雷騰蛟 崔小虎 蘇洲 楊文明 王紅標(biāo) 段玉明

1. 中國石油塔里木油田分公司輪南油氣開發(fā)部；2. 中國石油塔里木油田分公司監(jiān)督中心

輪南、桑解油田部分儲層存在產(chǎn)層深、氣液比高、地層能量較低、原油含蠟量高等特點［1-2］。投產(chǎn)初期油井具有一定自噴能力，但自噴生產(chǎn)一段時間后，易出現(xiàn)流體井筒滑脫造成積液停噴、且舉升過程中隨溫度降低井筒結(jié)蠟的現(xiàn)象，經(jīng)過前期研究，形成一套自生氣間歇柱塞氣舉工藝［3］。然而，一方面隨著油井地層能量的進一步降低、含水持續(xù)升高，井筒積液加重；另一方面隨油井舉升液量逐步降低，井筒溫度進一步下降，原油蠟質(zhì)析出更加嚴重，常規(guī)柱塞氣舉已無法滿足現(xiàn)場生產(chǎn)。因此，在前期自生氣間歇柱塞氣舉工藝的基礎(chǔ)上，針對輪南、桑解油田具有一定自噴能力、高含蠟油井，設(shè)計出一套連續(xù)清蠟柱塞氣舉新工藝。該工藝具有高時率、防結(jié)蠟的特點，可確保油井高效生產(chǎn)。

1 現(xiàn)有柱塞氣舉工藝的局限性

(1)輪南、桑解油田大部分油井產(chǎn)層深達5 000 m，地層壓力55 MPa，投產(chǎn)初期地層能量充足，借助地層自身能量油井采用間歇柱塞氣舉能夠?qū)崿F(xiàn)正常舉升，但隨著地層能量的逐步降低、含水逐漸升高，井筒滑脫嚴重、積液加重，加之輪南、桑解油田地層水礦化度高達21×104mg/L且產(chǎn)層較深，易造成油井停噴。此時需要進行制氮車高壓氣舉恢復(fù)油井生產(chǎn)，增大了生產(chǎn)費用及安全風(fēng)險。

(2)現(xiàn)有柱塞氣舉需要間歇關(guān)井恢復(fù)地層能量，再開井舉升，該生產(chǎn)方式將降低生產(chǎn)時率。對于投產(chǎn)初期地層能量較充足油井采用柱塞氣舉舉升，理論上不需要關(guān)井進行能量恢復(fù)，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，但常規(guī)柱塞為實心設(shè)計，柱塞到達井口后必須泄壓使柱塞前后壓力一致，待壓差消失后柱塞才能回落，造成間歇生產(chǎn)，降低系統(tǒng)效率［4］。

(3)輪南、桑解油田部分層系原油含蠟量高達28%，油井生產(chǎn)過程中，隨井筒溫度的降低，油管壁結(jié)蠟嚴重，嚴重堵塞柱塞在井筒中運行通道，而常規(guī)柱塞來回運行過程中清蠟效果差，易被蠟質(zhì)糊住，無法實現(xiàn)正常生產(chǎn)［5］。

2 連續(xù)清蠟柱塞結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)勢

2.1 柱塞內(nèi)部中空帶拉桿結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)勢

連續(xù)清蠟柱塞采用中空圓柱葉片筒和活動拉桿組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。上行階段，中空圓柱葉片筒與活動拉桿在井底形成密封狀態(tài)，井底氣體舉升液體至井口過程中，處于密封狀態(tài)下的柱塞可最大程度降低被舉升液體在井筒中的滑脫損失。下行階段，柱塞運行至井口，拉桿碰撞井口緩沖裝置使柱塞中空通道打開，平衡柱塞上下壓差，在重力作用下柱塞快速下落，并在井底承接器緩沖裝置處再次組合形成密封狀態(tài)，進一步循環(huán)舉升液體［6］。

圖1 連續(xù)清蠟柱塞結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of continuous paraffin removal plunger

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于柱塞舉升井液至井口后，通過碰撞拉桿形成中空通道實現(xiàn)快速平衡柱塞上下壓差，柱塞快速下落至承接器形成密封，再次舉升井液，確保整個過程不間斷，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，大幅降低被舉升井液的滑脫損失，提高了生產(chǎn)效率，增加油井產(chǎn)量，同時避免井筒積液壓死油井，導(dǎo)致油井停噴。

2.2 柱塞外部密封帶刮蠟片結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)勢

連續(xù)清蠟柱塞采取外部密封帶刮蠟片的工藝設(shè)計，如圖2所示。柱塞外部設(shè)計浮動活塞瓦，在彈簧作用下始終貼附于油管內(nèi)壁，起到防止柱塞上部液體向下滑脫的目的［7］；柱塞外部設(shè)計刮蠟片，在柱塞上下運行過程中，實現(xiàn)連續(xù)刮除油管內(nèi)壁結(jié)蠟，刮落蠟質(zhì)隨井液帶出井口，且柱塞頂端設(shè)計通道口，柱塞到達井口，拉桿下移打開中空通道泄壓時，柱塞下部流體在壓差作用下通過通道口高速沖洗殘留于柱塞頂部蠟質(zhì)，避免流體的流通通道堵塞［8］。

