泡沫排水采气

在目前的完井管柱下，气井是否能携液， 如果不能携液，是否能通过更换小油管使其具 有携液能力。利用不同油管压力下和井底流动 压力下的气体临界流速曲线，可以得到气井的 积液条件。
气体临界流速
临界流速,m/s
10 8 6 4 2 0 0
井口 井底
5
10 15 20
压力,MPa
气体临界流量
临界流量,10^4m^3/d
流态图变化
分散泡流
Vsl 气泡流
段塞流
Vsg
环雾流
泡沫排水的主要对象是产量不高的气水井(包括 环雾流的低级阶段及其以下各流态)。起泡剂加入使 得环雾流的水环更均匀，减少气流阻力；使段塞流的 泡沫高度迅速增加，以提高其排水能力；对完全不具 带水能力的气泡流，水则以原生态泡沫膜的形态带出。
如纳1井，每当输压升至0.66 MPa时，气产量很 快下降，油压稳不住。但加入泡沫剂后，气产量则逐 渐由1.3升至2.6万m3/d，油压由1.15 MPa升至2.14 MPa，井内压力梯度由0.13降至0.12 MPa/100m，流态 由泡沫流转换成环雾流。
泡间气体扩散
泡沫高度 在不加起泡剂时，气体可将水冲成泡沫状，为
水柱的6 ~ 7倍，但加入起泡剂后，因增加了泡沫 的稳定性，故泡沫柱的增加倍数远大于6 ~ 7倍，
具体倍数与泡沫剂的类型和使用浓度有关（稳态 时，单位时间生成和破裂的泡沫数应相等，故存 在最大泡沫高度），泡沫边界液体量和泡沫密度 随泡沫高度增加而迅速减小，故可大大改善气井 的生产状况。
起泡剂对流态的影响
• 起泡剂对气泡流和段塞流流态的影响主要表现为泡 沫效应。形成稳定泡沫，增加泡沫高度，减少气体 的滑脱，使流动更平稳和均匀。
• 起泡剂对环雾流流态的影响主要表现为分散效应。 形成的液膜更平滑，减少对气流的阻力，液滴更小， 容易被气流带走。
• 起泡剂促进流态转变，主要表现为分散效应。促进 从段塞流转变到环雾流，从环雾流转变到雾状流。 例如，处于段塞流高级阶段的气井，一旦加入起泡 剂，表面张力下降使水相分散，段塞流将转变到环 雾流。
分散效应 由于界面张力降低，水滴在相同动
能条件下更易分散为质点，质点愈小愈 易被气流带走。分散效应一般出现于高 流速状态。
起泡剂对水溶液力学性质的影响 当起泡剂注入浓度小于临界胶束浓度
CMC时，起泡剂水溶液为稀溶液，一种牛顿 流体。起泡剂注入浓度不同，水溶液力学 性质也不同。温度、杂质等对力学性质的 也会产生影响。
浓度
起泡剂性能要求
• 可降低水的表面张力 • 起泡性能好，使水和气形成水包气的乳状液
• 能溶解于地层水。亲憎平衡值要求在9~15范围
之内 • 泡沫携液量大，即气泡壁形成的水膜越厚，单
位体积泡沫的含水量越高，泡沫的携水能力越 强 • 泡沫稳定性适中。因稳定性差有可能达不到将 水带至地面的目的；反之，如稳定性过强，则 将会给地面消泡、分离带来困难。
• 实施操作简单，实施过程中不需特殊的修井作业 及关井。
• 现有起泡剂及泡沫助排剂对不同气井有较强的适 应能力，能满足不同类型气井的需要。
气井带水机理
环雾流 靠气心对液膜的摩 擦携液
段塞流 带水能力最高 泡流 小气泡上窜,液体滑脱
实验研究表明
• 在段塞流中加入一定浓度的表面活性剂(如泡棒、 酸棒或滑棒等)，可促使气相和液相互相混合，减 弱振荡效应。且在一定条件下，浓度越大，混合 越好，振荡越弱，能量损失也降低。
• 在环雾流下，卷吸作用越强，越易促进流型转变。
当韦伯系数We达到12 ~ 20的时候，可使环雾流中
的液膜被卷吸成细小颗粒进入气相中。加入表面 活性剂韦伯数降低到8就可促使流型转变。
气井停喷机理——投药时间
为了获得最佳的经济效果，实施泡排工艺 的时间要恰当，否则将是事倍功半或无收获。 常规气井 这类气井的气量较高、水量较少，地层能量
一般粘度随起泡剂注入浓度增加而升高。
粘度
CMC
浓度
密度 起泡剂水溶液的密度随起泡剂注入浓度增加而升高。
密度
CMC
ຫໍສະໝຸດ Baidu
浓度
临界流速,m/sss
起泡剂对临界流速的影响
分散效应不但促进流态转变，也降低临界流速。
7 6 5 4 3 2 1 0
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
