頁巖氣平臺井泡沫排水采氣技術

蔣澤銀 李 偉 羅 鑫 李小蓉 熊 穎 周 鴻 向建華

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室 3.四川長寧天然氣開發有限責任公司4.中國石油西南油氣田公司氣田開發管理部 5.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦 6.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院

0 引言

目前四川盆地川南地區已成為我國頁巖氣開發的主戰場，共計有威遠、長寧、昭通、瀘州、渝西等5個有利建產區，有效支撐了國家級頁巖氣示范區的建設和頁巖氣持續上產[1-2]。

受到頁巖氣特殊滲流機理的影響，氣井產量呈現出前期遞減快、中期遞減緩慢、后期低產下穩產的特征[3-4]。美國Haynesville頁巖氣井第1年產量遞減率平均為72%；長寧和威遠大部分頁巖氣井第1年產量遞減率介于60%～70%，在井口壓力小于6 MPa的低壓階段產量年遞減率小于10%。國內外頁巖氣均采用平臺叢式井組開發的模式，一個平臺部署水平井3～12口（國內為3～8口，國外為4～12口）[5]，單井壓裂注入的工作液量普遍超過4h104m3。井底積液是頁巖氣井生產面臨的普遍問題，需要盡早采取排水采氣工藝措施[6]。常用排水采氣工藝主要有泡沫排水、氣舉、電潛泵、有桿泵排水采氣工藝等，其中泡沫排水（以下簡稱泡排）采氣工藝由于成本低、見效快，是目前水平井應用最廣泛的排水采氣工藝[7-8]。泡排工藝在國外的頁巖氣開發中也大量使用，如美國Alliance頁巖氣田在80口井中采用了泡排工藝，日產氣量增加了29%[5]。

國外頁巖氣田的泡排采用由一臺地面泵和一個藥劑罐組成的藥劑注入裝置，采用太陽能供電，一口井使用兩套注入裝置分別加注起泡劑和消泡劑[5]。根據國內頁巖氣的管理模式、水平井井型、集輸工藝的要求，需要采用橇裝化、遠程控制的藥劑自動加注裝置，使用起泡力、穩泡性、攜液量更優的起泡劑[9-10]及消泡性能更優的消泡劑。因此結合現場生產和集輸工藝流程，通過優選泡排工藝流程、研制并持續改進平臺整體橇裝化遠程控制起泡劑和消泡劑自動加注裝置、優化起泡劑和消泡劑性能、建立消泡效果監控方法，形成了一套適用于川南地區長寧區塊頁巖氣平臺井的整體泡排工藝技術。

1 國內頁巖氣泡排工藝發展歷程

國內頁巖氣進行泡沫排水采氣開始于2016年（頁巖氣規模開發初期），到2019年底經歷了以下3個階段：①單井先導試驗階段。2016—2017年，在長寧區塊H3-1、H3-2井開展了頁巖氣泡排工藝現場試驗，日氣產量增加26.9%、日水產量增加117%[11]。②平臺整體泡排階段。2018—2019年，在長寧區塊9個平臺實施了平臺整體泡排工藝，在全部50口井中實施井數為45口，與平臺實施泡排工藝前5天日平均氣產量相比，工藝實施后15～30天期間日平均氣產量的增量乘以工藝實施總天數得到累計增產天然氣量，至2019年11月累計增產天然氣1.15h108m3、水1.27h104m3，形成了頁巖氣泡排管理制度和操作流程。③區塊整體泡排階段。2019—2020年，結合平臺整體泡排，考慮對增壓機及脫水流程的保護，在有增壓機平臺、增壓站及集氣站增加二級消泡。本階段計劃實施12個平臺，其中5個有增壓機平臺增加了二級消泡，在此期間編制形成了中國石油天然氣集團有限公司標準《頁巖氣井泡沫排水工藝技術規范》。目前泡沫排水采氣技術已成為長寧區塊最主要的穩產技術之一，2020年上半年應用井數預計將超過90口井、2021年上半年將接近150口井。

2 頁巖氣泡排工藝技術實踐

2.1 泡排工藝流程選擇

國內頁巖氣的開發形成了“采輸作業橇裝化”[1]“單井無人值守、調控中心集中控制”的管理模式。隨著頁巖氣開采配套技術的逐漸成熟，場站集輸工藝也在不斷改進，在長寧區塊形成了兩種集輸工藝流程。一種是2018年以前對于3～6口井的平臺采用一套計量分離器、一套生產分離器、輪換式計量的橇裝流程[12]；另一種是2018年以后一口井采用一套計量分離器的單井計量分離橇裝流程。頁巖氣的泡排工藝流程需要與現場管理模式和集輸工藝相匹配。

