分體式柱塞氣舉實驗模擬

張峰超++郝俊龍++董婧璇++張立++劉林

摘 要：為了進一步改進分體式柱塞的性能，使其排液能力更加顯著，我們在分析新型分體式柱塞氣舉原理的基礎上，我們自行設計并搭建了分體式柱塞的模擬實驗裝置，建立分體式柱塞氣舉模擬實驗，實驗模擬了分體式柱塞啟動、連續排液過程及卸載過程，對比分析了分體式柱塞氣舉和常規氣舉排液規律，對比分析了注液、氣量對柱塞上升、下落時間的影響規律。該實驗目的：首先通過觀察現場模擬實驗的實驗現象來了解分體式柱塞工作特點；然后分析這些影響分體式柱塞運行周期的因素，為研究出工作效率更高、更加適合現場油田環境的柱塞做準備工作。該實驗對完善及推廣柱塞氣舉工藝具有實際的意義。

關鍵詞：有水氣井 分體式柱塞 排水采氣 實驗

中圖分類號：TE3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0050-02

我國氣田逐漸進入開發中后期，含水上升，地層能量和產氣量下降，井筒氣體舉液過程液體滑脫現象日趨嚴重，這將增加井底回壓，降低地層生產壓差，致使造氣井產量進一步下降。常規柱塞舉升是解決低壓低產有水氣井液體滑脫損失嚴重的重要方法之一，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。但常規柱塞排液采氣過程中，柱塞下落時間較長需要長時間關井，影響產量。德士古公司成功研制出一種不關井連續生產的分體式柱塞氣舉方式，并應用于德克薩斯州東部、南部和西部油田中十口井，增產效果明顯，與泡沫排液相比，還能節省化學藥品費用，降低生產成本。

該文在分析新型分體式柱塞氣舉原理的基礎上，建立分體式柱塞氣舉模擬實驗回路，實驗模擬了分體式柱塞啟動、連續排液過程及卸載過程，對完善及推廣柱塞氣舉工藝具有實際的意義。

1 實驗裝置

1.1 主要特性

分體式柱塞實驗裝置簡易流程如圖1所示，該裝置采用套管+油管的井筒管柱結構；井筒部分采用透明的有機玻璃管，能實現實驗全程的可視化；實驗裝置底部及頂部均設計有柱塞運行緩沖部件；油管內徑Ф40 mm（相當于API1.9"油管），垂直高度19 m；套管內徑Ф120 mm（相當于API5 1/2"套管），垂直高度14 m；底部承重法蘭內孔徑120 mm，外徑250 mm；底部支承管柱高127 cm，并沿承重法蘭圓周均布3根；底部氣液混合裝置及緩沖裝置免受其上部的油套管及其他部件承壓，既方便拆卸組裝，又延長其使用壽命。

1.2 實驗系統

分體式柱塞實驗系統由柱塞回路系統、氣回路及水回路組成。柱塞回路運行流程依次為底部緩沖裝置、井筒舉升管柱、頂部舉升裝置、井筒舉升管柱、底部緩沖裝置；氣流程較為復雜，空氣經壓縮機壓縮成高壓氣體后進入儲氣罐，然后根據實驗的具體情況分別進入井筒井筒底部裝置與液體匯合。水路流程水流依次進入恒壓水箱、水計量儀表、井底進液裝置、井筒舉升管線、井口排液管線、氣液分離器、進入恒壓水箱，進入下一循環。

2 實驗現象和實驗結果分析

2.1 啟動過程

啟動過程：在分體式柱塞氣舉啟動過程中，先打開進液閥門，當液體進入井筒一定高度后再緩慢開啟進氣閥門。開啟進液閥門，水流慢慢進入井筒，井底壓力緩慢升高；開啟進氣閥門并不斷調節進氣流量，在此過程中由于氣體慢慢進入井筒，井底氣液兩相呈現攪動流狀態，并托舉著柱塞在氣液兩相流動中上下震蕩，但此時柱塞并不會到達井口井筒內液體不會被排掉，由于井底積液量的累積及柱塞的上下震蕩導致井底壓力表現為波動起伏式升高；經過前期對注氣量不斷的調試，柱塞同其上部的液柱能夠穩定到達井口，液體被排出井口，柱塞在井口也能實現空心圓柱筒與球的分離并分別下落。至此，分體式柱塞已能實現不關井穩定運行，由于前期井內積液量較大，所以柱塞在最初幾次的舉升液量較多，井底壓力下降較快，井口壓力峰尖較高。此后隨著大量液體被排出，井筒內積液慢慢減少，最后與井筒進液量達到平衡，在此過程中井底壓力及井口壓力起伏達到平衡。

2.2 卸載過程

卸載過程：先讓柱塞正常運行并舉升液體，當空心圓柱筒最后一次下落至井底時關閉進氣閥門，之前柱塞上升過程中漏失的液體也迅速回落至井底，此時還有液體繼續從進液閥門不斷進入井筒，因此，隨著井底壓力不斷上升，一段時間后關閉進液閥門，同時打開井底排液閥門，此時井筒內積液迅速回落，井底壓力也隨之下降，至此，實驗卸載結束。

2.3 分體式柱塞氣舉與常規氣舉對比實驗

實驗過程如圖2所示。井底壓力相鄰兩個波峰或波谷之間為一個柱塞運行周期。井口壓力的峰值即為柱塞與其上部的液段達到井口的時刻。由圖2可以看出：（1）在0～120 s內，分體式柱塞氣舉正常運行，井筒液體被帶出井口。（2）在121～220 s內，此時井筒由分體式柱塞氣舉工藝變成常規連續氣舉工藝，可以明顯看出在此過程中，僅僅依靠氣體已無法將井筒內積液全部帶至井口排出，隨著井筒進液量不斷增加，井筒內積液越來越多，從而造成井底壓力顯著增大。（3）在221～500 s內，此時井筒又由常規連續氣舉工藝恢復成分體式柱塞氣舉工藝，柱塞正常運行。

從本次試驗可以得出以下結論：分體式柱塞氣舉能將井筒內液體幾乎全部帶出井口排出，而常規連續氣舉出現嚴重液體滑脫。說明分體式柱塞氣舉工藝比常規連續氣舉工藝在相同條件下更能有效排出井筒內液體。

2.4 不同液流量對比實驗

如圖3是注液量分別為2、3.2、4.4 L/min，柱塞上升時間與注氣量的關系。由圖3可知，在不同液流量條件下柱塞上升時間與注氣量關系的規律一致，即在注氣量小于20 m3/h的條件下，柱塞平均上升時間隨注氣量的增加下降較快，但在注氣量大于20 m3/h時，柱塞平均上升時間隨注氣量的增加下降較為緩慢。并且隨著液流量越大這種趨勢越為明顯。

3 結論

（1）開展了分體式柱塞物理模擬實驗，實現了長期不關井條件下分體式柱塞在實驗井筒中穩定帶液運行。

（2）進行了分體式柱塞氣舉和常規氣舉對比實驗，其測試結果表明：分體式柱塞氣舉工藝比常規連續氣舉工藝在相同條件下更能有效排出井筒內液體；

（3）對比分析不同進液量和注氣量對井底壓力、井口壓力、柱塞上升時間、柱塞下落時間及柱塞運行周期等參數的影響，得到了在不同進液量條件下柱塞上升時間與注氣量的關系。

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