圖2 連續(xù)清蠟柱塞工況狀態(tài)Fig. 2 Working condition of continuous paraffin removal plunger

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于柱塞在舉升井液過程中，能有效降低滑脫損失，且在舉升井液的同時進行油管壁刮蠟，避免結(jié)蠟堵塞油氣流動通道，該結(jié)構(gòu)解決了高含蠟自噴油井油管結(jié)蠟堵塞運行通道的問題，實現(xiàn)了該類油井高效連續(xù)生產(chǎn)。

3 連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝原理及設(shè)計

3.1 工藝原理

連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝采用內(nèi)部中空帶拉桿結(jié)構(gòu)、外部密封帶刮蠟片結(jié)構(gòu)的設(shè)計［9］，實現(xiàn)了柱塞連續(xù)舉升井筒井液的同時，完成井筒刮蠟作業(yè)(圖3)。一方面，閉合后的柱塞作為舉升氣體和被舉升液體的密封界面，實現(xiàn)氣體舉升液體至井口，最大程度降低被舉升液體的滑脫程度；當(dāng)柱塞到達井口，拉桿撞擊緩沖裝置后，拉桿與柱塞外筒分離平衡柱塞上下壓差，在重力作用下，柱塞快速下落至安裝于油管內(nèi)部的承接器緩沖裝置上，實現(xiàn)拉桿與柱塞外筒的再次密封，在地層能量的推動下，柱塞再次舉升井筒液體至井口，完成一個舉升過程［10］。另一方面，柱塞外部刮蠟片設(shè)計，實現(xiàn)柱塞來回運行過程中進行井筒清蠟，刮除油管內(nèi)壁石蠟，疏通油氣流通通道，確保安全生產(chǎn)。

圖3 連續(xù)氣舉示意圖Fig. 3 Schematic diagram of continuous gas lift

3.2 工藝設(shè)計

對連續(xù)清蠟柱塞氣舉過程中柱塞運行周期、產(chǎn)液量等相關(guān)參數(shù)的設(shè)計，主要通過建立柱塞氣舉動力學(xué)模型，利用數(shù)值計算方法求解。由于連續(xù)清蠟柱塞在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)柱塞不同，柱塞工作過程中受力也存在一定差異，若不考慮液體回落，在上行過程中連續(xù)清蠟柱塞和常規(guī)柱塞受力是相同的。當(dāng)連續(xù)清蠟柱塞上行至井口后，拉桿與緩沖裝置撞擊，拉桿與柱塞外筒分離，柱塞下落過程中，柱塞下部的氣體和液體將沿著拉桿與柱塞外筒之間的中空通道相對于柱塞向上流動，而常規(guī)柱塞下行過程中柱塞下部的氣體和液體是沿著柱塞與油管之間的間隙相對于柱塞向上流動［11］。因此，兩種柱塞在下行過程中所受的浮力和摩擦力不同，進而影響柱塞氣舉工藝參數(shù)設(shè)計。

王崎生等人建立了常規(guī)柱塞氣舉運動模型［12］，模型中將柱塞上下行過程中柱塞與油管壁之間的摩阻簡化為舉升液體與油管之間的摩阻。由于連續(xù)清蠟柱塞與常規(guī)柱塞結(jié)構(gòu)不同，上下行過程中柱塞受力也存在一定差異。連續(xù)清蠟柱塞氣舉過程中，柱塞上行時柱塞長度相比于柱塞上部液體段長較小，為了簡化計算模型，將柱塞與油管壁之間的摩阻簡化為舉升液體與油管之間的摩阻；柱塞下行過程中柱塞與油管間的摩阻采用有桿泵舉升工藝中柱塞在泵筒中運動受力模型進行描述；柱塞下行接觸到油管內(nèi)液面之后，井液將通過連續(xù)清蠟柱塞中部進入到柱塞上部，井液與柱塞中部之間將產(chǎn)生流動摩阻，流體在狹窄環(huán)形空間流動時，與管壁接觸面積大小對流動阻力影響較大，因此在常規(guī)柱塞氣舉運動模型中引入了水力半徑R，建立了連續(xù)清蠟柱塞氣舉運動模型。

式中，S為過流面積，mm2;C為濕周，mm；針對常規(guī)柱塞，D0為油管內(nèi)徑，mm；Di為柱塞外徑，mm；針對連續(xù)清蠟柱塞，D0為柱塞內(nèi)徑，mm；Di為拉桿外徑，mm。

根據(jù)流體力學(xué)知識可知，水力半徑R愈大，流體的流動阻力愈小，水力半徑R愈小，流體的流動阻力愈大。在過流面積相當(dāng)?shù)那闆r下，連續(xù)清蠟柱塞氣舉相比于常規(guī)柱塞氣舉濕周更小，水力半徑更大，所受流動阻力越小。同時，連續(xù)清蠟柱塞底部截面積相比于常規(guī)柱塞更小(圖4)，所受浮力更小，因此更有利于縮短間歇氣舉間歇時間。

