李澤亮，張華濤，彭清明，王博

中國石油長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司（陜西 西安710018）

蘇南公司作業(yè)二區(qū)累計(jì)投產(chǎn)氣井293 口，日均開井177 口，平均單井產(chǎn)量2.11×104m3/d，平均累產(chǎn)1 227×104m3。區(qū)塊內(nèi)部分氣井已進(jìn)入低產(chǎn)積液階段，單井產(chǎn)量降低幅度大，攜液能力差，井底積液嚴(yán)重，給氣井生產(chǎn)造成不利影響，排水采氣工作日益突出。在蘇南區(qū)塊井底節(jié)流、中壓集氣的開發(fā)前提下，如何提高柱塞氣舉排水采氣工藝的效率、優(yōu)化工作制度、最大程度地發(fā)揮智能控制的優(yōu)勢，成為當(dāng)前柱塞氣舉排水采氣工藝研究的關(guān)鍵。為更好地對柱塞氣舉排水采氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理，更好地掌握該工藝的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程及井筒壓力變化等參數(shù)對工藝的影響，有必要對柱塞氣舉循環(huán)的各個(gè)階段進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，建立動(dòng)態(tài)模型，并對相關(guān)影響因素進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對柱塞氣舉工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到最佳的工作狀態(tài)[1-2]。

1 柱塞氣舉動(dòng)力學(xué)模型

從柱塞排水采氣的工藝原理出發(fā)，結(jié)合區(qū)塊井筒情況進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型分析，通過經(jīng)典的質(zhì)量守恒定律及動(dòng)量守恒方程，描述柱塞系統(tǒng)的過程運(yùn)動(dòng)，列出影響柱塞舉升的主要因素,分析影響柱塞工藝舉升效率的原因。連續(xù)生產(chǎn)氣舉柱塞在井筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較復(fù)雜，屬于非穩(wěn)態(tài)流過程。為了在不影響對柱塞工藝舉升過程認(rèn)識(shí)的情況下，便于分析，排除次要因素，對柱塞運(yùn)行過程及運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行假設(shè)，建立柱塞運(yùn)行動(dòng)力學(xué)模型[3-7]。

根據(jù)歐拉法對柱塞控制流體系統(tǒng)進(jìn)行描述，以控制體為研究對象時(shí)，質(zhì)量守恒方程為

如式（1），其表示控制體內(nèi)質(zhì)量隨時(shí)間的變化率為零。

式中：I 為流體質(zhì)量或動(dòng)量；dV 為控制體積單元；dA為控制面積單元；cv為控制體；cs為控制面；ρ為流體密度，kg/m3；vr為流體的相對速度；n為控制面向外的單位向量。

動(dòng)量守恒方程為

表示單位體積內(nèi)總動(dòng)量變化率等于作用在物體上外力之和。

式中：F為控制體所受外力，N；v為控制體速度，m/s。

1.1 不同類型管柱模型對比

蘇南采用的是88.9 mm(312″)套管進(jìn)行完井生產(chǎn)，相較常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，整體模型簡化(圖1、圖2)，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

圖1 油套環(huán)空氣井柱塞上行示意

1）柱塞上行過程中無套管氣輔助舉升。

2）柱塞運(yùn)行過程中不需要考慮環(huán)空氣液界面的變化。

3）相同積液量柱塞舉升液柱高度減小，即柱塞上端液相壓力減小。

1.2 柱塞上行模型建立

開井生產(chǎn)后，井筒內(nèi)柱塞及其舉升液柱上部氣體流入下游流程，柱塞舉升液面上部壓力持續(xù)降低，引起地層產(chǎn)出的氣體能量推動(dòng)柱塞及其上部的液柱向上運(yùn)動(dòng)。圖3為88.9 mm(312″)套管柱塞上升某時(shí)刻舉升液柱上行過程示意圖。

