適用于水平氣井的新型自緩沖柱塞氣舉排液裝置的設計及應用
——以鄂爾多斯盆地長慶氣區為例

韓強輝

中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院

適用于水平氣井的新型自緩沖柱塞氣舉排液裝置的設計及應用
——以鄂爾多斯盆地長慶氣區為例

韓強輝

中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院

韓強輝.適用于水平氣井的新型自緩沖柱塞氣舉排液裝置的設計及應用——以鄂爾多斯盆地長慶氣區為例. 天然氣工業, 2016, 36(12): 67-71.

柱塞氣舉工藝技術已成為鄂爾多斯盆地長慶氣區排水采氣的主要技術，但現有柱塞裝置存在大斜度井段卡定器難以卡定等問題，致使該技術只能應用于直井，而無法應用于大斜度井筒軌跡的水平井。目前，長慶氣區共有水平氣井1 200余口，積液問題逐漸顯現。為了實現水平氣井應用柱塞氣舉工藝進行排液采氣的目標，通過柱塞和井下工具結構一體化、動力學理論模型分析，并結合水平氣井井身結構特點，自主設計了一種適用于水平氣井的新型自緩沖柱塞裝置。該裝置不僅可進入水平井底部大斜度井段或水平井段，而且還簡化了現有柱塞裝置的井下工具。水平井柱塞裝置由柱塞本體、抗沖擊總成組成，柱塞本體確保舉液效率，抗沖擊總成實現自緩沖柱塞落地沖擊力的功能。結合工況條件測試，認為該裝置能夠滿足柱塞安全運行的要求，保證柱塞落地沖擊力不破壞管柱和柱塞本體。該新型水平氣井柱塞氣舉排液裝置已在長慶氣區成功投放運行，抗沖擊性能滿足現場應用要求，且大幅降低了井筒液柱高度，增加了產氣量，應用效果顯著，可解決水平氣井排液采氣的難題。

柱塞 水平氣井 氣舉排液 自緩沖 大斜度 變徑短節 沖擊力 彈簧 鄂爾多斯盆地 長慶氣區

鄂爾多斯盆地長慶氣區目前有水平氣井1 200余口，預計10年后達到2 600口，產氣量在20 000 m3/ d以下氣井將占76.7%，積液問題也逐漸顯現。

柱塞氣舉排液技術是以柱塞作為氣液分隔界面，能有效防止氣體上竄和液體滑脫，增加舉液效率，此外該技術不加注化學藥劑，還具有環保特點。國外認為柱塞氣舉工藝技術是低產及致密氣藏最經濟有效的排水采氣工藝，氣井增產22%～500%，投資回收期4個月，措施可應用至氣井枯竭[1-2]。國內1991年開展柱塞氣舉工藝技術探索性試驗。長慶氣區攻關研發了自主知識產權柱塞氣舉技術，實現了氣井遠程實時調參和管理，共應用465口井，有效發揮了排液采氣的作用，節省人力物力，特別適用于致密氣田區域面積廣、井多、人少的開發現狀，成為氣田排水采氣的主要技術[3-4]。

現有柱塞裝置在井底投放井下工具，主要實現緩解柱塞下落沖擊力的功能。由于水平井從底部造斜點開始井斜逐漸增大，而現有井下工具既難以進入大斜度井段，也不能在大斜度井段卡定，只能應用于直井段。因此現有的柱塞氣舉技術應用于水平井排液效果有限。研制適用水平氣井的柱塞氣舉配套裝置具有重要的現實意義[5-8]。

1 水平井柱塞設計

1.1長慶氣區水平井生產管柱特征

通過對長慶氣區水平井管柱結構統計分析，50%水平井油管由?88.90 mm管柱與?73.02 mm管柱組合，在斜井段45°～80°處由變徑短節連接兩種規格油管；20%水平井油管采用?73.02 mm管柱，在斜井段45°～80°處有安全接頭，安全內徑54 mm；20%水平井油管采用全井筒?88.90 mm管柱，水平段入窗點附近有滑套，通徑50 mm。按照管柱受力設計，以上3個縮徑點極重負荷均為520 kN。

1.2水平井柱塞功能設計

為研究適用于水平井大斜率井筒軌跡的柱塞氣舉排液工藝，研制的柱塞裝置需要達到以下功能：①可進入水平井底部大斜度井段,應下入斜井段井斜角40°以上,以達到較好的排液效果；②具有緩解柱塞落地沖擊力的功能；③能夠實現柱塞下落的定位功能。