為了設(shè)計連續(xù)清蠟柱塞氣舉過程中柱塞運行周期、產(chǎn)液量等相關(guān)參數(shù)，利用數(shù)值計算方法對建立的連續(xù)清蠟柱塞氣舉運動模型進行求解。通過輸入相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)(表1)，可計算出JFA井套壓為23 MPa時，該井循環(huán)周期為70 min，日循環(huán)次數(shù)為21次，日產(chǎn)液量為57 m3。

圖4 常規(guī)柱塞（左）與連續(xù)清蠟柱塞（右）截面示意圖Fig. 4 Sectional area diagram of conventional plunger (left) and continuous paraffin removal plunger (right)

表1 JFA井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of Well JFA

4 現(xiàn)場應(yīng)用

JFA井于2019年1月20日自噴投產(chǎn)TⅡ油組，日產(chǎn)液38 t，日產(chǎn)油28 t，日產(chǎn)氣0.6×104m3，油壓12 MPa，含水率26.32%，2月6日因井筒積液停噴；2月12日制氮車氣舉舉活后于2月21日再次停噴；2月27日制氮車再次舉活并投連續(xù)清蠟柱塞，日產(chǎn)液62 t，日產(chǎn)油38 t，日產(chǎn)氣1.1×104m3，含水率38.71%，油井工況穩(wěn)定，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。截至2019年12月該井已連續(xù)生產(chǎn)302 d，累計增油7 681 t、增氣203.5×104m3。連續(xù)柱塞通過活動拉桿碰撞井口打開中空通道，實現(xiàn)連續(xù)柱塞在不關(guān)井的條件下快速泄壓回落至井底，再次進行舉升井液，實現(xiàn)了柱塞對井液的連續(xù)舉升，最大程度降低了井筒積液造成油井停噴的風(fēng)險，大幅降低制氮車氣舉作業(yè)頻次，節(jié)約生產(chǎn)成本。

LNC井為氣舉采油井，日產(chǎn)液19 t，日產(chǎn)油18 t，日產(chǎn)氣1.2×104m3，含水率5.26%，該井井筒結(jié)蠟嚴重需定期進行機械清蠟，清蠟周期為7 d。該井于2019年9月19日投連續(xù)清蠟柱塞，日產(chǎn)液30 t，日產(chǎn)油29 t，日產(chǎn)氣2.1×104m3，不再進行機械清蠟。截至2020年7月該井在未進行機械清蠟的前提下連續(xù)生產(chǎn)310 d，累計增油5 981 t、增氣471.8×104m3。該工藝實現(xiàn)了柱塞在舉升井液過程中對井筒進行刮蠟，避免蠟質(zhì)堵塞井筒，確保了井筒的正常舉升，實現(xiàn)了高凝油井持續(xù)高效生產(chǎn)，節(jié)約機械清蠟成本的同時，大幅提高油井生產(chǎn)效率。

截至2020年7月連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝在輪南、桑解油田現(xiàn)場應(yīng)用6 井次，減少制氮車氣舉作業(yè)73 井次，減少機械清蠟作業(yè)122 井次，大幅降低生產(chǎn)成本的同時提高了油井生產(chǎn)效率，實現(xiàn)累增油量25 416 t、累增氣1 403×104m3，節(jié)約作業(yè)費用119 萬元，連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯(表2)。新工藝不僅大大降低了油井井筒堵塞、油井停噴次數(shù)，降低了機械清蠟、制氮車氣舉作業(yè)頻次，降低了生產(chǎn)成本，而且實現(xiàn)了油井連續(xù)生產(chǎn)，提高油井舉升效率，大幅提高油井產(chǎn)量，極大提高了經(jīng)濟效益。

表2 連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝應(yīng)用井統(tǒng)計Table 2 Statistical application wells of continuous paraffin removal plunger gas lift process

5 結(jié)論

(1) “柱塞內(nèi)部中空帶拉桿結(jié)構(gòu)+柱塞外部密封帶刮蠟片結(jié)構(gòu)”一體化連續(xù)清蠟柱塞同時實現(xiàn)了柱塞連續(xù)舉升和快速清蠟的雙重功能，大幅降低了井筒積液壓死油層的概率，并且減輕了高凝油井井筒結(jié)蠟程度，實現(xiàn)油井連續(xù)高效生產(chǎn)。

(2) 針對地層能量較弱處于臨界停噴狀態(tài)的油井、自噴或處于臨界停噴狀態(tài)的高凝油井以及排水采氣氣井，采用連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝，現(xiàn)場應(yīng)用效果明顯，不僅降低了制氮車氣舉、機械清蠟作業(yè)的頻次，還大幅度提高了油井產(chǎn)量，實現(xiàn)低成本、高效益生產(chǎn)。