圖2 套管井柱塞上行示意

圖3 套管井柱塞上行受力分析

此時(shí)，以井底作為柱塞上行的零點(diǎn)，將柱塞與舉升液柱假設(shè)為一個(gè)控制系統(tǒng)，建立動(dòng)力學(xué)模型。柱塞上行處對應(yīng)時(shí)間設(shè)為t，對應(yīng)位移設(shè)為s。柱塞與液柱受力分析為：柱塞控制系統(tǒng)上方，作用在液柱頂部的氣柱壓力為Ptu；柱塞控制系統(tǒng)下方，作用在柱塞底面的氣體壓力為Ptd；柱塞控制系統(tǒng)自身重力，通過其質(zhì)量M 求得；柱塞控制系統(tǒng)與管壁的摩阻力為f。由此推導(dǎo)出柱塞上行運(yùn)動(dòng)方程：

即

其中，作用在液柱頂部的氣柱壓力Ptu可通過井口油壓與位移求得；作用在柱塞底面的氣體壓力Ptd可以由井底流壓Pwf與位移計(jì)算出來，Pwf由井口油壓和柱塞系統(tǒng)重力求得；柱塞控制系統(tǒng)與管壁的摩阻力為

式中：s 為柱塞運(yùn)動(dòng)行程，m；t 為柱塞運(yùn)行時(shí)間，s；M為柱塞控制系統(tǒng)質(zhì)量，kg；At為柱塞底部截面積，m2；f 為摩阻系數(shù)，無因次；HL為液柱高度，m；ρ1為液柱密度，kg/m3；Vp為柱塞運(yùn)行速度，m/s；fL′為液柱受到的摩擦阻力，N；dc為套管內(nèi)徑，mm。

1.3 柱塞下行模型建立

關(guān)井壓恢階段，柱塞自由下落，穿過井筒內(nèi)天然氣氣柱及積液液柱，下落至緩沖器位置。排除井筒內(nèi)氣液相的紊流對柱塞下落的影響，將柱塞下行運(yùn)動(dòng)過程劃分為柱塞在氣柱中下落與柱塞在液柱中下落兩個(gè)階段，分別建立動(dòng)力學(xué)模型。

1.3.1 柱塞在氣柱中下落

圖4為88.9 mm(312″)套管柱塞在氣柱中下落過程示意圖。此時(shí)以柱塞為控制單元進(jìn)行受力分析，該時(shí)刻柱塞受力為：柱塞自身重力，通過其質(zhì)量M求得；氣體對柱塞的浮力F0，N；柱塞氣柱中下行產(chǎn)生的壓差阻力fL，N。由此推導(dǎo)出柱塞在氣柱中下行運(yùn)動(dòng)方程：

式中：s 為柱塞運(yùn)動(dòng)行程，m；t 為柱塞運(yùn)行時(shí)間，s；M為柱塞質(zhì)量，kg；F0為氣柱產(chǎn)生的浮力，N；vg為井筒內(nèi)氣流流速，m/s；k 為柱塞在氣流中的壓差阻力系數(shù)為氣流阻力系數(shù)，為氣體平均密度，kg/m3，At為柱塞底部橫截面積，m2）。

1.3.2 柱塞在液柱中下落

圖5為88.9 mm(312″)套管柱塞在液柱中下落過程示意圖。此時(shí)以柱塞為控制單元進(jìn)行受力分析。該時(shí)刻柱塞受力為：柱塞自身重力，通過其質(zhì)量M ′求得；液柱對柱塞的浮力F0浮；柱塞液柱中下行產(chǎn)生的摩阻力fL′。由此推導(dǎo)出柱塞在液柱中下行運(yùn)動(dòng)方程：

式中：s 為柱塞運(yùn)動(dòng)行程，m；t 為柱塞運(yùn)行時(shí)間，s；M為柱塞質(zhì)量，kg；F0液為氣柱產(chǎn)生的浮力，N；k為柱塞在液柱中的壓差阻力系數(shù)。

圖4 井柱塞在氣柱中下行受力分析

圖5 井柱塞在液柱中下行受力分析

2 柱塞氣舉排水采氣工藝設(shè)計(jì)

