泡沫流体技术在石油工程中的应用.ppt
提提 纲纲一、前言一、前言 泡沫流体是一种可压缩的泡沫流体是一种可压缩的非牛顿非牛顿流体，具有流体，具有低漏失低漏失、低低密度密度、低伤害低伤害、强携砂能力强携砂能力以及氮以及氮气泡沫在地下与天然气混合不易发生爆炸等优气泡沫在地下与天然气混合不易发生爆炸等优良性能。良性能。泡沫流体在地层中渗流具有泡沫流体在地层中渗流具有选择性选择性，既能封，既能封堵高渗层，提高低渗层波及系数，又能有效地堵高渗层，提高低渗层波及系数，又能有效地封堵水层，选择油层进行流动封堵水层，选择油层进行流动（即（即“堵大不堵堵大不堵小小”、“遇水稳定，遇油消泡遇水稳定，遇油消泡”）。一、前言一、前言 目前，泡沫流体在石油工业的钻井、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完井、采油等领域都显示出很大的应用潜力。在潜力。在冲砂洗井冲砂洗井、混排解堵混排解堵、选择性选择性酸化酸化、压水锥压水锥、调剖驱油调剖驱油、携砾石充填携砾石充填和和残酸混排残酸混排等施工作业中有效地利用了等施工作业中有效地利用了泡沫流体低密度、高粘度和强携砂能力泡沫流体低密度、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。及选择性渗流等特点取得了较好的效果。提提 纲纲1.泡沫的定义泡沫的定义2.泡沫的分类泡沫的分类3.泡沫的形成泡沫的形成4.4.泡沫流体特殊物理性质泡沫流体特殊物理性质 二、泡沫流体的基本特征二、泡沫流体的基本特征1.1.泡沫的定义泡沫的定义 两相泡沫两相泡沫流体一般是由不溶性或微溶性的气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包围着的气体就形成了单个的“泡泡”，而泡沫则，而泡沫则是气泡的聚合体。其中气体是分散相（不连续）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，液体是连续相（连续）。泡沫的分散程度较低，属于粗分散体系，通常气泡半径大于属于粗分散体系，通常气泡半径大于100nm100nm，用显用显微镜或肉眼能分辨出个别气泡的大小。微镜或肉眼能分辨出个别气泡的大小。2.2.泡沫的分类（一）泡沫的分类（一）泡沫按按泡沫寿命泡沫寿命分分不稳定泡沫不稳定泡沫寿命在几秒钟以内寿命在几秒钟以内稳定泡沫稳定泡沫寿命大于几分钟甚至更久寿命大于几分钟甚至更久泡沫按按气液比例气液比例分分气体分散体气体分散体液体多而气体少，泡沫质量小于液体多而气体少，泡沫质量小于5252泡沫泡沫气体多液体少，泡沫质量大于气体多液体少，泡沫质量大于52522.2.泡沫的分类（三）泡沫的分类（三）泡沫按按组成组成分分两相泡沫两相泡沫由气体和液体组成由气体和液体组成三相泡沫三相泡沫由气体、体液和固相组成由气体、体液和固相组成3.3.泡沫的形成条件泡沫的形成条件(1)(1)气液接触气液接触 只有气体液体连续充分地只有气体液体连续充分地接触才能产生大量的泡沫。接触才能产生大量的泡沫。(2)(2)含起泡剂含起泡剂 纯净的液体不能形成稳定的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。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增压，进入泡沫发生器。分离膜管滤出，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的分离效率与氮气纯度有关。一般油井使用氮气纯度为95%95%。分离。分离效率接近效率接近50%50%。也有使用液氮的，但一般不如气体分离方便。也有使用液氮的，但一般不如气体分离方便。泡沫发生器液体入口液体入口氮气入口氮气入口泡沫出口泡沫出口4.4.泡沫流体泡沫流体特殊特殊物理性质物理性质 1 1、密度可调，液柱压力低，对地层伤害小。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常压下其最低密度可达0.030.030.04 g/cm0.04 g/cm3 3 在井眼中其平均密度一般均低于在井眼中其平均密度一般均低于 0.50.50.8 g/cm0.8 g/cm3 3 低密度可以使得泡沫流体具有漏失少、对地层污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。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减少到最小 。n2、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。砂砾在泡沫及清水中沉降速度对比00.050.10.150.20.250.30123456789砂砾粒径（mm）沉降速度（m/s）清水泡沫质量为80的泡沫 砂砾在泡沫中的沉降速度仅为在清水中的沉降速度的1/101/10左右，可以看出泡沫的携砂能力大大强于清水泡沫流体泡沫流体特殊特殊物理性质（续）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。砂砾在不同泡沫质量的泡沫中的沉降速度00.020.040.060.080.10.1200.10.20.30.40.50.60.70.80.91泡沫质量沉降速度（m/s）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泡沫流体特殊特殊物理性质（续）物理性质（续）泡沫流体泡沫流体特殊特殊物理性质（续）物理性质（续）5.5.泡沫流体属于非牛顿流体，具有剪切稀释特性，在高渗透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，对地层中的表观粘度大于在低渗层中的表观粘度，对高渗高渗层有封堵作用层有封堵作用，对低渗层有，对低渗层有增大波及体积、提高波及系增大波及体积、提高波及系数数的效果。