液氮气举计算与方式优选

液氮气举计算与方式优选

张培宁

摘要：低渗地层在射孔、压裂、酸化等作业后，采用液氮排液技术可以及时降液诱喷，加快入井流体的排出，又能准确控制掏空深度，避免套管损害。该工艺施工安全，排液速度快，掏空深度大。本文对现场常用的液氮气举方式进行了分析计算，并引出了正举最大液氮使用量的计算，优化选择不同条件下最适宜的气举排液方式。

关键词：液氮气举计算优选

氮气属于隋性气体，来源广泛，在常温下很难与其它物质发生化学反应，不会像空气与天然气混合压缩后会发生爆炸。低压低渗储层，在钻井、试油(解堵、压裂、酸化、射孔等)施工作业中，入井流体如泥浆、压井液、压裂液等进入储层，会对储层造成伤害，需用人工方式举升排液来加快入井流体的排出，减少储层的伤害。液氮排液工艺和其它排液工艺如水力泵排液相比，具有易组织，动用设备少，掏空深度大，施工时间短，安全可靠等优点。另外，对于油层套管抗外挤强度小或易出砂的井，采用液氮气举排液工艺能准确控制掏空深度，使降液施工既安全又有效。

一、液氮排液工艺原理

液氮排液是液氮从储氮罐流经各阀体、滤清器进入液氮泵增压后排出低温高压液氮，由蒸发器加热变为常温高压氮气后泵入井内，以氮气的体积占据井筒中的空间排替出井内液体，放气后减少液柱对产层的回压达到诱喷排液的目的。还可以不放氮气，利用气举特性对停喷的油井和高压低渗井进行求产诱喷。排液方式可分为正举排液和反举排液，根据特定的排液目的和井筒结构选则合适的排液方式。

1．反举排液

反举排液工艺，即从油套环空泵入氮气，从油管返出压井液，然后从套管放喷出氮气，降低井筒液柱高度以达到诱喷的目的。反气举计算所涉及的参数如下：

(1) 环空最终气液界面压力(MPa)

Pb=ρ液 Hb/100

(2) 氮气柱平均温度(℃)

Tb=18℃+K温(Hb-20) /100；

Tav=(20℃+Tb)/2

(3) 停泵时的套压(MPa)

Pw=PbEXP（-0.03415γgHb/ Tav Z），也可利用氮气柱的深度压力表查出Pw

(4) 氮气柱所受的平均压力(MPa)

P=（ Pw + Pb）/ 2

(5) 施工所需液氮量(m3)

现场常用氮气柱所受的平均压力P和平均温度Tav来查出压缩应子B,利用公式计算出所需液氮量：

V液氮=B Hb S环/696.5

2．正举排液

正举就是从油管内注入氮气，井内液体由环空返出。由于油管容积小于套管环空容积，正举时泵注的氮气一般只有到达管鞋并越过管鞋进入环空后才能排出设计要求的液面深度的排出液量。

在正举排液中有一个关键点，即在假设没有滑脱的情况下 (气液界面上没有串流)，指氮气到达井底后从环空上返，停泵后氮气能依靠本身的膨胀就可将环空中的液体全部推出到地面时的最低气液界面的位置，这就是过量点。在数学意义上，过量点以上环空容积等于过量点以下环空容积与油管内容积之和，即氮气到达过量点时，井筒内氮气的容积与液体所占的容积相等。

过量点的深度如下式

He=Ho(S环+S油)/2S环

过量点确定了氮气正举时所需液氮的最大量。下面就参数计算介绍如下：

过量点处的压力（MPa）

Pe=ρ液 He/100

过量点以下氮气平均温度(K)

Te=18℃+K温(He-20) /100： To =18℃+K温(Ho-20) /100

Tav1= （Te+ To）/2

油管鞋处的压力(MPa)

Po= Pe +0.03145γL（1/(Im+Ir)+ 1/(Im+Ir)，现场实际利用氮气柱的深度压力表查出Po

过量点以下氮气平均压力(MPa)

P1=（ Po+Pe）/ 2

过量点时的环空中氮气折为液氮量(m3 )

利用P1和平均温度Tav1查出压缩应子B1，计算出液氮量：

V液氮1=B1（Ho-He）S环/696.5

油管内氮气的平均温度(K)