2.1 蘇南柱塞氣舉工藝適用概況

結(jié)合區(qū)塊內(nèi)柱塞氣舉工藝井現(xiàn)場先導(dǎo)試驗(yàn)的生產(chǎn)情況，確定適合蘇南氣田的柱塞氣舉排水采氣工藝選井原則。

1）具有一定的產(chǎn)能，帶液能力較弱的自噴或間噴生產(chǎn)井。

2）井下工具、井口裝置與井筒內(nèi)徑統(tǒng)一，生產(chǎn)管柱內(nèi)徑74.2 mm，通徑規(guī)要求69.8 mm，井筒完好無腐蝕。

3）單井產(chǎn)液量小于30 m3/d，井筒內(nèi)有一定深度的積液。

4）生產(chǎn)氣液比不小于1 100 m3/m3/1 000 m，關(guān)井油壓宜不小于1.5倍井口壓力。

5）為將井底流壓降至最低，獲得最大產(chǎn)氣量，井下緩沖器下放在井筒預(yù)制坐落短節(jié)上方10 m 的位置，井斜≤30°。

2.2 先導(dǎo)試驗(yàn)井工藝設(shè)計(jì)

2.2.1 試驗(yàn)井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)

A井2013年12月11日投產(chǎn)，套管尺寸88.9 mm(312″)，外徑88.9 mm，內(nèi)徑74.2 mm，生產(chǎn)層位盒8上下、山1下，試氣一點(diǎn)法計(jì)算無阻流量15.805 7×104m3，投產(chǎn)初期日產(chǎn)氣量3.828 4×104m3，2015年6月受積液影響，開始間歇生產(chǎn)，措施前最高油壓恢復(fù)至10 MPa，日均產(chǎn)氣0.247 5×104m3，無單井產(chǎn)水?dāng)?shù)據(jù)，累計(jì)產(chǎn)氣1 344.134 0×104m3。較同期投產(chǎn)、配產(chǎn)接近氣井，2015年6月后，日產(chǎn)量低于同期氣井平均產(chǎn)量且持續(xù)遞減，較同期投產(chǎn)氣井平均日產(chǎn)低68.62%（表1）。

2.2.2 工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)氣井采氣工藝流程設(shè)計(jì)柱塞氣舉生產(chǎn)流程，柱塞氣舉措施前后工藝流程如圖6所示。

表1 2015年—2017年A井產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)柱塞氣舉工藝需求，重點(diǎn)工藝變更項(xiàng)如下：

1）柱塞井下緩沖定位器。柱塞井下緩沖定位器下深盡量接近井段底部，從圖6 井身結(jié)構(gòu)圖中可看到節(jié)流器預(yù)置式座封短接處由74.2 mm 縮徑至68.7 mm。因此，設(shè)計(jì)柱塞井下緩沖器定位器下入深度在座封短接上部10 m 左右；由于無油管接箍，使用卡瓦式井下緩沖器（圖7），打撈頸尺寸為44.5 mm，最大外徑68.3 mm，長度754 mm。

2）柱塞選型。根據(jù)國內(nèi)諸多氣田柱塞氣舉工藝開展的情況，特別參考蘇里格區(qū)塊柱塞氣舉工藝應(yīng)用中總結(jié)出的不同尺寸油管適用的柱塞類型及各類型柱塞的適用條件，進(jìn)行蘇南區(qū)塊的柱塞選型[8-11]。

圖6 柱塞氣舉工藝流程改造示意圖

圖7 柱塞緩沖定位器結(jié)構(gòu)圖

考慮到88.9 mm((312″)套管井無套管氣輔助舉升、氣液比遠(yuǎn)高于適用條件（1 100 m3/m3/1 000 m），選取機(jī)械襯墊式柱塞（收縮外徑71.2 mm，舒張外徑74.2 mm）、柱狀柱塞（外徑71.2 mm）、橡膠襯墊式柱塞（扶正器外徑74 mm）共3種形式的柱塞進(jìn)行投放試用。

3 應(yīng)用效果評價(jià)

