水平位移482.38m,射孔井段1987.47-2219。
14m,投产初期日产油33。
2t,日产液307.2m3,2007.7。
10—12日进行泡沫冲砂,冲砂后产液量和产油量都有了提高.(2007.8。
10检电泵)
6.G104—5P3井
G104-5P3井2007.9。
3—4日连续油管泡沫冲砂
G104-5P3井完井斜深2123.0m,垂直井深1865.9m,最大井斜91。
0°,水平位移412。
38m。
2007.9。
3-4进行泡沫冲砂,2007.10.14日连续油管冲砂.
7.G104-5P37井
G104-5P37井2007。
5.21-26泡沫冲砂
G104-5P37井完井斜深2378.0m,最大井斜93。
25°,水平位移753。
34m.2007。
5。
21—26进行泡沫冲砂作业,2007—7—27酸化解堵。
3.2泡沫酸酸化技术应用
3.2。
1基本原理
泡沫酸酸化工艺是一种对低渗、低压、水敏性地层很有效的新型酸化增产技术,与其它酸化工艺相比,具有如下特性:
液柱压力低、返排能力强,粘度高、滤失小,对地层损害小,酸液有效作用距离长,施工简便、综合成本较低、经济效益高.其酸化基本原理为:
泡沫酸是用起泡剂稳定的气体在酸液中的分散体系,气相为压风机供给的氮气,液相是根据油井情况,采用各种不同的酸液,将起泡液泵入渗透率较高的含水层,使流体流动阻力逐渐提高,进而在吼道中产生气阻效应。
在叠加的气阻效应下,再使用起泡酸液进入低渗透地层与岩石反应,形成更多的溶蚀通道,以解除低渗层污染、堵塞,改善油井产液剖面。
最后注入泡沫排酸液,助排诱喷,排出残酸.
3。
2。
2现场应用情况
1。
G104—5P55井
G104—5P55井2007.4.26-28日泡沫酸化
G104—5P55井完井斜深2229.0m,垂直井深1875。
9m,最大井斜89.0°,水平位移482.38m,射孔井段1987.47—2219.14m,投产初期日产油33。
2t,日产液307。
2m3,2007。
4。
26-28日酸化,2007.5。
11日换泵加深,2007。
07.10-12日进行泡沫酸化.(2007。
8.10检电泵),高104-5P55井在作业过程中发现,按常规活性水冲砂无法建立循环,而且大量液体进入地层造成污染。
4月25日,钻采工程部、高尚堡作业区、采油工艺研究院、服务单位相关人员一起在现场制定了试验方案。
4月27日正式实施泡沫酸酸化,连续8个多小时顺利完成。
2.G104—5P61井
G104—5P61井2007。
5。
19日泡沫酸化
G104—5P61井完井斜深2284.0m,最大井斜90.32°,水平位移517。
0m.2007.5。
19进行泡沫酸化作业.
7。
G7-P1井
G7-P1井2007.10。
20日泡沫酸化
3。
3泡沫流体混排技术应用
3。
3.1基本原理
在石油开发过程中,由于入井液(如泥浆)漏失、近井地带固体颗粒运移、粘土膨胀、有机物沉淀等因素的影响,不可避免的会造成储层伤害,导致储层堵塞、近井地带渗透率降低、油井产量下降.为了恢复油井产量,一般要进行解堵作业,泡沫流体混排解堵技术通过泡沫吞吐、负压混排,依靠泡沫的强携带固体微粒能力以及形成的较大井底压差,将近井地带的固体颗粒以及有机沉淀物等堵塞物排出地层,同时,利用携带有固体微粒的高速返排流体,由内向外对炮眼的压实带进行冲洗,疏通射孔炮眼,达到解除储层堵塞的目的。
低密度泡沫流体混排解堵实现了不动管柱,可选择性地解除油层堵塞,该技术投入少,产出高、增油效果明显,是一种简便易行、施工可靠易于掌握的油田解堵工艺方法。
适合于层系多,层间差异较大、地层压力低、含水较高的高采收率区块。
3。
3.2现场应用情况
2。
G160-1井
G160—1井2007.7.20-23泡沫混排防砂
G160-1井完井斜深2673。
0m,最大井斜角45.3°,水平位移890。
72m,垂直井深2391。
34m.2007.7。
20—23泡沫混防砂.2007.10.13日以后等待大修.
3.G120—P1井
G120-P1井2007.7.23—25泡沫混排防砂
G120-P1井完井斜深3855。
79m,最大井斜87.60º,水平位移876.71m,垂直井深3417。
73m。
2007。
7。
23—25泡沫混防砂.
