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1、泡沫流体技术在石油工程中的应用,一、前言二、泡沫流体的基本特征三、泡沫流体的基本理论四、泡沫流体技术在石油工程中的应用五、下一步研究方向,提 纲,一、前言,泡沫流体是一种可压缩的非牛顿流体，具有低漏失、低密度、低伤害、强携砂能力以及氮气泡沫在地下与天然气混合不易发生爆炸等优良性能。泡沫流体在地层中渗流具有选择性，既能封堵高渗层，提高低渗层波及系数，又能有效地封堵水层，选择油层进行流动（即“堵大不堵小”、“遇水稳定，遇油消泡”）。,一、前言,目前，泡沫流体在石油工业的钻井、完井、采油等领域都显示出很大的应用潜力。在冲砂洗井、混排解堵、选择性酸化、压水锥、调剖驱油、携砾石充填和残酸混排等施工作业中
2、有效地利用了泡沫流体低密度、高粘度和强携砂能力及选择性渗流等特点取得了较好的效果。,一、前言二、泡沫流体的基本特征三、泡沫流体的基本理论四、泡沫流体技术在石油工程中的应用五、下一步研究方向,提 纲,泡沫的定义泡沫的分类泡沫的形成泡沫流体特殊物理性质,二、泡沫流体的基本特征,1.泡沫的定义,两相泡沫流体一般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，由液体薄膜包围着的气体就形成了单个的“泡”，而泡沫则是气泡的聚合体。其中气体是分散相（不连续）液体是连续相（连续）。泡沫的分散程度较低，属于粗分散体系，通常气泡半径大于100nm，用显微镜或肉眼能分辨出个别气泡的大小。,2.泡沫的分类（一）
3、,泡沫,按泡沫寿命分,不稳定泡沫寿命在几秒钟以内,稳定泡沫寿命大于几分钟甚至更久,泡沫,按气液比例分,气体分散体液体多而气体少，泡沫质量小于52,泡沫气体多液体少，泡沫质量大于52,2.泡沫的分类（三）,泡沫,按组成分,两相泡沫由气体和液体组成,三相泡沫由气体、体液和固相组成,3.泡沫的形成条件,(1)气液接触 只有气体液体连续充分地接触才能产生大量的泡沫。(2)含起泡剂 纯净的液体不能形成稳定的泡沫，加入起泡剂以后降低了表面张力，才能使体系得以稳定。,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。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
4、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%。也有使用液氮的，但一般不如气体分离方便。,泡沫发生器,4.泡沫流体特殊物理性质,1、密度可调，液柱压力低，对地层伤害小。常压下其最低密度可达0.030.04 g/cm3 在井眼中其平均密度一般均低于 0.50.8 g/cm3 低密度可以使得泡沫流体具有漏失少、对地层污染较轻等优点，可以用来对低压井进行作业。同时泡沫流体中无固相，这可使其对地层的损害减少到最小。,2、泡沫流体动切力较大，粘度高，在较低的返速下，其携带岩屑的能力大。,砂砾在泡沫中的沉降速度仅为在清水中的沉降速度的1/10左右，
5、可以看出泡沫的携砂能力大大强于清水,泡沫流体特殊物理性质（续）,泡沫质量2585之间时，砂砾在泡沫中的沉降速度较小，施工中要将泡沫质量控制在这个范围。,3、较低的滤失量，对地层的伤害较小，从而适合用于水敏性地层 4、摩阻低，压力损失较小，有效粘度高，雷诺数低，处于层流状态，从而摩阻较低,泡沫流体特殊物理性质（续）,泡沫流体特殊物理性质（续）,5.泡沫流体属于非牛顿流体，具有剪切稀释特性，在高渗透地层中的表观粘度大于在低渗层中的表观粘度，对高渗层有封堵作用，对低渗层有增大波及体积、提高波及系数的效果。6、遇水稳定，遇油消泡，可以暂堵水层，同时对油层进行作业。,一、前言二、泡沫流体的基本特征三、泡