界面张力,N/m
前苏联研究发现，如果把水举升至 地面所需气流速度为4~5 m/s，那么举 升泡沫所需的气流速度仅为0.1~0.2 m/s。这表明，泡沫排水采气方法对于 低产井具有很强的适用性。
泡沫排水采气的优点
• 充分利用地层自身能量实现举升，因而成本低、 投资小、见效快，经济效益显著。
• 设备配套简单。其举升流程与自喷生产完全相同， 较所有人工举升工艺的配套设备更简单。
一般经验公式
100Pwf Ptf Hw
间喷采气机理
如果停喷气井的井底附近地层能量恢复， 足以使油管中的流动形成段塞流，并可将聚积 的液体举升到井口，则气井可以间喷采气。如 果气体流量进一步能将井中所有液体排出，则 气井转入自喷生产。
间喷采气过程
起泡剂 能降低界面张力的物质称为表面活性剂
张力 CMC
• 稳定性
根据现场的使用情况，认为泡沫的稳定时间一般为 1~2小时，泡沫高度为泡沫始高的2/3为好。
起泡剂排水采气机理
• 泡沫效应 • 分散效应 • 减阻效应 • 洗涤效应 泡沫效应
泡沫是由充气泡、泡膜和 液体边界（液沟）构成。 液沟一般由相邻的气泡 构成。
泡沫的膜和液体边界
一是将液柱变为泡沫柱，形成稳定的充气泡 沫，增加了臌泡高度，减少对井底回压，使产量 增加或井口油压上升；二是减少水的滑脱，在一 定条件下气水同步流出井口。泡沫产生意味着气 水两相结合得更加紧密，具有乳状液性质。泡沫 的物性参数与起泡剂的性质和浓度有关。泡沫效 应主要在低流速出现。
• 如果采用起泡剂地面注入浓度，则初期使用起泡剂 的注入量一般以1:0.5为宜，即气井产1m3/d地层水 注入0.5 kg/d稀释溶液为好。对于初次开展泡排工 艺的气井，初期注入起泡剂量应大于0.5 kg，反之， 应尽量低于0.5 kg。
界面张力 起泡剂水溶液的界面张力随起泡剂注入浓度
增加而迅速降低，界面张力随浓度下降的速度体 现了起泡剂的效率。当起泡剂注入浓度大于临界 胶束浓度CMC时，界面张力随浓度变化不大。一 般液体界面张力随温度升高而下降，
起泡剂浓度对界面张力的影响
张力
CMC
浓度
粘度 起泡剂水溶液的粘度接近产出水的粘度，
该图表明了一些共同的规律，即是不管什么药
剂类型和什么样的流型，当药剂浓度达到400 ~ 600
mg/L时，其带水能力最好。但是不同的药剂、流型， 其带水能力则不同。换言之，同一药剂、不同流型， 或者说同一流型、不同药剂，其带水能力各不相同。 考虑现场使用情况，因药剂的加入，带水能力增强， 水量增大，则药剂的理论计算浓度会降低。所以， 建议600mg/L为现场最佳使用浓度。
• 不同的表面活性剂有各自的临界胶束浓度值， 该值为理论用量的最高值。
• 起泡剂 胶束浓度100%
8003 3.2
空泡剂 9
8001
7 ~8
• 但实际上影响浓度的因素较多，要视气流速度、 分离条件、井温和有否凝析油而定。
通过大量的室内试验研究，得出了不同类型 的起泡剂在不同流型下的气体带水能力曲线。
确定起泡剂排水采气参数经验方法
起泡剂最佳注入浓度 起泡剂注入浓度必须根据其性能和气井本身的
条件来确定。注入浓度过低，达不到改善井筒气水 两相流流态的目的，注入浓度过高，井筒压降反而 回升高，而且地面消泡困难，分离器也会产生较高 的回压。
临界胶束浓度
在泡沫排水采气中，起泡剂浓度加入不当，可 导致工艺失败。起泡剂注入气井的浓度一般应小于 其临界胶束浓度。从而降低起泡剂的浪费，可避免 给气井、地面集输及气水分离等带来不必要的危害。 对正在生产的气井开始试验时，建议按其临界胶束 浓度的70%加入，再视其带水的情况酌情加减。而 对停产井，初始加入起泡剂宜稍过量，以达到既能 正常带水又不影响地面气水分离的目的。
不太充足，自喷时主要以环雾流为主。
积液过程 当井筒内气体实际的流量小于连续排液
所必需的临界流量时，气流就不能将进入井 筒的液体和在井内析出的液体全部排除井口， 这部分液体会在井底聚积，增加井底压力， 降低气井产量，甚至使井停喷。
气井积液过程
预测方法
临界流速
Vg
5.5
(L g2
g
)
0.25
起泡剂对泡沫高度的影响
泡高
