新型雙墊柱塞氣舉工藝在S209井區的應用

李曉蕓，解永剛，李 耀，王 磊，武 浩，張玉華

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

S209井區位于榆林氣田南區西南部，主要產層為山西組山2段山23小層，構造為東高西低的單斜構造。北部、中部氣層厚度大、物性較好、產能較高；中西－西南部普遍出現氣水層和水層。該井區自2003年9月投產，生產過程中氣藏邊部靠近水體的幾口生產井不同程度地產出地層水，個別井出水量大，嚴重影響了氣井的產能。為了提高氣田開發效率，有效地排除產水氣井井底積液，在采取“內降外控”與“控水采氣”措施的基礎上，針對重點積液氣井開展新型雙墊柱塞氣舉工藝試驗，保證氣井連續生產，確保富水區氣井產能充分發揮。

1 S209井區概況

1.1 氣水層分布

榆林氣田測井解釋氣層主要分布在東－東北部的構造高部位，海拔基本在-1 800 m以上，而水層及試氣產水量較高的井多分布在緊鄰氣藏的西南部的北西-南東向的構造低洼位置（如陜1、陜2、陜3、榆1等），海拔一般都低于-1 800 m，疊加上山23層所有測井解釋水層及部分井試氣結果后，發現氣水層的分布受區域地質構造的控制作用比較明顯。

1.2 水質分析

通過控制壓差生產減緩水體推進，同時加強生產氣井水質監測，重點分析S209井區內部局部出水井點、產液變化情況，及時調整氣井產量，控制地層出水，2012年S209井區氣井氯根監測401井次，礦化度監測109井次，水質分析結果表明，氯根含量在16.32～114 483.12 mg/L，平均 8 817.44 mg/L，總礦化度在174.36～185 118.04 mg/L，平均為 15 393.43mg/L。全年該富水區氣井整體保持穩定生產，平均水氣比0.14 m3/104m3，控水采氣效果良好。

為進一步提高S209井區積液氣井排水采氣效率，實現富水區低產氣井連續排液，確保積液氣井連續生產，通過開展排水采氣工藝技術調研和攻關，2012年引進新型雙墊柱塞氣舉排水采氣工藝技術開展理論研究及現場試驗。

2 新型雙墊柱塞氣舉排水采氣工藝技術

柱塞氣舉實質上是間歇氣舉的一種特殊形式，由于在舉升氣體和被舉升液載之間提供了一種固體的密封界面，減少了氣體的竄流和液體的回落，從而能有效提高氣體能量的舉升效率。柱塞氣體的舉升能量來源于氣體的膨脹能，它可以充分利用地層的能量，所以尤其適用于高氣液比的采氣井。

2.1 工藝原理

新型雙墊柱塞氣舉是將活塞作為氣液之間的機械界面，依靠氣井自身能量，以一種循環的方式推動柱塞在油管內上下移動，減少了液體的回落，消除了氣體穿透液體段塞的可能，達到了減少滑脫損失的目的。同一般的間歇氣舉相比，它能更有效的利用氣體的膨脹能量，提高舉升效率。在井底壓力低于地層飽和壓力后，地層產出液中的氣相分離出來，形成游離氣聚集在油套環空中，液體進入到油管里。隨著產出液的聚集，環空中的天然氣越來越多，導致環空壓力上升。當環空壓力即套壓升高到一定值時，壓力信號傳遞給地面的時間控制器，氣動閥打開。由于井口油壓低于套壓，在壓差作用下，環空內的氣體進入油管并迅速膨脹，推動柱塞迅速向上運動，柱塞推動液柱到達井口時，液體全部產出；同時，柱塞到達傳感器將柱塞到達地面的信號傳遞給地面的時間控制器，氣動閥關閉。當柱塞撞擊到井口防噴管內的彈簧后下落，柱塞下落到井下柱塞緩沖器上，重新聚集液體，套壓達到一定值時，又開始下一個循環過程。

圖1 柱塞舉升原理圖

2.2 結構組成

2.2.1 柱塞設計 柱塞作為舉升循環中被舉升液體和舉升氣體之間的固體密封界面，在整個舉升循環中起至關重要的作用。本設備柱塞為PP-278L-2雙墊柱塞。柱塞結構示意圖（見圖2）。