6、沫流体的基本理论四、泡沫流体技术在石油工程中的应用五、下一步研究方向,提 纲,泡沫流体的流变性研究,泡沫流体的流变性是泡沫应用的基础，由于泡沫体系的配方、泡沫质量、温度、压力、环境介质等影响流变性的因素比较多，到目前为止仍然没有得到统一的流变模式，还处于不断研究、发展和完善的阶段。,泡沫流体在环套空间的流动规律研究,泡沫体系在井筒中的流动是一个变压力、变温度、变密度、变流性指数的复杂过程，受到压力、温度等因素的影响，利用动量、能量方程求解低密度可压缩非牛顿流体在圆管环空中的流动规律。,泡沫流体在地层中的渗流规律研究,理论研究：根据泡沫流体的在地层中的渗流理论，建立泡沫流体的渗流方程，模拟泡沫流
7、体在地层中的流动规律。实验研究：泡沫渗流微观模型实验、泡沫表观粘度随着毛管半径的变化实验、泡沫封堵能力评价实验；泡沫波及机理实验等。,一、前言二、泡沫流体的基本特征三、泡沫流体的基本理论四、泡沫流体技术在石油工程中的应用五、下一步研究方向,提 纲,四、泡沫流体技术在石油工程中的应用,4.1 氮气泡沫冲砂洗井技术,4.2 氮气泡沫砾石充填技术,4.3 氮气泡沫流体混排技术,4.4 氮气泡沫酸酸化技术,4.5 氮气泡沫驱油,4.6 氮气泡沫流体堵水调剖技术,4.7 氮气泡沫压水锥技术,4.8 氮气泡沫压裂技术,成熟应用技术,在研技术,4.1 泡沫冲砂洗井技术,油层出砂是油田开采过程中的常见问题之一
8、。砂粒随流体的产出被带到井筒中，沉积在井底堆积起来，埋住油层和管柱，造成产量降低，泵磨损。对于低压漏失油井，清水冲砂时，作业液漏失地层严重，造成的后果是油层被严重污染、油井产量降低、检泵周期缩短、作业费用增加。泡沫流体具有密度低，携砂能力强等特点，可以有效的解决低压易漏失井在冲砂洗井时洗井液漏失地层污染地层的问题。,承担课题,山东省自然科学基金项目Q99A16“泡沫流体流变性研究及应用”；中石化胜利油田重点科技攻关课题“泡沫冲砂技术研究”（1998年），鉴定为“国际先进”，获2002年山东省科技进步奖三等奖；获胜利油田科技进步三等奖；东营市、中国石油大学科技进步一等奖；“泡沫流体冲砂洗井井口控
9、制参数设计软件”（获2002年山东省计算机应用成果一等奖）；中石化胜利油田重点科技攻关课题“泡沫携砂液流变性研究及在作业井中的应用”（2001年），鉴定为“国际先进”，在桩西采油厂获得成功应用；,研究成果,1.建立泡沫流体冲砂洗井数学模型；2.制定泡沫流体冲砂洗井工艺流程3.形成配套泡沫流体冲砂控制参数设计软件4.设计了泡沫发生器,目前该产品已经形成系列产品，申请了国家专利（专利号：ZL 2004 2 0097112.5）,泡沫流体冲砂洗井冲砂试验,2000年10月12日在ST36X162井实施了现场冲砂试验。,该井基本情况为：油层漏失严重，在历次作业中使用暂堵剂冲砂无效。将该井基本数据输入计
10、算机计算后，得出本次冲砂的现场试验参数为：水泥车排量0.6 m3/min、压风机转速900 r/min、发泡剂加入量为4、注入压力5MPa。冲砂一次成功，冲出细灰砂0.3m3。通过本次试验和以后的多次试验,我们较为准确的摸索出了各种井况下的冲砂参数及施工方法,为以后顺利实施泡沫流体冲砂洗井研究奠定了良好的基础。,2000年11月13日，在ST38210井进行了首次洗井试验。该井因严重漏失,使用了泥浆60m3进行冲砂,冲砂后用清水替出了泥浆30m3，剩下的30m3泥浆用普通方法无法替出。确定本次试验所需的参数后，我们首先用正注了浓度为3的泡沫液,待井口压力由0MPa升至4.5MPa再进行反注，直