結(jié)合氣井井筒流態(tài)判斷，通過氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析對88.9 mm((312″)套管柱塞氣舉試驗(yàn)效果進(jìn)行評價(jià)。按照以下4個(gè)步驟進(jìn)行柱塞氣舉工藝動(dòng)態(tài)分析及管理。

1）柱塞試驗(yàn)井工作制度調(diào)整，生產(chǎn)動(dòng)態(tài)變化原因分析。

2）總結(jié)分析柱塞試驗(yàn)井的生產(chǎn)特征及工藝參數(shù)變化規(guī)律。

3）柱塞氣舉工藝增產(chǎn)效果評價(jià)。

4）柱塞氣舉工藝配套設(shè)施運(yùn)行情況評價(jià)。

利用現(xiàn)有柱塞氣舉工藝技術(shù)，以最佳的柱塞循環(huán)次數(shù)排液，盡可能降低積液對井底流壓的影響，充分發(fā)揮氣井產(chǎn)能，提高產(chǎn)量[12-14]。

柱塞運(yùn)行初期，宜采用長關(guān)井短開井制度運(yùn)行，以降低井筒積液高度、保護(hù)氣井能量為目的，柱塞到達(dá)井口后，生產(chǎn)時(shí)間宜不超過2 h即關(guān)井，進(jìn)入下一個(gè)柱塞氣舉循環(huán)，逐步建立穩(wěn)定的柱塞運(yùn)行制度。判斷試運(yùn)行完成的依據(jù)是柱塞能夠到達(dá)井口、單次舉升液量及柱塞上行速度穩(wěn)定[15-16]。

3.1 氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)重新認(rèn)識(shí)階段

根據(jù)2018 年8 月1 日至8 月2 日試驗(yàn)投運(yùn)的柱塞首次成功到達(dá)地面，通過本次氣舉循環(huán)生產(chǎn)特征分析，將單次柱塞氣舉循環(huán)劃分為4個(gè)階段（圖8）。

圖8 A井完整氣舉循環(huán)各階段井筒流態(tài)示意圖

1）關(guān)井恢復(fù)氣井能量，柱塞下落。

2）開井后柱塞攜液上升，油壓瞬時(shí)波動(dòng)。

3）柱塞到達(dá)地面，油壓波動(dòng)至峰值，瞬時(shí)平穩(wěn)降低。

4）氣井瞬時(shí)波動(dòng)，井筒積液。

3.2 增產(chǎn)效果分析

A 井實(shí)施柱塞氣舉試驗(yàn)以來，穩(wěn)定生產(chǎn)245 d，累計(jì)產(chǎn)氣184.373 9×104m3，平均日產(chǎn)0.752 5×104m3。措施效果明顯，氣井平均日產(chǎn)及穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)間明顯提高。

3.3 柱塞工具選型評價(jià)

1）不同柱塞氣舉循環(huán)特征（以A、B為例）。B井試驗(yàn)期間使用了橡膠襯墊式柱塞與機(jī)械襯墊式柱塞，兩種類型柱塞均完成了完整的氣舉循環(huán)，對應(yīng)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)變化如圖9、圖10所示。

圖9 B井橡膠襯墊式柱塞氣舉循環(huán)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)圖

圖10 B井機(jī)械襯墊式柱塞氣舉循環(huán)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)圖

結(jié)合A井柱狀柱塞完成氣舉循環(huán)對應(yīng)的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)變化（圖11），對比分析3種柱塞使用情況，有以下認(rèn)識(shí)。

圖11 A井柱狀柱塞氣舉循環(huán)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)圖

在柱塞上行階段，橡膠襯墊式柱塞形成的機(jī)械界面幾乎完全分隔了舉升液柱與舉升氣。氣井開井后舉升液柱上方氣柱迅速流入下游管線后，在柱塞上行至井口期間，氣井井口無瞬時(shí)流量。

