黨曉峰 呂玉海 陳 虎 劉 洋

中國石油長慶油田第一采氣廠

產(chǎn)水井柱塞氣舉生產(chǎn)制度優(yōu)化

黨曉峰 呂玉海 陳 虎 劉 洋

中國石油長慶油田第一采氣廠

柱塞氣舉是利用柱塞在油管中氣體和液體之間形成固體界面，減少氣體竄流和液體回落，從而提高舉升效率的技術(shù)。生產(chǎn)制度合理性直接決定氣井柱塞氣舉排液效果，現(xiàn)場常用制度優(yōu)化法、時間優(yōu)化法、壓力優(yōu)化法等方法優(yōu)化生產(chǎn)制度。其中制度優(yōu)化法存在耗費(fèi)時間長、無法達(dá)到最優(yōu)化問題；時間優(yōu)化法、壓力優(yōu)化法均需結(jié)合地面集輸工藝，在綜合分析計算套管壓力、積液高度、關(guān)井時間及柱塞上行速度等參數(shù)基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場運(yùn)行情況進(jìn)行微調(diào)，存在計算過程復(fù)雜、誤差大及優(yōu)化效率低等缺點(diǎn)。通過合理劃分柱塞運(yùn)行階段，分析優(yōu)化階段運(yùn)行參數(shù)，總結(jié)提煉出了優(yōu)化柱塞氣舉生產(chǎn)制度各階段載荷因數(shù)計算，現(xiàn)場應(yīng)用取得較好的效果。

產(chǎn)水井柱塞氣舉生產(chǎn)制度階段分析載荷因數(shù)制度優(yōu)化

柱塞氣舉是解決低產(chǎn)低效氣井無法自主攜液的重要工藝之一，其原理是利用柱塞在油管中氣體和液體之間形成固體界面，減少氣體竄流和液體回落，從而提高舉升效率[1-2]。柱塞氣舉一般根據(jù)氣井生產(chǎn)動態(tài)預(yù)測一個目標(biāo)值，根據(jù)目標(biāo)值計算制定出生產(chǎn)制度，然后根據(jù)生產(chǎn)情況來不斷優(yōu)化生產(chǎn)制度，使其達(dá)到最佳效果。

目前常用的優(yōu)化生產(chǎn)制度方法有兩種：①通過設(shè)定多種不同的制度，每種制度生產(chǎn)一段時間，通過生產(chǎn)效果來評價制度的合理性，其優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，缺點(diǎn)是耗費(fèi)時間長，無法短期內(nèi)達(dá)到最優(yōu)化[3-4]；②建立柱塞氣舉模型方程[5-6]，根據(jù)模型求解，制定最佳生產(chǎn)制度，其優(yōu)點(diǎn)是可以對舉升特性進(jìn)行預(yù)測，為柱塞氣舉的優(yōu)化設(shè)計提供了計算途徑，缺點(diǎn)是建模困難，計算復(fù)雜，需要對舉升規(guī)律取得深刻的認(rèn)識和詳細(xì)分析各敏感性參數(shù)對舉升效率的影響。因此，改進(jìn)柱塞氣舉生產(chǎn)制度優(yōu)化方法，對于生產(chǎn)現(xiàn)場具有十分重要的適用價值。

1 柱塞氣舉階段劃分及特征分析

1.1 柱塞氣舉階段劃分

通過分析柱塞氣舉實(shí)時壓力曲線（圖1），將柱塞氣舉排水采氣周期分為三個階段：①關(guān)井壓恢階段AB；②開井氣舉階段BC；③連續(xù)生產(chǎn)階段CD[7-10]。

圖1 柱塞氣舉實(shí)時壓力曲線圖

1.2 柱塞氣舉階段特征分析

1.2.1 關(guān)井壓恢階段

該階段完成柱塞下落（AA1）和柱塞啟動套壓的恢復(fù)（A1B），通過優(yōu)化A1B過程可縮短氣井關(guān)井恢復(fù)壓力時間，達(dá)到一次最大舉升積液量和提高開井時率的目的。

1.2.2 開井氣舉階段

該階段完成柱塞上行排液（BB2）和氣井自主排液（B2C），通過優(yōu)化柱塞上行速度即BB1，解決柱塞上行過快引起設(shè)備磨損、能量浪費(fèi)或速度較慢造成滑脫損失增大、降低系統(tǒng)效率的問題，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效氣舉。BB2油壓反映出柱塞上方積液排出后油壓恢復(fù)情況，若B2位置油壓越高或越接近B2套壓，說明氣舉效率越高；若出現(xiàn)B2C過程說明該次氣舉不徹底，柱塞下方存在一定積液，需考慮改變生產(chǎn)制度，進(jìn)入下一氣舉周期。