Tb=18℃+K温(Ho-20) /100；

Tav=(20℃+Tb)/2

氮气到达过量点时井口的油压(MPa)

Pw=Po-0.03145γL（1/(Im+Ir)+ 1/(Im+Ir)，现场实际利用氮气柱的深度压力表查出Pw

油管内氮气所受的平均压力(相对，mPa)

P2=（ Pw+Po）/ 2

油管内氮气折算为液氮量(m3 )

根据氮气柱所受的平均压力P2和平均温度Tav来查出压缩应子B2

V液氮2=B2So Ho/696.5

液氮总用量(m3 )

V=V液氮1+V液氮2

在液氮正举降液施工中．考虑到滑脱效应，可在理论用氮量的基础上附加 l0％～l5％。

二、两种气举方式的优选与应用

正气举降液可充分利用氮气的密度差及压缩势能。让举过管鞋的压缩氮气在往上运动的过程中利用其膨胀能量尽量携带液体出井筒，充分利用了氮气的压缩势能。

反气举排液只是靠氮气排开井筒中液体所占的体积，气举后将氮气放出达到降低液面的目的，仅利用了氮气的一部分势能。

在排出相同体积的井筒液时正举排液施工泵压高，设备耗能大，在排液后期，由于氮气的滑脱窜出，出口带气，容易造成罐内液体溅出造成污染。反举排液出口由于没有氮气窜出，出口出液比较稳定。

在预定的排液深度较深时，正举排液用液氮量要少于反举排液时的用液氮量，但是在预定的排液深度较浅时，反举排液用液氮量就要小于正举排液的用氮量了（见表1）。

表1：两种举升方式用氮量差异表

附，腐蚀速度明显增大。所以在选用液氮排液方式时应该选用反举排液，而不适用正举方式。并且在套管放空氮气后要及时用清水洗井，将环空中的残酸洗出，以免油管过度腐蚀致使油管落井。

某井完成筛管深度5240m ，3月20日酸化施工。注入胶凝酸150m3，3月23日液氮反排液，用液氮10.7m3，套压24MPa，排出井筒残液20.4m3，套管放空氮气后油管继续放喷排残酸，24日洗压井，ρ1.03海水反洗井深5239.52m，灌入4m3返液1.8 m3，起出油管后发现管柱底部30根油管腐蚀1－2mm，筛管上部12根油管本体有大片蚀洞。（见图1）

图1：管柱腐蚀图

张27-1井完钻井深4389m，最大井斜48.5°/3048.62m，射开油层井段：3532.5-3653.9m，井身结构为φ244.5mm套管悬挂φ177.8mm套管，悬挂器深度：3167m， 2008年该井电泵日产原油59.21t，气7562m3，含水3.5%。8月16日检电泵作业漏失1.08压井液50m3，井内管柱结构为：φ89mm油管3000m+φ73mm油管630m+φ62mm喇叭口，要求液氮掏深2000m诱喷作业。

由于本井为大套管，如果采用反举方式诱喷，需要液氮16m3，计算如下：井筒降低液面2000m，则环空需降低至2255m，排出井筒液72m3，由于本井为大斜度井，2255m折垂深为1810m，井口压力15MPa，井底压力18MPa，平均温度48，B因子为155，则需液氮量：72*155/696.5=16m3

正举诱喷应用过量点理论，确定计算井筒过量点深度为1943m，折垂深1600m，可算出最多只需要12m3液氮就可达到排液深度要求。

由于本井压力系数0.96，渗透率25毫达西，套管容积较大，气油比128，如果液氮排液后，将油管压力放空，则液面将迅速下降至2000m左右，由于渗透率很低，液面恢复较慢，况且本井为大斜度井，溶解气将很快从液体中逸出，井筒内流动型态由泡流很快就发展为环流和雾流。并且由于滑脱损失增加了井筒内混和物的密度和粘度，平衡了地层压力后井口很难自喷出原油。

为了充分利用溶解气的能量，本井在液氮排液后关闭油管闸门保持油管压力，环空处于充满或较高液位，致使溶解气不能完全从环空液体中逸出，井口处于间喷状态，日产原油