圖2 亥姆赫茲哨結構示意圖

PP-278L-2雙墊柱塞，彈簧加載片直徑擴張開為Ф63 mm，收攏為Ф59 mm，柱塞裝置靠閥桿上下移動達到柱塞開關目的，柱塞密封受彈簧葉片及油管內徑相對公差大小的影響。

2.2.2 防噴器設計 防噴器是柱塞裝置的至關重要的一部分。防噴器帽配有一個承受向上里的彈簧，緩沖墊是柱塞和防噴器最初接觸部位，柱塞通過與緩沖墊接觸，觸動閥桿打開柱塞閥。設計彈簧與緩沖墊的目的是

為了防止柱塞在舉升到井口時，由于柱塞的速度很高，與井口采氣樹閥門發生碰撞，損壞柱塞和閥門。彈簧和緩沖墊可以給柱塞一個緩沖的環節，保護柱塞。

2.2.3 井下彈簧緩沖器 它是一種防止柱塞在沒有液體運行時沖擊油管底部的保護裝置，可以通過鋼絲作業在油管內安裝。用以緩沖柱塞下落沖擊油管底部的力，防止柱塞下落硬性沖擊油管內的坐落接頭。

圖3 井下緩沖器結構圖

2.2.4 控制系統 PCS柱塞氣舉裝置的正常工作由時間-周期控制器定時地控制氣動閥的開關來完成。當氣動閥關閉時，柱塞上的閥已被防噴管內的撞擊桿頂開，打開旁通，柱塞自行下落。柱塞撞擊井下緩沖器后閥關閉，同時油管中液面不斷上升。當油套環空壓力恢復到足以突破油管鞋舉升柱塞以上液體時，氣動閥打開，氣體迅速從套管進入油管，與地層流入井底的氣一起推動柱塞及其上部液體升向井口，直到把柱塞上部的液體舉升至地面，柱塞撞擊防噴管內的頂桿后，閥再次打開，氣動閥關閉，柱塞下落，開始下一次工作循環。

2.3 柱塞氣舉方程

2.3.1 最小套壓 當柱塞和液體段塞到達井口時，套壓達到最小值，其表達式如下：

式中：PL-柱塞舉升所需要的壓力，MPa；P1-舉升1 m3液體以及克服摩擦力所需的壓力，MPa；S-柱塞以上的液體段塞體積，m3；K-柱塞以下氣體的摩擦系數；D-柱塞的長度；m。

當液體段塞和柱塞到達井口油管時，液體段塞和柱塞的重力、柱塞在油管中的摩擦力、液體段塞在油管中的摩擦力以及井口油壓等之和，即為最小套壓[1]。

2.3.2 最大套壓 最大套壓可用下式表示：

式中：A環-流經套管和油管之間環空的截面積；A油-流經油管的截面積。

該方法假設最大套壓等于套管中使柱塞到達井口的氣體膨脹能，計算比較保守，可以通過柱塞到達井口的采出氣量進行校正。另一個假設是，當套管中的氣體膨脹進入油管時，井口套壓立即降至最小套壓[1]。

3 現場試驗及應用效果評價

為提高S209井區積液氣井排液效果和開井時率，進一步驗證柱塞氣舉排水采氣工藝在榆林氣田富水區的適用性，現場選取1口氣井開展新型雙墊柱塞氣舉試驗。試驗數據（見表1）。

表1 S1井安裝新型雙墊柱塞氣舉裝置前后對比表

該氣井自安裝新型雙墊柱塞氣舉裝置后，油套壓穩定，油套壓差明顯減小，日產氣量、日產液量均明顯增加，無需再采取泡排措施，生產平穩。現場試驗表明，通過應用新型雙墊柱塞氣舉工藝，有效地排出了氣井井筒積液，氣井產能得到了恢復，試驗效果明顯。

4 結論與認識

（1）針對φ73 mm油管的氣井，只要氣井有足夠的能量舉升柱塞和積液，應用柱塞系統可以很好地解決井底積液問題。

（2）新型雙墊柱塞氣舉工藝是利用氣井自身能量推動油管內的柱塞舉水，不需其它動力設備、生產成本低，是一種新型、簡單、高效的排水采氣技術。

（3）隨著S209井區開發時間的不斷延長，積液氣井逐漸增多，結合S209氣井產水特征，建議下步繼續深入開展理論研究和現場試驗，摸索柱塞合理運行周期，推廣應用該技術。

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