柱塞舉升系統設計

摘 要：本文分析了智能柱塞系統的工作原理、組成的主要部件、適用范圍及優點。

關鍵詞：柱塞舉升系統 設計

在天然氣開采中，隨著氣藏壓力和天然氣流動速度的逐步降低，氣藏中的產出水或凝析液不能隨天然氣流攜帶出井筒，從而滯留在井筒中。這些液體在一段時間內聚集于井底，形成液柱，對氣藏造成額外的靜水回壓，導致氣井自噴能量持續下降。通常，如果這種情況持續下去，井筒中聚集的液柱終會將氣壓死，導致氣井停產。這種現象稱為“氣井積液”。排水采氣是解決“氣井積液”的有效方法，也是水驅氣田生產中常見的采氣工藝。目前現場應用多年的常規采氣工藝包括優選管柱排水采氣工藝、泡沫排水采氣工藝、機抽排水采氣工藝、電潛泵排水采氣工藝等，取得了良好的經濟效益和社會效益。智能化排水采氣又稱PCS柱塞舉升排水采氣，它是間歇氣舉的一種特殊形式，由于柱塞在舉升氣和采出液之間形成一機械面，所以減少了滑脫損失，可以有效地消除井底集液，減小對生產層的回壓。

同一般的間歇氣舉相比，它能更有效地利用氣體的膨脹能量，提高舉升效率。在氣井生產的初期，氣流很容易將液體攜帶出來；當產量下降到臨界流速以下時，氣流無法克服液體的重力而將其攜帶出來，這樣井底不斷產生的積液對地層造成一定回壓，從而降低產量。應用柱塞舉升系統，可以有效地消除井底積液，減小對生產層的回壓，是排水采氣工藝中的一種有效方法。

智能柱塞氣舉是一種利用柱塞和井自身儲層能量提高攜液能力的“人工智能控制”間歇自噴排液采氣新技術。它可使一些能量近于衰竭的井保持間噴生產，延長生產壽命。柱塞作為一種固體的密封界面，將舉升的氣體與被舉升的液體分開，有效地減少了氣體滑脫和液體的的回落，提高了舉升效率。

柱塞舉升的主要能量來源于地層氣，當地層能量不足時，可以向井內注入一定的高壓氣，將柱塞及其上面的液體舉升到井口，以達到排出井底積液的目的。柱塞舉升是一種從低產井或氣井中清除積液較受歡迎的方法，它可使一些能量近于衰竭的井保持間噴生產，延長生產壽命，適宜于產液量不大、井筒積液、有一定地層能量的產液氣井或低產高氣液比油井。它要求地層能量至少能夠推動柱塞及液柱上行到井口。地層能量太低或能量恢復太慢的井，會因為無法舉升而失效；高產、深井因柱塞下落時間太長而不適宜；大斜度井和水平井不適用。

一、整體方案設計

柱塞舉升裝置主要由井口裝置、柱塞和井底裝置組成，該裝置既可以完全依靠儲層能量實現間歇自噴生產，也可以用注氣補充能量方式間歇舉升；地層能量嚴重不足，衰減到不能驅動柱塞時，可下入舉升管柱，人工注氣補充能量推動柱塞舉升積液，提高采收率。

智能柱塞舉升系統正常工作由電子控制器按照井況條件編制好的方案程序設定，智能控制氣動閥定時開、關井，控制柱塞周期性上行舉升、下落恢復能量的循環往復運動，將井內液體舉升出井口。柱塞舉升系統在一個舉升周期中分排液、續流和關井等3個階段。

在關井階段：氣動閥關閉，柱塞上的閥已打開，防噴器上的捕爪松開，柱塞靠自身重力作用在油管氣液柱中下沉，撞擊管柱底部彈簧承接器后，柱塞上的閥關閉。關井期間，井底能量恢復，近井和油套環空油氣聚集，從地層中產出的氣體和液體存儲在套管環空和油管內，其中，大多數氣體存儲在套管環空中，大部分液體則存儲在油管內。在油管內液體上方存儲有少量氣體。油管內液面上升，油套壓力回升。

在續流階段：氣體從套管環空中進入到油管內，套管壓力降低。從地層中產出的氣體和液體流入油管內。由于地層產生的氣體不足以將液體舉升到地面，所以從地層中產生的液體通常聚積在油管底部。在續流階段，井口氣動閥仍然是關閉的。

