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)塊內部分氣井已進入低產(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，成為當前柱塞氣舉排水采氣工藝研究的關鍵。為更好地對柱塞氣舉排水采氣系統(tǒng)進行設計和管理，更好地掌握該工藝的動態(tài)運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)的各個階段進行動力學研究，建立動態(tài)模型，并對相關影響因素進行分析，實現(xiàn)對柱塞氣舉工藝優(yōu)化設計，使其達到最佳的工作狀態(tài)[1-2]。

1 柱塞氣舉動力學模型

從柱塞排水采氣的工藝原理出發(fā)，結合區(qū)塊井筒情況進行系統(tǒng)的動力學模型分析，通過經(jīng)典的質量守恒定律及動量守恒方程，描述柱塞系統(tǒng)的過程運動，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)氣舉柱塞在井筒內運動狀態(tài)較復雜，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識的情況下，便于分析，排除次要因素，對柱塞運行過程及運行環(huán)境進行假設，建立柱塞運行動力學模型[3-7]。

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

如式（1），其表示控制體內質量隨時間的變化率為零。

式中：I 為流體質量或動量；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。

動量守恒方程為

表示單位體積內總動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″)套管進行完井生產(chǎn)，相較常規(guī)井身結構，整體模型簡化(圖1、圖2)，具體表現(xiàn)在以下幾點：

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)出的氣體能量推動柱塞及其上部的液柱向上運動。圖3為88.9 mm(312″)套管柱塞上升某時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，以井底作為柱塞上行的零點，將柱塞與舉升液柱假設為一個控制系統(tǒng)，建立動力學模型。柱塞上行處對應時間設為t，對應位移設為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，通過其質量M 求得；柱塞控制系統(tǒng)與管壁的摩阻力為f。由此推導出柱塞上行運動方程：

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 為柱塞運動行程，m；t 為柱塞運行時間，s；M為柱塞控制系統(tǒng)質量，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為柱塞運行速度，m/s；fL′為液柱受到的摩擦阻力，N；dc為套管內徑，mm。

1.3 柱塞下行模型建立

關井壓恢階段，柱塞自由下落，穿過井筒內天然氣氣柱及積液液柱，下落至緩沖器位置。排除井筒內氣液相的紊流對柱塞下落的影響，將柱塞下行運動過程劃分為柱塞在氣柱中下落與柱塞在液柱中下落兩個階段，分別建立動力學模型。

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。此時以柱塞為控制單元進行受力分析，該時刻柱塞受力為：柱塞自身重力，通過其質量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。由此推導出柱塞在氣柱中下行運動方程：

式中：s 為柱塞運動行程，m；t 為柱塞運行時間，s；M為柱塞質量，kg；F0為氣柱產(chǎn)生的浮力，N；vg為井筒內氣流流速，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。此時以柱塞為控制單元進行受力分析。該時刻柱塞受力為：柱塞自身重力，通過其質量M ′求得；液柱對柱塞的浮力F0??；柱塞液柱中下行產(chǎn)生的摩阻力fL′。由此推導出柱塞在液柱中下行運動方程：

式中：s 為柱塞運動行程，m；t 為柱塞運行時間，s；M為柱塞質量，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計

2.1 蘇南柱塞氣舉工藝適用概況

結合區(qū)塊內柱塞氣舉工藝井現(xiàn)場先導試驗的生產(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、井口裝置與井筒內徑統(tǒng)一，生產(chǎn)管柱內徑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制坐落短節(jié)上方10 m 的位置，井斜≤30°。

2.2 先導試驗井工藝設計

2.2.1 試驗井生產(chǎn)動態(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，內徑74.2 mm，生產(chǎn)層位盒8上下、山1下，試氣一點法計算無阻流量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至10 MPa，日均產(chǎn)氣0.247 5×104m3，無單井產(chǎn)水數(shù)據(jù)，累計產(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 工藝流程設計

根據(jù)氣井采氣工藝流程設計柱塞氣舉生產(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

根據(jù)柱塞氣舉工藝需求，重點工藝變更項如下：

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 井身結構圖中可看到節(jié)流器預置式座封短接處由74.2 mm 縮徑至68.7 mm。因此，設計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)塊柱塞氣舉工藝應用中總結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 柱塞緩沖定位器結構圖

