柱塞氣舉排液采氣參數優化設計研究進展

葛岢岢*，鄒積恩，宋文容

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柱塞氣舉排液采氣參數優化設計研究進展

葛岢岢1*，鄒積恩2，宋文容3

(1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京昌平102249；2. 大慶職業學院繼續教育培訓部，黑龍江大慶市，163255；3.北京雅丹石油技術開發有限公司，北京昌平，102200)

隨著氣田的逐年開發，低壓低產氣井越來越多，柱塞氣舉排液采氣工藝得到了廣泛的應用。為確保氣井滿足配產、柱塞正常運行且保持較高舉升效率，更好地發揮柱塞氣舉工藝的優勢，提高氣井產量，延長氣井壽命，在柱塞氣舉運行初期以及運行穩定后都需要對柱塞氣舉進行參數優化設計。本文針對柱塞氣舉井的參數設計及優化國內外研究現狀進行了綜述，并提出了目前該領域研究需要關注和亟待解決的相關問題。

柱塞氣舉；排液采氣；參數優化；研究進展

引言

柱塞氣舉工藝是通過間歇開關井方式利用地層能量推動油管內柱塞上下往復運動排出井筒積液進行天然氣開發的排水采氣方法[1]。柱塞作為地層產出氣與井筒積液之間的固體分界面，可有效降低液體漏失回落，從而減少了滑脫損失，增加了氣舉效率。這項工藝技術適用于一定地層能量、氣液比較高的氣井，能有效延長出水井的壽命。柱塞氣舉工藝利用地層能量將柱塞及其上部液段舉出井口，排出井筒積液后生產壓差增大，氣井穩產期大大延長。柱塞氣舉工藝安裝維護成本低，柱塞沿油管上下往復運動還可以有效清除管壁的結晶、結垢[2]。不同氣井間的產液量、產氣量差異大，即使是同一氣井不同時期產液量、產氣量也有所不同，如果人為的調節這些參數，管理強度會很大。如何提高柱塞氣舉排水采氣工藝的效率、如何優化柱塞氣舉工藝的工作制度、如何最大程度地發揮柱塞氣舉自動控制的優勢，成為當前柱塞氣舉研究的關鍵技術，因此為保證柱塞井均能實現穩產、達到較好經濟效益，并擴大柱塞氣舉適用范圍，提高柱塞氣舉的可靠性，必須對工藝進行全面的分析與研究。

隨著網絡和信息技術的發展，各個應用領域的合作越來越密切，數據的互操作性日顯重要[3]。面對數據豐富而知識貧乏的挑戰，數據挖掘方法提供了解決方案，它能夠通過挖掘算法從大量數據中提取有價值的信息，挖掘出蘊含其中的不易發現的規律[4]。通過物理方法和大數據相結合的綜合方法，對柱塞氣舉井當前的生產狀況及歷史生產數據進行綜合性的分析，從而獲得適合于實際生產的柱塞氣舉生產參數，對氣井柱塞氣舉排水采氣具有重要的指導意義。

1 機理模型研究現狀

1.1 國外研究現狀

柱塞氣舉排液采氣工藝開始于上世紀50年代，前蘇聯學者Muravievg和美國的Beeson、Knox、Stoddard[5]等人相繼對柱塞氣舉的生產規律進行了研究，但這些早期研究理論較為簡單，方法具有很大的局限性。1965年，Foss和Gaul通過對Vbntura Avenve[6]油田85口試驗油井的生產資料的研究，建立了柱塞氣舉工藝的力學分析方法，導出了一系列柱塞舉升運行圖版，使之成為應用廣泛的權威柱塞舉升設計方法。但由于該分析方法使用的一些重要參數都取自特定條件的試驗油氣井，并做了大量假設，不具有普遍性。1972年Hacksma[7]成功地將最佳氣液比的概念引入柱塞氣舉工藝設計之中，對Foss和Gaul的設計方法進行了補充和完善，建立了柱塞舉升特性的分析方法。但柱塞氣舉是一隨時間變化的非穩態過程，他沒能給出舉升過程的動態模擬。1982年，J. F. lea[8]第一次提出了常規柱塞氣舉的動力學模型。建立了相應的動態模型，提出了一些參數的數值解法。假定柱塞和液體段塞以相同的速度在井筒內上升，柱塞在上行過程滿足動量平衡的條件，從而建立了相應的微分方程，由其數值解獲得柱塞位置、速度、加速度、套壓等的瞬時值。但他沒有考慮液體回落及氣體滑脫且沒有建立柱塞下落過程的動力學模型，因此不夠完善。Avery &Evans在Lea動態模型的基礎上提出了一個描述柱塞上升階段的動態模型。該模型假設：1）忽略氣體的各項摩擦損失，只考慮液體段塞與油管之間的摩擦損失；2）不考慮循環過程中流體進入井筒對壓力造成的影響；3）循環過程是等溫過程。其下行程階段則沿用Foss & Gaul的研究結果，沒有進行動態研究。