2016—2017年針對長寧H3和H6采用輪換計量橇裝流程的兩個平臺，采用單井起泡、集中消泡工藝流程（圖1），即起泡劑從各井油套管環空注入、消泡劑在計量橇裝流程的分離器前進行霧化加注。該流程的優點是減少了消泡劑的加注點并使消泡劑加注裝置結構簡單，但由于消泡距離短，各井加注制度不同時進行輪換計量需要頻繁調整各加注點的消泡泵排量，導致現場操作復雜。

因此，在2018—2019年分別對7個使用輪換計量橇裝流程和1個使用單井計量橇裝流程的平臺實施泡排時，對消泡劑加注位置進行了優化，采用單井起泡、單井消泡工藝流程（圖2），即起泡劑從各井油套管環空注入，消泡劑在每口井井口一級針閥后進行霧化加注。該流程雖然增加了消泡劑加注裝置的復雜程度，但有效克服了集中消泡工藝流程的缺點。

圖1 集中計量平臺的單井起泡、集中消泡流程示意圖

圖2 集中計量平臺的單井起泡、單井消泡流程示意圖

2019—2020年實施泡排平臺的集輸工藝流程均采用單井計量橇裝流程，其泡排工藝流程與圖2所示的工藝流程類似，區別僅在于每口井對應一個分離器。

2.2 加注裝置功能改進

起泡劑和消泡劑加注裝置的結構需要與現場泡排工藝流程配套，具備自動配液、自動加注控制、故障報警等功能，滿足橇裝化、無人值守、遠程控制的要求。

在起泡劑加注裝置上，從一開始就采用兩臺加注泵（一備一用）的橇裝裝置，并具備自動配液、自動加注井輪換、自動故障報警、遠程控制裝置運行的功能，可通過調整各井的加注時間、泵排量、起泡劑配制比例來實現各井不同的起泡劑加量。這種裝置在遠程調整各井藥劑加注制度上是非常方便的，固定泵排量和起泡劑配制比例，僅需遠程調整各井的加注時間就能實現。從目前實施平臺的情況看，能夠滿足頁巖氣平臺井對起泡劑的加注需求。

在消泡劑加注裝置上，根據井場集輸工藝流程及消泡工藝流程的變化進行了持續改進。采用集中消泡工藝流程時，消泡劑加注裝置采用兩臺雙泵頭加注泵（一備一用），對兩個分離器進行消泡劑連續加注。采用單井消泡工藝流程時，改進為一井一泵連續加注，各井共用一臺備用泵，可自動配液、自動故障報警、遠程控制裝置的運行，通過調整各井消泡泵排量、消泡劑配制比例來調整各井的消泡劑加量。有增壓機的平臺，基于單井消泡工藝流程的消泡劑加注裝置，增加一臺二級消泡泵。

2.3 起泡劑優化

為了提高水平井泡沫攜液效果，對起泡劑進行了不斷優化。針對泡排初期產出水礦化度介于10～60 g/L的特點，對常用起泡劑進行優選、評價，選取起泡力、穩泡性及攜液量最優的起泡劑[11]。隨著泡排井的增多及各井水質情況的不同，最初選擇的起泡劑不能保證其針對所有井的水樣都有相同的泡排性能，特別是穩泡性能，因此需要通過優選穩泡組分來降低液膜排液速率，從而優化起泡劑配方。

表1中起始泡沫高度（以下簡稱泡高）、5 min泡高和攜液量按《排水采氣用起泡劑技術規范：Q/SY 1815—2015》[13]進行評價，該標準規定起始泡高大于等于100.0 mm、5 min泡高大于等于80.0 mm、15 min攜液量大于等于120.0 mL。如表1所示，優化后5 min泡高提高了37%～50%。優化后的起泡劑已在9個平臺使用，現場用量為2.0 g/L時泡排攜液穩定。