考慮到88.9 mm((312″)套管井無套管氣輔助舉升、氣液比遠高于適用條件（1 100 m3/m3/1 000 m），選取機械襯墊式柱塞（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種形式的柱塞進行投放試用。

3 應用效果評價

結合氣井井筒流態(tài)判斷，通過氣井生產(chǎn)動態(tài)分析對88.9 mm((312″)套管柱塞氣舉試驗效果進行評價。按照以下4個步驟進行柱塞氣舉工藝動態(tài)分析及管理。

1）柱塞試驗井工作制度調整，生產(chǎn)動態(tài)變化原因分析。

2）總結分析柱塞試驗井的生產(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。

4）柱塞氣舉工藝配套設施運行情況評價。

利用現(xiàn)有柱塞氣舉工藝技術，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]。

柱塞運行初期，宜采用長關井短開井制度運行，以降低井筒積液高度、保護氣井能量為目的，柱塞到達井口后，生產(chǎn)時間宜不超過2 h即關井，進入下一個柱塞氣舉循環(huán)，逐步建立穩(wěn)定的柱塞運行制度。判斷試運行完成的依據(jù)是柱塞能夠到達井口、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)動態(tài)重新認識階段

根據(jù)2018 年8 月1 日至8 月2 日試驗投運的柱塞首次成功到達地面，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）關井恢復氣井能量，柱塞下落。

2）開井后柱塞攜液上升，油壓瞬時波動。

3）柱塞到達地面，油壓波動至峰值，瞬時平穩(wěn)降低。

4）氣井瞬時波動，井筒積液。

3.2 增產(chǎn)效果分析

A 井實施柱塞氣舉試驗以來，穩(wěn)定生產(chǎn)245 d，累計產(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)時間明顯提高。

3.3 柱塞工具選型評價

1）不同柱塞氣舉循環(huán)特征（以A、B為例）。B井試驗期間使用了橡膠襯墊式柱塞與機械襯墊式柱塞，兩種類型柱塞均完成了完整的氣舉循環(huán)，對應的生產(chǎn)動態(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)動態(tài)圖

圖10 B井機械襯墊式柱塞氣舉循環(huán)生產(chǎn)動態(tài)圖

結合A井柱狀柱塞完成氣舉循環(huán)對應的生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)變化（圖11），對比分析3種柱塞使用情況，有以下認識。

圖11 A井柱狀柱塞氣舉循環(huán)生產(chǎn)動態(tài)圖

在柱塞上行階段，橡膠襯墊式柱塞形成的機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，氣井井口無瞬時流量。

機械襯墊式柱塞形成的機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，氣井井口瞬時流量處于高值波動，反應出部分舉升氣穿過了機械界面。3 種柱塞到達井口后，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)塊開展的先導試驗期間，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)出水對橡膠材質影響較大，為防止柱塞由于橡膠膨脹卡在井筒內，避免使用橡膠襯墊式柱塞。機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 結論

針對蘇南區(qū)塊內生產(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，主要取得了以下結論及認識：

1）通過現(xiàn)場應用先導試驗，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。典型先導試驗氣井A 井累計增產(chǎn)184×104m3，日均增產(chǎn)0.75×104m3，增產(chǎn)效果明顯，為在全區(qū)推廣應用柱塞排水采氣工藝奠定了技術基礎。

2）通過全程動態(tài)跟蹤監(jiān)測，結合氣井產(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)劃分為關井壓恢、柱塞上行、穩(wěn)定生產(chǎn)及波動生產(chǎn)4個生產(chǎn)階段。

3）明確了無環(huán)空套管井柱塞氣舉工藝設計要點：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垢情況，明確氣井井下工具、井口裝置與井筒內徑統(tǒng)一的情況下進行井下施工；根據(jù)區(qū)塊井筒節(jié)流器預制坐落短節(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，先導試驗中采用了兩相計量檢測。可將井口流量計優(yōu)化為伽馬射線計量裝置，同時采集產(chǎn)氣、產(chǎn)液數(shù)據(jù)；也可以結合智能控制器，將井下壓力計與柱塞相結合，在柱塞上行至井口時向控制器發(fā)送井筒壓力數(shù)據(jù)，以準確判斷井筒積液情況。