1.2.3 連續(xù)生產(chǎn)階段

該階段分為大量產(chǎn)氣CC1、穩(wěn)定續(xù)流C1D1和產(chǎn)氣量下降與井筒積液D1D三個過程。通過優(yōu)化該階段可延長氣井穩(wěn)產(chǎn)時間、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最大化，如果生產(chǎn)時間過長，較大的液體段塞將會聚集在井底，下次啟動時將需要較高的套管壓力才能成功。

2 柱塞氣舉生產(chǎn)制度優(yōu)化分析

2.1 關(guān)井壓恢階段-優(yōu)化關(guān)井時間A1B

柱塞下落的平均速度是一定的，AA1階段運(yùn)行時間所需時間與井筒的深度成正比，一口井的井筒深度是不變的，因此柱塞下落階段AA1無優(yōu)化空間(本文不考慮分體式柱塞下落速度的優(yōu)化)[11]。

圖1中B點(diǎn)為柱塞啟動點(diǎn)，若套壓B過高則關(guān)井時間長、氣舉液量少，較小則柱塞無法啟動、氣舉失敗。B點(diǎn)對應(yīng)最小啟動套壓確定[12-15]：

取最小啟動套壓對應(yīng)的時間為t2，則關(guān)井恢復(fù)壓力時間t必須滿足：t＞t1、t＞t2

式中：

h—液面高度，m；

pC—井口套管壓力，MPa；

pk—液體密度，Kg/m3。

At—油管面積，m2；

pcmin—最小套管壓力，MPa；

pcmax—最大套管壓力，MPa；

pcavg—平均套管壓力，MPa；

pp—柱塞舉升所需壓力0.345 MPa；

ptf—井口油壓，MPa；

pa—大氣壓0.101 MPa；

plw—舉升1 m3液體到地面所需壓力，MPa/m3；

plf—流體摩擦所引起的壓力損失，MPa/m3；

L—舉升液體體積，m3；

D—油管或限位裝置深度,m；

K—?dú)怏w摩擦損失；

Aa—油套環(huán)空面積，m2。

2.2 開井氣舉階段-優(yōu)化柱塞上行速度BB1

柱塞上行BB1是由柱塞的上行速度控制的。通過《氣舉手冊》可知柱塞上行速度在3.81～5.08 m/s之間氣舉效率最高，柱塞向上運(yùn)動的微分方程[16]

式中：

ptx—作用在柱塞下表面上氣體的向上壓力，MPa；

ptf—作用在液柱上表面的氣體壓力，約等于油壓，MPa；

At—油管面積，m2；

Wt—柱塞及其上液柱的重力，N；

Ff—液柱和柱塞側(cè)面與油管壁間的摩阻力，N；

a=y″—柱塞和液柱運(yùn)動的加速度，m/s2。

2.3 連續(xù)生產(chǎn)階段-優(yōu)化關(guān)井時機(jī)

氣舉進(jìn)入大量產(chǎn)氣階段CC1后，其時間的長短是由井筒附近聚集的能量決定，不可控；從C1點(diǎn)開始到D1點(diǎn)為穩(wěn)定續(xù)流階段，同時也是井筒緩慢積液的過程。通過對多次柱塞氣舉實(shí)時壓力曲線分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣井生產(chǎn)時間超過穩(wěn)定續(xù)流階段后，油、套壓差增長率陡然增高、產(chǎn)氣量下降、關(guān)井恢復(fù)壓力所需時間成倍增加，影響下一個循環(huán)，因此關(guān)井時機(jī)應(yīng)選擇在穩(wěn)定續(xù)流階段內(nèi)，即套壓陡升且氣量下降范圍大于8%～10%時作為關(guān)井條件。