11、至压力由0MPa升至4.5MPa。重新开始正洗井后，建立起了良好的油套循环，继续洗井1h，井筒内的泥浆全部被替出井筒。,泡沫流体洗井洗井试验,胜坨油田现场施工施工统计表,桩西油田泡沫冲砂现场实施情况,附图1-现场施工第一口井ST3-5-629,附图2-水泥车,附图3-空气压缩机,附图4-水泥车、空气压缩机与泡沫发生器连接,附图5-泡沫发生器,低压,高压50MPa,附图6-泡沫发生器与管线连接,附图7-水龙带与冲砂管汇连接,附图8-建立循环,附图9-现场冲出的砂粒取样,附图3-空气压缩机,附图10-现场试验用泡沫车,“氮气泡沫发生系统的研制及在海洋石油开发中的应用”-洗井、冲砂、压井、低密度射孔
12、液 经以郭尚平院士为组长的鉴定委员会一致认为，该项目达“国际领先水平”,2003年4月7日胜利日报头版刊登“低密度泡沫压井液海上油井施工获得成功”的报道,2004年3月24日中国石化报第三版刊登“低密度氮气泡沫流体技术海上油井显威”的报道,4.2 泡沫携砾石充填简介,针对充填防砂水基携砂液因密度大、携砂能力低影响防砂效果等问题，开展泡沫携砂液砾石充填工艺研究，采用密度小、粘度高、砂砾携带能力强的泡沫液替代水基携砂液，提高携砂能力和防砂效果 采用正循环充填工艺。地面泵将泡沫砾石砂浆从油管泵入到达井底，通过充填工具转换通道进入环形空间，砾石沉降逐渐堆积于环形空间，经筛缝过滤的泡沫进入冲管向上经工具
13、转换总成的夹壁腔，自旁通孔流入工具上方的套管环形空间（转换工具的封隔器总成阻止泡沫液向下运动），并继续流至井口返出，从而实现油井正循环砾石充填。,研究成果,1.建立泡沫携砾石充填数学模型2.设计携砾石充填工艺流程3.形成配套携砾石充填参数设计软件,泡沫携砾石充填设计软件,泡沫携砾石充填现场实验,2004年10-11月在106-K65、106-43、1-30三口井进行了现场试验，并获成功。目前三口井的日增油能力合计达20吨。至2004年12月底累计增油587吨。,4.3泡沫流体残酸混排和混排解堵,残酸返排是否及时、彻底直接影响到酸化施工的最终效果，常用的排酸工艺是利用工作液体的低密度或机械工艺产
14、生射流，在井底形成负压从而诱导地层吐出残酸液体。泡沫液体的低密度和低摩阻特性使得泡沫可以作为一种较理想的工作液体进行残酸返排。,研究成果,1.建立泡沫流体混排数学模型2.设计流体混排工艺流程3.形成配套流体混排参数设计软件,泡沫流体酸化混排现场实验,混排解堵现场实验,胜利油田石油开发中心草4-9斜315井为稠油井，井深1169m，油层井段1065m1070m。因近井地带稠油胶结地层砂形成堵塞，2005年10月13日采用注入稠油降粘剂，降低近井地带稠油粘度，低密度泡沫流体混排出地层砂，解除近井地带堵塞。该井采用泡沫流体混排解堵，返排出大量地砂，有效地解除了近井地带的堵塞，开井生产后日产油6t，增
15、油4t，已列为增产技术之一。,泡沫酸可以选择性的封堵高渗率，提高低渗层的波及系数，达到深度酸化的目的。泡沫酸的缓蚀性能较好，能够得到较大的酸化半径，对于污染半径大的井况更为适用。泡沫酸的返排性能好，残酸返排彻底。,4.4泡沫酸选择性酸化地层工艺,承担课题,中石化胜利油田“泡沫酸酸化工艺技术研究”（2004年重点科技攻关课题）中石化中原油田“泡沫酸酸化工艺技术研究”（2004年科技攻关计划）-经以郭尚平院士为组长的科技专家鉴定为“国际先进水平”，已被中原油田列为增产技术之一，中原石油报做了报道）海上油田氮气泡沫酸化暂堵分流工艺技术研究（2005年中海油服科技攻关课题）,研究成果,1.泡沫酸配方及
