氮气泡沫技术在冀东油田的应用

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