在排液階段：氣動閥打開，油管內的氣體流入低壓出油管線內，柱塞和液體上方的壓力降低。當柱塞底部的壓力大于地面氣體壓力、柱塞上方液柱壓力、柱塞質量和柱塞摩擦力的總和時，柱塞及其上方的液體被舉升到地面，實現排液。在柱塞及其上方液體段塞向上舉升時，地面壓力降低，地層連續產液和產氣，流體聚積在底部油管內。液體被舉出井口后，若地層氣量充足，柱塞下部天然氣要放噴一段時間，完成一個舉升過程。柱塞在到達地面時與防噴管內的緩沖墊撞擊，將柱塞閥再次打開，形成一個通道。當排液完成，氣動閥再次關閉，柱塞在自身重力作用下下落，開始下一循環。

二、柱塞主要部件的功能

(1)自動控制器

①設置及時開關井或壓力循環程序，具有設計簡單和可靠的記憶功能；

②設有滾動的LCD直讀功能；

③為天然氣流動或關井向控制器傳送已設定好的相應模式信號；

④接收由到位傳感器傳送柱塞到達地面的信號。

(2)柱塞

①在井下天然氣恢復壓力的作用；

②作為液柱和舉升天然氣之間的隔離面；

③防止在油管內壁形成鹽結晶、結蠟或結垢；

④連續清除井內集液，增加天然氣產量。

(3)緩沖彈簧

(4)防噴管

①具有為檢查柱塞而設置的腔室和柱塞捕捉器；

②含有彈簧加載可拆卸帽蓋及防止柱塞沖擊的緩沖器；

③設有可選擇的雙向或單向的流體導出口。

(5)到位傳感器

(6)氣動閥門

①含有對油或天然氣實施開啟或關斷的氣動薄膜閥；

②實現關井，便于向井內投擲柱塞。

三、適用范圍

若生產井存在下述任意情況（一項或多項情況），都可以使用自動控制柱塞舉升系統。

（1）清除天然氣井中的井底集液

絕大部分氣井在其自噴開采期就帶有一定數量的液體，只是氣體在油管中保持足夠的流動速度，以多相流的方式把液體攜帶至地面。如果氣體在油管中的流動速度低于某一極限速度，液體就逐漸在井底聚集，如此繼續下去，氣井自噴可能轉入間噴生產。如果再不采取措施，井就會停噴。在產水氣井中，采用柱塞舉升工藝可有效清除井底積液，延長井的自噴生產期。

（2）高氣油比的油井

高氣油比油井的柱塞舉升機理與氣井相同，只是地面控制方式有所變化。無論是高氣液比油井還是氣井，舉升柱塞及其上部液體段塞的能量都是由地層所產天然氣提供，不同的是裝置的最終產品，一個是油，另一個是氣。

（3）防止形成蠟、鹽結晶或結垢的油井

通常，當溫度低于原油的析蠟溫度時，蠟就會呈微細的薄片析出，并逐漸附著在油管內壁上。如果不定時清除積蠟，任其發展下去，會給生產帶來不便和損失。在高氣液比的油井中，氣體膨脹所產生的冷卻效應更會加速蠟的析出。柱塞在油管結蠟深度以下至井口這段油管內的上下往復運動，起到了擦洗油管內壁的作用，可以清除結蠟并防止蠟在油管內壁的沉積，使管壁保持清潔。因此高氣液比的油井和高壓油井都可用柱塞舉升系統解決積蠟問題。

（4）間歇自噴的高氣油比的井

（5）高壓低滲井

（6）邊緣高氣油比井

（7）能滿足每305m深度的范圍內生產氣油比大于72(m3/m3)的油井。

四、優點

①維修保養費用低廉；

②大大增加了生產井的自身舉升效率；

③極易在裝有座落接頭的生產井內進行安裝作業；

④消減了為清除結蠟對原油加熱或注入化學藥劑的費用；

⑤消減了清除生產井結蠟、結晶鹽或結垢的操作費用；

⑥不需要額外的能源，即節省了附加能源費用；

⑦使大多數已衰竭的井重新恢復生產，延長生產井的生產周期；

⑧可以替代大多數天然氣生產井為清除井下液體的泵送裝置。