16、评价实验2.泡沫酸流变性及其流动规律研究3.暂堵分流实验及渗流机理4.泡沫酸酸化工艺设计软件 5.现场施工工艺设计,泡沫酸酸化工艺设计软件,现场应用,桩西采油厂桩1212井泡沫酸酸化中原油田P7-7井（油井）泡沫酸酸化 中原油田P3428井（水井）泡沫酸酸化中原油田WC95157井（气井）泡沫酸酸化,泡沫酸现场应用,桩西采油厂桩1212井，96年后实施三次酸化，日增油分别为14吨、4吨和3吨。2005年11月13日，利用氮气泡沫酸化工艺对该井进行酸化施工，施工前日液4.7吨，日油1.6吨。泡沫酸化施工利用泡沫在地层中的暂堵作用，根据泡沫“堵大不堵小”的特性，使高渗透层得以暂时封堵，使主体酸液转
17、向主要进入低渗透层，扩大了酸化的面积。同时主体泡沫酸酸岩反应较慢，增大了酸化半径。返排带出的微粒量是普通酸的7倍以上。该井施工后，日增油10吨，增产效果明显。,泡沫酸现场应用,中原油田P7-7井于1993年10月完井，施工前日产液3.1t，日产油2t。为进一步提高该井产能，按地质要求，2005年4月18日对该井实施氮气泡沫酸酸化。施工后日产液量26.2 m3，提高了23 m3，日产油量由措施前的2.0t提高到措施后的7.6t，日增油5.6t。截至2005年9月18日该井日产液8.9 m3，日产油5.0t，累计增液2250 m3，累计增油610t，取得显著增产效果。,目前的研究状况,被列为200
18、6年中石化提高采收率先导项目-“氮气泡沫选择性酸化地层工艺技术”（和胜利油田共同承担）；申报了国家自然科学研究基金、山东省自然科学研究基金资助课题。,4.5氮气泡沫驱油技术,目前承担课题胜利埕岛油田氮气泡沫调驱及适应性研究（UPCF200506）,1.泡沫流体的选择性渗流，提高波及系数2.降低表面张力，提高洗油效率3.氮气混相，降低原油粘度4.表面活性剂造成原油乳化，降低原油粘度5.气体的高能量，有助于驱油,氮气泡沫驱油技术驱油机理,4.6泡沫体系堵水调剖,泡沫堵水可以分为泡沫水泥堵水，泡沫堵剂堵水等，前者随着泡沫水泥工艺而发展，尤其适合于受到气窜威胁的油气井堵水。,泡沫堵剂堵水具有以下优点：
19、可以保持油井产能2.不需要动用大修设备3.作业时间短，见效快,泡沫堵剂是借助于泡沫成分的物理化学性质而达到限制水流和净化近井地带产层的目的，泡沫体系具有选择性又不会凝固，对产层伤害小，能保持油井产量。,泡沫堵剂不会在井筒残留固体杂物，更不必上大修设备。,泡沫堵水现场作业工序简单，施工后随着压力下降、气体膨胀助排，可以自动反排出修井液、诱导油流恢复生产。大大缩短停产时间,泡沫体系堵水调剖优点,有强气顶或强边底水油藏，油气或油水界面无致密隔层,油层降压开采或注采比失衡（欠注或压力补充不足），导致油层压力亏空，尤以近井带严重（压降漏斗）。在开采过程中，在井筒附近形成较大的垂向油气或油水压力差，在这种
20、压差作用下，气顶、底水垂向井筒伞状锥进，形成气锥/水锥。如图1、2、3所示：,4.7氮气泡沫压水锥技术,图2油井底水锥进机理示意图,图1油井底水锥进示意图,图3 油藏底水、气顶锥进示意图,在水锥井的油水界面或气锥井的油气界面：a.注“氮气和泡沫剂”；b.关井；c.开井采油。重复进行多周期吞吐。,图5 泡沫压水锥过程示意图,图6 泡沫锁住气锥示意图,氮气泡沫压水锥技术 压水（气）锥过程,1）向油井较长时间高压、大排量注入氮气，近井区域快速升压。注入气体不但弥补近井带压力亏空，还形成升压漏斗，促使近井带水锥下移。2）注入及关井期间，由于重力分异作用，纵向上气体上移，油、水下移，形成次生气顶及新的气