的效果。6 6、遇水稳定，遇油消泡，可以暂堵水层，同时对油层进行、遇水稳定，遇油消泡，可以暂堵水层，同时对油层进行作业。作业。提提 纲纲泡沫流体的流变性研究泡沫流体的流变性研究n 泡沫流体的流变性是泡沫应用的基础，由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、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。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流体在环套空间的流动规律研究 n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泡沫流体在地层中的渗流规律研究 n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，模拟泡沫流体在地层中的流动规律。n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。提提 纲纲四、四、泡沫流体技术在石油工程中的应用泡沫流体技术在石油工程中的应用成熟应用技成熟应用技术术在研技术在研技术油层出砂是油田开采过程中的常见问题之一。油层出砂是油田开采过程中的常见问题之一。砂粒随流体的产出被带到井筒中砂粒随流体的产出被带到井筒中 ，沉积在井，沉积在井底堆积起来，埋住油层和管柱，造成产量降低，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，泵磨损。对于低压漏失油井，清水冲砂清水冲砂时，作时，作业液漏失地层严重，造成的后果是油层被严重业液漏失地层严重，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、作业费污染、油井产量降低、检泵周期缩短、作业费用增加。用增加。泡沫流体具有密度低，携砂能力强等特点，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山东省自然科学基金项目Q99A16“Q99A16“泡沫流体流变性泡沫流体流变性研究及应用研究及应用”；中石化胜利油田重点科技攻关课题中石化胜利油田重点科技攻关课题“泡沫冲砂技术研泡沫冲砂技术研究究”（19981998年），鉴定为年），鉴定为“国际先进国际先进”，获，获20022002年年山山东省科技进步奖三等奖东省科技进步奖三等奖；获胜利油田科技进步三等奖；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；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制参数设计软件泡沫流体冲砂洗井井口控制参数设计软件”（获（获2002年山东省计算机应用成果一等奖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中石化胜利油田重点科技攻关课题“泡沫携砂液流变泡沫携砂液流变性研究及在作业井中的应用性研究及在作业井中的应用”（20012001年），鉴定为年），鉴定为“国际先进国际先进”，在桩西采油厂获得成功应用；，在桩西采油厂获得成功应用；研究成果研究成果1.1.建立泡沫流体冲砂洗井数学模型；建立泡沫流体冲砂洗井数学模型；2.制定制定泡沫流体冲砂控制参数设计软件泡沫流体冲砂控制参数设计软件4.设计了泡沫发生器设计了泡沫发生器 酸液入口酸液入口氮气入口氮气入口泡沫酸出口泡沫酸出口目前该产品已经形成系列产品，申请了国家专利目前该产品已经形成系列产品，申请了国家专利（专利号：（专利号：ZL 2004 2 0097112.5ZL 2004 2 0097112.5）ST36X216井基本数据井基本数据施工施工单位单位作业作业13队队开工开工日期日期2000/10/09套管套管规范规范139.7*2148.68生产生产层位层位ES2X81-ES2X83人工人工井底井底2145 m探砂面探砂面深度深度2021.67 m动液面动液面1447.3m静液面静液面23.33 m20002000年年1010月月1212日在日在ST3ST36X1626X162井实施了现场冲砂试验。井实施了现场冲砂试验。n该井基本情况为：油层漏失严重，在历次作业该井基本情况为：油层漏失严重，在历次作业中使用暂堵剂冲砂无效。中使用暂堵剂冲砂无效。l将该井基本数据输入计算机计算后，得出本次将该井基本数据输入计算机计算后，得出本次冲砂的现场试验参数为：水泥车排量冲砂的现场试验参数为：水泥车排量0.6 m3/min、压风机转速压风机转速900 r/min、发泡剂加入量发泡剂加入量为为4、注入压力、注入压力5MPa。l冲砂一次成功，冲出细灰砂冲砂一次成功，冲出细灰砂0.3m3。l通过本次试验和以后的多次试验通过本次试验和以后的多次试验,我们较为准确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。良好的基础。2000年年11月月13日，在日，在ST38210井进行了首次洗井进行了首次洗井试验。该井因严重漏失井试验。该井因严重漏失,使用了泥浆使用了泥浆60m3进行冲砂进行冲砂,冲冲砂后用清水替出了泥浆砂后用清水替出了泥浆30m3，剩下的剩下的30m3泥浆用普通泥浆用普通方法无法替出。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确定本次试验所需的参数后，我们首先用正注了浓度度为为3的泡沫液的泡沫液,待井口压力由待井口压力由0MPa升至升至4.5MPa再进再进行反注，直至压力由行反注，直至压力由0MP