3 載荷因數(shù)計算

通過各階段運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化分析可知，影響柱塞氣舉效率的主要影響參數(shù)有油壓、套壓、凈工作壓力（套壓與采氣管線壓力的差值）、油套管規(guī)格、液柱高度和井深。其中采氣管線壓力、油套管規(guī)格、井深等參數(shù)為靜態(tài)參數(shù)，油壓、套壓、靜工作壓力和液柱高度為動態(tài)參數(shù)，分析柱塞氣舉動態(tài)模型計算方法，一口柱塞氣舉井只要通過優(yōu)化動態(tài)可控參數(shù)，即油壓、套壓、靜工作壓力和液柱高度達(dá)到合理匹配就能達(dá)到最佳的氣舉效果，因載荷因數(shù)[17]可較好的反應(yīng)出動態(tài)參數(shù)的相互變化關(guān)系，故引入這一方法。

式中:

ηh—載荷因素，%；

poh—為地面管線壓力，MPa。

4 實(shí)例應(yīng)用

A井采用多井串接中壓集氣模式，早期采用井下節(jié)流生產(chǎn)，打撈節(jié)流器后，油壓1.0 MPa、套壓10.0 MPa，能夠間噴泡排生產(chǎn)，但隨著生產(chǎn)時間的延長，套壓持續(xù)上升、氣量大幅下降，井筒積液嚴(yán)重。為改善氣井生產(chǎn)狀況，有效解決積液影響，開展柱塞氣舉排水采氣試驗(yàn)。

通過常規(guī)方法計算，得出A井柱塞氣舉生產(chǎn)制度：套壓達(dá)到8.0 MPa時關(guān)井24 h后開井?，F(xiàn)場試驗(yàn)A井氣舉后生產(chǎn)時套壓明顯降低，日均產(chǎn)液量由0.3 m3增加至0.98 m3。產(chǎn)液量明顯增加，但分析氣井生產(chǎn)動態(tài)發(fā)現(xiàn)，套壓超過4 MPa后氣井間歇產(chǎn)氣；關(guān)井恢復(fù)壓力時間相對較長，采氣時率降低。

4.1 優(yōu)化過程

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出A井載荷因數(shù)與柱塞上行速率及關(guān)井時間變化關(guān)系曲線圖（圖2、圖3）。

從圖2、圖3分析得出：

1）當(dāng)載荷因數(shù)小于57%時，達(dá)到柱塞順利啟動上行條件，即開井初始條件；通過《氣舉手冊》可知柱塞上行速度在3.81～5.08 m/s之間氣舉效率最高，從而得知A井載荷因數(shù)保持在38%～47%之間時，氣舉效果最佳，即最佳開井優(yōu)化條件。

圖2 載荷因數(shù)與柱塞上行速率變化關(guān)系曲線圖

圖3 不同壓差下載荷因數(shù)與關(guān)井時間化關(guān)系曲線圖

2）載荷因數(shù)越小、柱塞上行速度越快。

3）載荷因數(shù)隨著關(guān)井時間的延長逐漸減小，關(guān)井時壓差越大，減小速率越小，因此，油、套壓差達(dá)到4 MPa時，為最佳關(guān)井條件。

結(jié)合氣井實(shí)際生產(chǎn)情況，通過階段分析和載荷因數(shù)計算，得出A井柱塞氣舉生產(chǎn)制度：套壓達(dá)到4.0 MPa時關(guān)井，載荷因數(shù)≤45%后開井。

4.2 實(shí)施效果

根據(jù)生產(chǎn)制度優(yōu)化，開展現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明：①氣舉頻率提高，關(guān)井時間減短；②油套壓差減?。虎郛a(chǎn)氣量、產(chǎn)水量增加（圖4）。

圖4 A井柱塞氣舉試驗(yàn)采氣曲線

表1 A井柱塞氣舉優(yōu)化前后效果對比分析表

5 結(jié)論認(rèn)識

1）應(yīng)用壓力曲線進(jìn)行柱塞氣舉階段劃分能夠準(zhǔn)確的反映出柱塞運(yùn)動的狀態(tài)及氣舉效率，為柱塞氣舉整體優(yōu)化設(shè)計提供明確方向。

2）載荷因數(shù)可以準(zhǔn)確計算出油壓、套壓、靜工作壓力及液柱高度等動態(tài)參數(shù)之間的變化關(guān)系。

3）采取壓力曲線階段進(jìn)行劃分分析和載荷因數(shù)計算綜合優(yōu)化法在A井的成功應(yīng)用，表明該方法在氣井柱塞氣舉生產(chǎn)制度優(yōu)化中便捷適用。

[1]陳瑤棋.分體式柱塞氣舉可視化實(shí)驗(yàn)研究[J].天然氣技術(shù), 2010，4（1）：24-26.