機(jī)械襯墊式柱塞形成的機(jī)械界面較橡膠襯墊式柱塞密封性較弱。在柱塞上行至井口期間，氣井井口瞬時(shí)流量有所降低，但不為零。

柱狀柱塞相較兩種襯墊式柱塞密封性最弱。在柱塞上行至井口期間，氣井井口瞬時(shí)流量處于高值波動(dòng)，反應(yīng)出部分舉升氣穿過了機(jī)械界面。3 種柱塞到達(dá)井口后，均有明顯油壓及氣量上漲，能夠有效排出井筒積液。

2）不同柱塞磨損情況。為保證柱塞工藝的安全使用，在區(qū)塊開展的先導(dǎo)試驗(yàn)期間，按季度檢測3種柱塞磨損情況，檢測柱塞外徑尺寸及活動(dòng)部件靈活性。發(fā)現(xiàn)橡膠襯墊式柱塞膠筒位置出現(xiàn)裂縫、變形，無法繼續(xù)使用；機(jī)械襯墊式柱塞僅表面有輕微劃痕，測量外徑74.2 mm，無明顯損耗；柱狀柱塞表面有輕微劃痕，測量外徑71.2 mm，無明顯損耗。

由于氣井儲(chǔ)層深度基本在3 500～4 000 m，井底的高溫及產(chǎn)出水對橡膠材質(zhì)影響較大，為防止柱塞由于橡膠膨脹卡在井筒內(nèi)，避免使用橡膠襯墊式柱塞。機(jī)械襯墊式柱塞與柱狀柱塞可分別根據(jù)氣井產(chǎn)能及產(chǎn)液情況安全使用。

4 結(jié)論

針對蘇南區(qū)塊內(nèi)生產(chǎn)氣井采用井底節(jié)流、中低壓集氣的生產(chǎn)模式，以88.9 mm((312″)套管作為生產(chǎn)管柱自噴生產(chǎn)的工藝模式，展開柱塞氣舉排水采氣工藝適用性分析研究，主要取得了以下結(jié)論及認(rèn)識(shí)：

1）通過現(xiàn)場應(yīng)用先導(dǎo)試驗(yàn)，形成了適用于蘇南區(qū)塊氣井的柱塞排水采氣施工作業(yè)技術(shù)。典型先導(dǎo)試驗(yàn)氣井A 井累計(jì)增產(chǎn)184×104m3，日均增產(chǎn)0.75×104m3，增產(chǎn)效果明顯，為在全區(qū)推廣應(yīng)用柱塞排水采氣工藝奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2）通過全程動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測，結(jié)合氣井產(chǎn)量、油壓、產(chǎn)液等生產(chǎn)參數(shù)變化特征以及井筒流態(tài)變化判斷，將套管生產(chǎn)井柱塞氣舉單次有效柱塞氣舉循環(huán)劃分為關(guān)井壓恢、柱塞上行、穩(wěn)定生產(chǎn)及波動(dòng)生產(chǎn)4個(gè)生產(chǎn)階段。

3）明確了無環(huán)空套管井柱塞氣舉工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)：選取具有一定的產(chǎn)能，帶液能力較弱的自噴或間噴生產(chǎn)井；選取直井或井斜≤30°的氣井，并通過腐蝕測井確定井筒的腐蝕結(jié)垢情況，明確氣井井下工具、井口裝置與井筒內(nèi)徑統(tǒng)一的情況下進(jìn)行井下施工；根據(jù)區(qū)塊井筒節(jié)流器預(yù)制坐落短節(jié)安裝深度，確定投放柱塞緩沖定位器深度，以最大可能的排除氣井積液。

4）針對無環(huán)空氣井缺少套壓數(shù)據(jù)，井筒積液、產(chǎn)液數(shù)據(jù)無法獲取的情況，先導(dǎo)試驗(yàn)中采用了兩相計(jì)量檢測?？蓪⒕诹髁坑?jì)優(yōu)化為伽馬射線計(jì)量裝置，同時(shí)采集產(chǎn)氣、產(chǎn)液數(shù)據(jù)；也可以結(jié)合智能控制器，將井下壓力計(jì)與柱塞相結(jié)合，在柱塞上行至井口時(shí)向控制器發(fā)送井筒壓力數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確判斷井筒積液情況。