21、油、油水界面，近井带形成原油富集区域。3）泡沫剂是亲水的表面活性剂，大部分进入高含水区域。氮气在多孔介质中被泡沫剂捕集，形成气泡，由于气泡的“贾敏效应”或“气阻效应”，使泡封堵水层。,氮气泡沫压水锥技术 压水锥机理,氮气泡沫压水锥技术在胜利油田和华北油田已经得到了应用。在胜利油田的单家寺油田，主要是针对稠油油藏主力油层水淹严重，热采油气比接近蒸汽吞吐经济极限的现状，采用了注氮气抑制底水锥进以及热氮混合提高热采采收率技术，最终有效地抑制了底水锥进和蒸气超覆，并缓解了层内矛盾，改善了蒸汽吸汽剖面，扩大了蒸汽的波及体积，为挖掘厚层内纵向剩余油提供了新方法。在胜利现河采油厂，主要是针对草古1潜山底水缝
22、洞型碳酸盐岩稠油油藏所出现的底水暴性水淹严重，产量严重下滑，油藏综合开发效益日趋变差的问题，采取了对部分高含水潜力井实施氮气压水锥治理底水工艺技术，结果表明，注氮气压水锥是行之有效的治理底水的措施，它降低了油井的产水量，提高了生产效率，有较好的生产效果。,氮气泡沫压水锥技术 应用现状,中石化中原油田研究课题“泡沫高温特性及压水锥技术可行性研究”(已完成室内实验和数值模拟研究),目前的研究现状,1.造缝面积大，因为泡沫滤失小，液体几乎全部用于造缝。2.泡沫悬砂性能好，对产层伤害小，排液迅速3.适合特殊地层压裂要求，如低压、低渗、水敏地层4.经济效益好，见效快。不必等候破胶，施工后关井数小时即开井
23、排液,4.8泡沫流体压裂技术,5.氮气泡沫压裂液和常规水基压裂液相比只有固体支撑剂和少量压裂液进入地层，对地层污染小。,6.氮气泡沫压裂液可在裂缝壁面形成阻挡层，从而大大降低压裂液向地层内滤失的速度，减少滤失量，减轻压裂液对地层的伤害,7.返排效果好。表现在两个方面：一是由于氮气密度低，井筒压力低，对油层产生的回压也大大降低，有利于压裂液排出井筒；二是基于氮气泡沫压裂液的膨胀作用，会产生一定能量，加速压裂液的返。,泡沫流体压裂技术,一、前言二、泡沫流体的基本特征三、泡沫流体的基本理论四、泡沫流体技术在石油工程中的应用五、下一步研究方向,提 纲,结论,1.泡沫流体为一种可压缩的非牛顿流体，具有低
24、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,决定了泡沫在油田中的应用方向。2.泡沫流体在地层中渗流具有选择性，既能封堵高渗层，提高低渗层波及系数，又能有效地封堵水层，选择油层进行流动。3.泡沫流体基本性能研究，包括稳定性、流变性以及泡沫流体井筒、环空中的流动规律、携砂规律等是进行现场施工设计的理论基础。4.泡沫流体因其特殊的性质，在石油工程中成功应用，并取得了可观的经济效益。具有理想的应用前景。,比较完善理论研究成果,1.泡沫流体基本性能研究，包括泡沫流体的稳定性、耐油性、流变性等；2.泡沫流体井筒、环空中的流动规律、携砂规律等，已经确立了相关计算模式和计算软件；3.泡沫流体暂堵分流特性理论及试验研究；4.氮气泡沫驱机理研究；5.泡沫发生器的设计研制，可以自动调节泡沫液体密度、耐酸、抗压等，形成了系列产品，申请了专利。,已经成形的工艺技术与软件,1.泡沫流体冲砂技术与软件2.泡沫酸选择性酸化地层技术与软件3.泡沫砾石充填工艺技术与软件控制参数设计4.泡沫流体助排工艺技术,下一步研究目标,1.高性能起泡剂的研制及泡沫稳定性理论的建立；2.泡沫流体渗流规律的研究；3.泡沫流体地层内能量（传热、传质）传递研究；4.泡沫流体流变性及在圆管和环空中的流动规律研究；5.泡沫流体应用领域的扩展,