1.3水平井柱塞總體設計

現有柱塞裝置在井底投放井下工具，主要具有柱塞下落定位和緩解柱塞下落沖擊力的功能。但井下工具無法進入大斜度井段，只能應用于直井。

長慶氣區水平井油管在井底進入水平段前均有縮徑點，將該位置井筒作為定位臺階，實現柱塞下落的定位功能；水平井柱塞裝置自身帶有緩沖功能，以實現緩解柱塞下落沖擊力的功能，從而簡化了原裝置的井下工具，柱塞能夠進入斜井段或者水平段，實現最大下入深度，滿足柱塞下深越大排液效果越好的要求[9-10]。

水平井柱塞裝置由柱塞本體、抗沖擊總成組成。柱塞本體作為氣液分隔界面，實現舉液的功能。抗沖擊總成安裝在柱塞的底部，柱塞落地時產生沖擊載荷，通過彈簧壓縮抵消沖擊載荷，避免柱塞和變徑短節撞擊損壞。

1.4抗沖擊總成結構

抗沖擊總成由中心桿、彈簧、擋圈等組成，結構如圖1所示。撞擊頭安裝在最底端，中心桿從擋圈中間穿過，兩者組成觸地組件。儲能彈簧安裝在柱塞中心孔內，由擋圈限制位移。柱塞觸地后，中心桿推動彈簧壓縮，緩解柱塞本體的沖擊力。

圖1 抗沖擊總成結構圖

2 柱塞裝置沖擊力計算與測量

2.1沖擊力計算模型

實驗過程中自緩沖柱塞高速撞擊變徑短節，柱塞動能轉化為彈簧的勢能，延長了沖擊時間，大幅降低了撞擊瞬間沖擊力，從而有效保護了柱塞和變徑短節的完好性。應用動力學理論建立了該裝置沖擊力計算模型[11-16]為：

式中t表示時間，s；vc表示柱塞本體沖擊過程速度，m/s；vz表示撞擊頭沖擊過程速度，m/s；Kc表示彈簧剛度，N/m；mz表示波阻抗，kg/s；M表示柱塞本體質量，kg。

整合方程組（1）得到沖擊力的二階微分方程：

初始條件：

式中vc0表示撞擊瞬間前速度，m/s；L1表示彈簧預壓縮量，m；H表示彈簧極限壓縮量，m；KT表示彈簧初始狀態剛度，N/m。

求得柱塞裝置沖擊力的解析解為：

其中

計算模型表明，自緩沖柱塞沖擊力受下落速度影響，增減蓄能彈簧壓縮量、更換不同剛度彈簧，均可改變該裝置落地瞬間沖擊力，最終提高自緩沖柱塞安全落地速度，滿足生產要求。

同時，減輕觸地組件重量，可降低落地沖擊力；增加柱塞外徑，由于活塞壓縮效應，柱塞下落的阻力增加，可降低落地速度，但外徑增加需要兼顧柱塞在油管內的通過性。

2.2沖擊力測量與分析

模擬工況條件下，以不同初速度將自緩沖柱塞從井口投放，讓柱塞落至油管底部變徑短節處，對自緩沖柱塞運行過程中抗沖擊性能和通過性進行測試評價。

測量實驗裝置沖擊力有利于了解抗沖擊總成的工作特性，有助于自緩沖柱塞優化設計。以設置彈簧壓縮量60 mm、落地速度500 m/min為例，力學模型計算沖擊力值與實測值有較高吻合度，約51 kN（圖2）。

圖2 自緩沖柱塞沖擊力隨時間變化曲線圖

設置彈簧壓縮量60 mm，按照不同的落地速度計算相應沖擊力（圖3）。為使柱塞落地沖擊力不破壞管柱和柱塞，需保證最大落地速度不超過安全范圍。彈簧設計極重載荷512 kN，油管變徑短節極重載荷520 kN，結合測量實驗結果，計算出自緩沖柱塞可達到的最大落地速度為5 000 m/min。

圖3 最大沖擊力隨落地速度變化曲線圖

3 柱塞裝置有效性分析

自緩沖柱塞本體與常規柱塞凹槽數、長度、外徑、重量完全相同，保證基本相同舉液效率。在生產現場，監測到柱塞在氣井井筒內運行，柱塞下落階段的運行速度約60 m/min[17-18]。可見，自緩沖柱塞抗沖擊力完全滿足生產實際的要求。

4 氣舉排液實驗與數據分析

4.1柱塞氣舉排液研究

關井后，自帶緩沖的柱塞整體下行，到達縮徑位置后，柱塞導向頭遇阻停止運動，柱塞本體由于慣性作用繼續下行，通過壓縮彈簧，緩解自身動能，直至停止。開井后，柱塞上行，將井底液體向上舉升至井口。按照以上開關井周期運行，最終安全實現了水平氣井自帶緩沖的柱塞氣舉排液采氣。