[2]K·E·布朗主編.升舉法采油工藝[M].北京,石油工業(yè)出版社,1990.

[3]張瑾秋.川西地區(qū)低壓低產(chǎn)氣井助能柱塞氣舉排水采氣應(yīng)用研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，（4）：294-295.

[4]路芳,譚永生，薛久和.柱塞氣舉排水采氣工藝在川孝455井的試驗(yàn)及效果評價[J].試采技術(shù),2005,26（3）：55-57.

[5]金忠臣.采氣工程[M].北京,石油工業(yè)出版社,2000.

[6]張鳳東，李海濤，李洪建，謝南量.柱塞氣舉模型方程的建立及求解[J].鉆采工藝，2005，25（4）：66-69.

[7]李冰毅，周翀，何云，齊宏偉等.淺析大牛地氣田柱塞氣舉排水采氣工作制度優(yōu)化[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2009，19（11）：225-227.

[8]于容.威35井柱塞氣舉排水采氣工藝初探[J].鉆采工藝, 1992，15（2）：36-40.

[9]張金良，李林新，劉軍，趙傳峰，李朝霞.智能柱塞氣舉與天然間歇噴泉[J].長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，5（1）：82-86.

[10]張金良，吳曉東，呂明才，龍小平.智能柱塞氣舉排液采氣技術(shù)與應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報（江漢石油學(xué)院學(xué)報）, 2005,27（5）：652-655.

[11]張春，張金波，于爽，金大權(quán)，蔣婷婷，王晉.蘇里格氣田柱塞氣舉排水采氣工藝技術(shù)研究[J].長江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，9（10）：101-103.

[12]李璇，楊芾汕，劉玉祥，周瑞立.大牛地氣田柱塞氣舉動態(tài)模型的研究與應(yīng)用[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報，2013，26（1）：1-5.

[13]李曉蕓，解永剛，李耀，王磊，武浩，張玉華.新型雙墊柱塞氣舉工藝在S209井區(qū)的應(yīng)用[J].石油化工應(yīng)用, 2013，32（2）：119-121.

[14]茍三權(quán).氣井井筒液面位置確定的簡易方法[J].油氣井測試，2006，15（4）：25-26.

[15]于容.對柱塞氣舉排水采氣工藝的幾點(diǎn)認(rèn)識[J].鉆采工藝，1994，17（2）：82-84.

[16]尹朝偉，魏瑞玲，張莉英，張貴芳.柱塞氣舉的動力學(xué)分析及應(yīng)用[J].中國信息化，2012，（16）.

[17][美]詹姆斯·利，亨利·尼肯斯，邁克爾·韋斯著，何順利，顧岱鴻，田樹寶，等譯.氣井排水采氣[M].北京,石油工業(yè)出版社，2009.

（修改回稿日期 2016-03-04 編輯 文敏）

今后5年我國擬新增煤層氣探明地質(zhì)儲量4200億立方米

2016年12月2日，國家能源局對外發(fā)布《煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，規(guī)劃明確“十三五”期間，我國擬新增煤層氣探明地質(zhì)儲量4200億立方米，建成2～3個煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地。

煤層氣（煤礦瓦斯）是賦存在煤層及煤系地層的烴類氣體，是優(yōu)質(zhì)清潔能源。加快煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用，對保障煤礦安全生產(chǎn)、增加清潔能源供應(yīng)、減少溫室氣體排放具有重要意義。

規(guī)劃稱，“十三五”期間將堅持煤層氣地面開發(fā)與煤礦瓦斯抽采并舉，以煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地和煤礦瓦斯抽采規(guī)?；V區(qū)建設(shè)為重點(diǎn)，推動煤層氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)、健康、快速發(fā)展。

據(jù)介紹，“十二五”時期，國家制定了一系列政策措施，強(qiáng)力推進(jìn)煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用，煤層氣地面開發(fā)取得重大進(jìn)展，煤礦瓦斯抽采利用規(guī)模逐年快速增長，為產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

（天勘摘編自《中國石油西南油氣田公司網(wǎng)》）

黨曉峰，男，1976年生，高級工程師；中國石油長慶油田分公司第一采氣廠采氣工藝研究所所長。地址：（718500）陜西省靖邊縣長慶油田第一采氣廠。電話：029-86505026。E-mail：dxf2_cq@petrochina.com.cn