有起泡剂 无起泡剂
速度
试验表明，排液所需气流速度一般愈大 愈好。但不是绝对的，有时较低的速度也同 样有利于排液。
气流速度对泡排的影响
气流速度
气流速度在1 ~ 3m/s时，泡沫带水能力小，
不利于泡排。当速度＜1 m/s时，原生态泡沫很少 被破坏，也有利于带水，这种方式排液，要求发 泡剂具有较好的携水能力，其泡沫含水饱和度要 高、稳定性要好。以气泡流为例，当气速在0.52 m/s以下，因为动能较小，泡沫未被气流冲破，原 生态泡沫可保持原样一直流出井口，这种泡沫的 外形呈峰巢状，气泡的周围为水膜。
泡沫稳定性 泡沫稳定性取决于排液快慢和液膜的
强度，受界面张力（及其修复作用）、表面 粘度、溶液粘度、气体通过液膜的扩散、表 面电荷的影响，其中表面粘度是影响泡沫强 度的主要因素。因此影响泡沫的稳定性。
• 泡沫排液过程是由于液沟压力小于膜中压力，液膜 逐渐变薄，对于厚液膜，重力也会使液体下降。
• 泡间气体扩散是由于小气泡中的压力大于大气泡中 的压力，促使小气泡减小，大气泡增大。
一般要求亲憎平衡值在9 ~ 15，其值越
大，水溶性越高。
• 界面张力
起泡剂能达到的最低界面张力为10-4 dyne /cm，最 低界面张力体现泡沫起泡剂的起泡能力。
• 临界胶束浓度（CMC）
起泡剂的临界胶束浓度一般应大于6.0×10-5，临界 胶束浓度越大的其带水能力越好，起泡性能也越高。但 不包括加入某种物质对胶束浓度的影响
泡沫排水起泡剂类型
• 离子型（主要是阴离子型） • 非离子型 • 两性表面活性剂 • 高分子聚合物表面活性剂等
四川常用起泡剂技术指标如p48表4-10所示。 可根据气井流体性质和温度，选择适当配方，确 定泡排工艺参数
起泡剂的选择
排水采气起泡剂可根据以下几个方面选择： • 井温 • 凝析油 • H2S、CO2 • 水矿化度 • 亲憎平衡值（HLB）
泡沫排水采气
西南石油学院石油工程系 1999.10
泡沫排水采气工艺(泡排)是排水采气的主要手 段之一。它是将起泡剂（表面活性剂）从携液能力 不足的气井井口注入井底，借助于天然气流的搅拌 作用与井底积液充气接触，从而减小液体表面张力， 产生大量较稳定的含水泡沫，明显降低气液混合物 密度，大幅度降低油管内的摩阻损失和重力梯度(有 效降低井底流压)，使井底积液易被气流从井底携带 至地面。在地面加入消泡剂使气水分离。
临界流量
qsc
2.5104
APVg ZT
式中
qsc----气井携液最小流量，104m3/d A-----油管面积，m2 P-----压力，MPa T-----温度，K σ-----气水界面张力，N/m ρL---水的密度，kg/m3 ρg---气的密度，kg/m3
气井携液最小流量是压力和温度的函数， 井底的压力和温度都较高，而井口压力和温度 都较低。压力高气体的密度大，气井携液需要 的流量大，而温度小也会使气体的密度大，同 样会使气井携液需要的流量大。因此，实际气 井中是井底携液需要的流量最大还是井口携液 需要的流量最大，与井的条件有关。
地面注入浓度的经验法
空泡剂的地面注入浓度一般为1:5 ~ 1:10之 间，即1kg起泡剂可加清水5 ~ 10 kg，CT5-2起 泡剂的地面注入浓度应为1:15 ~ 1:27之间或更
高。 起泡剂 空泡剂 CT5-2
地面注入浓度 1:5 ~ 1:10 1:15 ~ 1:27
起泡剂注入量
• 已知起泡剂注入浓度和气井产水量，直接计算起泡 剂注入量。同时，还要根据起泡剂的类型、气井带 水生产平稳状况、温度和不溶物等物性参数来确定。 但应主要以气井带水生产连续且稳定为宜。
8
井口
6
井底
4
2
0
0
5
10
15
20
压力,MPa
如果气井的实际井口流速和井底流速大于 对应的气体临界流速，则气体能带水。否则如 果气井的实际井口流速和井底流速小于对应的 气体临界流速，则气体不能带水，井底出现积 液。这就是见水气井的积液条件，这时就要加 入起泡剂助排，其时间就是投药时间。
特殊气井
气量较低、水量较大，地层能量较高， 自喷时主要以段塞流为主的气井。气井带水自 喷的条件：井底流压与井口流压之差的能量, 可将井底聚积的液体举升到井口。