4。
G163-X3井
G163-X3井2007.10.15泡沫混排防砂
G163—X3井完井斜深2428。
0m,最大井斜角32.13°,水平位移433。
54m,垂直井深2344.7m.2007。
10。
15泡沫混防砂,2007。
10。
6-19日新井投产。
4泡沫流体的应用前景
4.1泡沫流体排酸技术的应用
酸化后,酸液和岩石反应的生成物若在地层中停留时间过长,反应产物将生成二次沉淀,同时与悬浮在残酸中的一些不溶物质沉降堵塞地层孔道,影响酸化施工效果。
常规酸化后往往由于残酸返排不完全,使酸化产物在地层沉淀,造成二次污染使酸化增产效果不明显.低密度泡沫液排酸是利用向油、套环形空间注入低密度泡沫液,将井筒液体从油管内排出.通过不断注入低密度泡沫液进行循环,逐步降低井筒流体的密度,减少液柱对地层的回压,以达到举通井筒或降液到预定深度,实现诱喷的目的。
使用低密度泡沫可大大降低井筒的液柱压力,形成井筒较地层的负压,可以使地层中残酸比较完全地排入井筒,进而随泡沫流体排出地面,达到酸化后排酸的目的。
应用实例:
胜利油田孤岛采油厂GD1—17P516井,胜利油田东辛采油厂的辛156—斜1,莱36—27,营12—79等井应用了泡沫排酸工艺,使用低密度泡沫流体做顶替液,随着井筒液体不断排出井筒液柱压力不断降低,都产生诱喷的效果,使残酸和酸化产物完全排出地层,大大提高了酸化效果。
4.2氮气泡沫流体诱喷技术应用
泡沫诱喷是利用氮气泡沫的低密度性能,针对新井,以及产气量下降的气井等实施诱喷,以提高油井产能。
用氮气泡沫对井筒液体进行举升,将泡沫从油套环形空间的注入,迫使环间液面下降,井筒液体不断从放喷口流出,当环间液面降至油管鞋时,泡沫流体进入油管后,管内液气混合,混合液密度下降,井底压力减小,使地层与井底压差增大,地层流体流入井底进入油管,从井口喷出。
应用实例:
永66-侧28气井泡沫诱喷施工,施工前产气量为零,施工后套压10MPa,油压4.5MPa,产气量增加为1200m3,自喷生产正常。
4。
3泡沫流体压底水技术应用
对于底水活跃的油藏,注入氮气泡沫流体可以抑制底水锥进,降低油井综合含水.其机理是氮气泡沫流体作为一种水基堵剂能优先进入水窜的裂缝通道,具有较高的粘度,使水锥被迫沿地层向构造或油层下部运移,使水锥消失,并且降低了油水界面。
同时,泡沫流体具有较低的密度,通过重力分异作用,泡沫从油层底部向顶部运移,从而增加了一个附加的弹性能量,延缓油水界面的恢复.
4。
4氮气泡沫流体调剖技术应用
油田进入开发的中后期,受地层非均质性以及不利的水油流度比的影响以及开采方式不当等原因,水驱效果往往不是很理想,使注入水及边水、底水沿高渗透层部位不均匀地推进,在纵向上形成单层突进,在横向上形成舌进,造成注入水提前突破,致使油井过早出水,甚至水淹,从而使低渗透部位不能发挥作用,降低了原油的采收率,大量原油仍然滞留在地层中。
为此,必须掌握注水井吸水动态和油井出水动态,针对性地采取有效的调剖堵水措施。
泡沫体系在油藏中,具有良好的封堵能力,能够形成较高的封堵压力,氮气泡沫流体调剖堵水工作原理是利用稳定泡沫流体在注水层中叠加的气阻效应——贾敏效应作用和地层孔隙中气泡的膨胀,使水流在岩石孔隙介质中流动阻力大大增加,改变水流的指进或窜流,调整油层吸水剖面,同时液体中的表面活性剂组分能改变岩石表面的性质,并能在一定的条件下使多孔介质的表面增油,便于孔隙表面的油膜剥离,这些作用均能提高驱油效果。
同时,在含油地带泡沫不起作用,不会限制油的流通。
氮气泡沫流体在多孔介质中并不是以整体形式流动的,组成泡沫的气相和液相以液膜破裂和再生成的方式在孔隙系统中流动,气泡不断的破灭和再生,当存在足够强的泡沫时,气体在泡沫中的流动将停止,液体的流动也将大幅度减弱,形成均一的具有很大视粘度的泡沫相,在多孔介质中均匀推进,使对大孔道的封堵不断向油层深处延伸,使注入水不断在油层深处转向。
提高波及系数和驱油效率。
5结论
(1)泡沫流体为一种可压缩的非牛顿流体,具有低漏失、密度可调、对油层伤害小、携砂能力强以及在地下与天然气混合不易发生爆炸等优良性能。
(2)由于泡沫流体的优良性质,在泡沫冲砂洗井、泡沫排酸、泡沫混排、泡沫酸化、泡沫诱喷、泡沫压底水、泡沫调剖等各个方面显示出很大的应用潜力,并取得了可观的经济效益,具有广阔的应用前景。
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