4.2實驗分析

長慶氣區某水平井前期采用常規柱塞氣舉排液，井深結構示意圖如圖4所示。在井底預先投放井下緩沖器，柱塞在井下緩沖器和井口防噴帽之間運行，實現舉液采氣。由于井下緩沖器不能進入斜井段，只能投放在直井段，投放深度2 800 m，距水平井入窗點約720 m。說明在柱塞正常運行的情況下，該井井底仍至少有720 m深液柱。

采用水平井新型柱塞裝置，需起出原柱塞和井下緩沖器，投放自緩沖柱塞。自帶緩沖的新型柱塞在變徑短節和井口之間油管段內運動, 從而實現氣舉排液生產。根據運行原理可知，柱塞可下行至3 150 m（?88.90 mm管柱與?73.02 mm管柱變徑短節位置），比普通柱塞下深增加390 m，垂直投放深度增加281 m。正常生產后，油壓降低3.6 MPa，套壓降低4.0 MPa，增產氣量0.53×104m3。運行32 d后取出自緩沖柱塞，彈簧無變形，柱塞端面完整，無損傷。實驗表明自緩沖柱塞已經成功投放運行，抗沖擊性能滿足現場應用要求，應用效果顯著。

圖4 長慶氣區某水平井井深結構示意圖

5 結論

1）自主設計了一種新型自緩沖柱塞，該柱塞在落地時能夠緩沖自身重量，具有常規柱塞井下緩沖器相同的緩沖能力，替代了原來的井下緩沖器，井筒內不需要再投放井下工具。

2）常規井下卡定器無法在斜井段投放，為了解決水平井大斜度井段排液的問題，利用長慶氣區水平井油管特點，即在進入水平井段前油管有縮徑臺階，以實現定位功能，簡化了井下卡定器，實現了柱塞進入大斜度井段的要求，避免了大井斜角無法投放井下工具的問題，柱塞下落深度大幅增加，可進一步降低井筒液柱高度，大幅提高了產氣量。

3）新型自緩沖柱塞實現了水平氣井應用柱塞氣舉工藝進行排液采氣，為長慶氣區1 200多口水平氣井排液采氣的難題提供了一種有效的解決辦法。

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（修改回稿日期 2016-09-12 編 輯韓曉渝）

Design and application of a new self-buffered plunger gas-lift drainage device for horizontal wells: A case study of the Changqing gas province, Ordos Basin

Han Qianghui
(Oil and Gas Technology Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an,Shaanxi 710018, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 12, pp.67-71, 12/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Plunger gas lift is the main technology in gas recovery by water drainage in the Changqing gas province, Ordos Basin. However, the existing plunger device can be hardly locked by using the locking device in the highly deviated hole section, so this technology can only be used in vertical wells, but not in such horizontal wells especially with highly deviated hole trajectory. At present, there are over 1200 horizontal gas wells in the Changqing gas province and the problem of liquid loading emerges gradually. In this paper, with the plunger being structurally integrated with the bottom hole assembly (BHA), a dynamics theory model was built and discussed. Then, based on the structural characteristics of horizontal gas wells, a new self-buffered plunger device suitable for horizontal gas wells was designed independently so that the plunger gas lift technology can be used for the gas recovery by water drainage in horizontal gas wells. This device can be run into the highly deviated or horizontal hole section at the bottom of horizontal wells, and simplifies the BHA of those existing plunger devices. This plunger device is composed of a plunger body and an impact-resistant assembly. The plunger body is used to ensure fluid lifting efficiency, and the impact-resistant assembly is used to realize the self-buffered landing impact. As demonstrated in testing under working conditions, this new device meets the requirements of safe operation of the plunger and prevents the landing impact of the plunger from destroying the string and the plunger body. Having being successfully put into operation in the Changqing gas province, this device was proved successfully to smooth out the difficulties of drainage gas recovery in horizontal gas wells, with good impact-resistant performance meeting the demands of field application, and with remarkable application results both in great reduction of wellbore liquid column height and increase of gas production.

Plunger; Horizontal gas well; Gas-lift drainage; Self-buffered; Highly deviated; Tapered nipple; Impact force; Spring; Ordos Basin; Changqing gas province

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.12.009

韓強輝，1981年生，工程師，碩士；主要從事柱塞氣舉排液采氣工作。地址：（710018）陜西省西安市明光路中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院新技術開發中心。電話：（029）86593279。ORCID: 0000-0003-2201-8589。E-mail: hqh100_ cq@petrochina.com.cn