表1 起泡劑CT5-7CⅠ配方優化前后性能對比表

2.4 消泡劑優化及消泡效果監控

頁巖氣泡排的難點之一是消泡，一旦消泡控制不好，將造成增壓機損壞及脫水溶液發泡。在現場實施過程中，通過以下3個方面的措施來確保消泡效果。

2.4.1 控制起泡劑用量

在保證泡排效果的基礎上，盡量降低起泡劑用量。通過對起泡劑加注制度的優化，起泡劑用量控制在2.0 g/L以內可以滿足頁巖氣井帶液的要求。

2.4.2 不斷改進消泡劑性能評價方法、提升消泡劑性能

在《泡沫排水采氣用消泡劑技術規范：Q/SY 17001—2016》[14]規定的消泡時間和抑泡時間的基礎上，建立了模擬現場起泡劑和消泡劑作用過程的高速攪拌評價消泡率的方法，評價了加入消泡劑與不加入消泡劑時100 mL起泡劑溶液經過11 000 r/min高速攪拌1 min后初始及3 min時的泡沫體積，并計算消泡率。基于新評價方法，對消泡劑性能指標的要求如表2所示，在此基礎上，通過對消泡劑的有機硅主劑、乳化劑及增黏劑進行優選，優化消泡劑配方，如表3所示，優化后初始泡沫體積和3 min泡沫體積明顯降低，提升了消泡劑的消泡性能。優化后的消泡劑已在9個平臺使用，現場用量介于4.0～5.0 g/L時消泡效果好。

表2 消泡劑性能指標要求統計表

表3 消泡劑CT5-10配方優化前后性能對比表

2.4.3 加強對消泡效果的監控

對消泡效果的監控包括以下3項內容：①從分離器排污口肉眼觀察，排污結束后污水池內的泡沫應在3 min內完全消失；②緩慢打開高級孔板閥的排污閥門，肉眼觀察排污口為純氣或有少量水，無穩定泡沫；③從排污口取泡排返出水進行二次發泡評價，要求100 mL返排水樣以11 000 r/min高速攪拌1 min后，初始泡沫體積小于等于15.0 mL、3 min時泡沫體積小于等于5.0 mL。通過對消泡情況進行有效監控，及時發現問題，并根據消泡情況調整消泡劑用量，從而提升消泡性能，進一步改善消泡效果（表4）。

表4 H12平臺泡排返出水二次發泡評價數據表

3 現場應用效果

2018—2019年在長寧區塊9個平臺實施了平臺整體泡排技術，采用橇裝化遠程控制起泡劑和消泡劑自動加注裝置（圖3）、集成化消泡劑霧化裝置（圖4），取得了良好的泡排效果。如表5所示，9個平臺氣產量增加比例介于9.55%～41.54%、平均為25.02%，水產量增加比例介于1.6%～48.0%、平均為19.1%。

圖3 平臺起泡劑、消泡劑加注裝置照片

圖4 集成化消泡劑霧化裝置照片

4 結論

表5 9個平臺泡排效果對比表

1）通過對集中消泡流程和單井消泡流程優缺點的對比，優選了單井消泡的頁巖氣平臺井泡排工藝流程，起泡劑從各井油套管環空注入、消泡劑從各井一級針閥后通過霧化器加注，能適用于集中計量平臺和單井計量平臺的起泡劑和消泡劑加注。

2）針對泡排工藝流程的變化，優化、改進了橇裝化遠程控制起泡劑和消泡劑自動加注裝置，起泡劑裝置采用單泵輪換加注、消泡劑裝置采用一口井一臺泵加注，具備自動配液、自動加注控制、自動故障報警、遠程控制的功能，能夠滿足頁巖氣平臺井泡排藥劑加注的需要。

3）優化了起泡劑的性能，特別是表征穩泡性能的5 min泡高增加了37%～50%。建立了消泡率評價方法及性能指標要求，優化了消泡劑性能，初始消泡率提高1.5%～3.0%，3 min消泡率提高0.7%～0.9%。起泡劑用量為2.0 g/L、消泡劑用量介于4.0～5.0 g/L可滿足現場泡排及消泡要求。

4）形成了現場消泡效果監控方法，通過對分離器和高級孔板閥排污口泡沫情況進行觀察、取泡排返出水進行二次發泡評價來評估消泡效果，進而優化消泡劑加注制度來進一步提升消泡效果。

5）在長寧區塊9個平臺實施了整體泡排技術，其中8個平臺采用優化后的工藝流程和加注裝置，取得了良好的泡排效果，氣產量增加比例介于9.55%～41.54%、平均為25.02%，水產量增加比例介于1.6%～48.0%、平均為19.1%。