進入上世紀90年代，國外學者更多地轉向對柱塞工具設備及工作制度的研究。1992年，Marcano L與Chacin J[9]認為柱塞上升時產生的液體回落速率是平均上升速度的線性函數，基于動量平衡和質量守恒的基本方程，針對高氣液比油井柱塞氣舉工藝的安裝進行了優化設計，并開發了一套Fortran計算機程序，可以有效地用于常規柱塞氣舉的設計和故障排除。1995年，Beeson和Knox[10]通過對美國一些油氣田柱塞氣舉相關資料的分析，得出一系列描述所需注氣量、壓力、最大產能等的相關方程，通過方程繪制出表示柱塞氣舉特性的諾謨圖，并通過諾謨圖來分析給定井的氣舉特性。1997年，Gasbarri & Wiggins[11]在前人的工作基礎上，將油管中柱塞上部氣體考慮為單相瞬態氣體流動，并且考慮了井口分離器和地面集輸管線對柱塞舉升效果的影響，不考慮油管中積液向地層的反向滲吸、忽略柱塞上行過程中氣體的滑脫。以柱塞和液體段塞為研究對象，應用動量守恒原理，建立了柱塞上行和下行完整柱塞舉升周期的動態模型。進入21世紀，柱塞氣舉工藝在國外應用更為廣泛。2008年，Chave[12]等人針對人為假設條件和現場經驗而影響目前大多數柱塞舉升模型準確性的問題，提出了新的柱塞舉升模型。該模型結合氣藏流入動態的瞬態模型，并考慮氣藏、油套環空以及油管之間動態的相互影響，能夠更加準確可靠的預測柱塞的舉升過程，優化柱塞舉升周期。

國外還有很多學者對柱塞氣舉工藝在非常規天然氣井中的應用進行了研究[13]。2000年，Maggard[14]等人針對前人柱塞氣舉模型中采用穩定氣井產能公式描述氣藏的生產動態而不能反映出柱塞舉升周期內氣井井底流壓的變化的問題，通過耦合基于GASSIM模擬器的氣藏模擬模塊來模擬氣藏流入動態的瞬態模型，建立了致密氣井的柱塞舉升模型。2009年，Tang[15]針對Piceance盆地致密氣井的積液問題，開展了柱塞氣舉動態特征研究。為了實現致密氣井產氣量最大化的目的，通過合理控制積液找尋柱塞氣舉的最佳工況。基于致密氣藏具有基質滲透率低、水力壓裂裂縫和泄流半徑的特征，在該模型中引入了瞬態的IPR方程和產量遞減規律，并應用該瞬態多相流流入動態分析柱塞舉升的效率。2011年，Kravits[16]等學者又對柱塞氣舉在Marcellus頁巖氣井中的應用進行了研究，柱塞氣舉工藝在國外的應用范圍越來越廣。

1.2 國內研究現狀

圖1 國內文獻調研統計結果

經文獻調研可以發現，國內對柱塞氣舉工藝的應用較晚，理論及實驗研究較國外都較少，國內柱塞氣舉排水采氣工藝的研究始于1986年，最初幾年文獻數很少，2005年文獻數處于峰值，說明當年柱塞氣舉排水采氣工藝發展較快，2000年后至今文獻數呈現上升趨勢，說明目前柱塞氣舉排水采氣在國內是一個研究熱點。國內文獻調研統計結果統計如圖1所示。

2000年，王賢君等針對地層產氣、產液等因素對柱塞及液柱上升的影響，從氣井柱塞運動過程中的動力學分析入手，建立了柱塞上、下行程動態模型，同時結合氣井生產動態，建立了柱塞氣舉排液采氣優化設計模型。該模型能夠計算氣井生產時的積液速度、柱塞最佳上升速度以及將井底液柱舉升至地面所需要的最高套壓值等參數，從而可以預測出柱塞氣舉排液采氣的運行周期數及周期舉液量[17]。2005年，何順利等總結分析了動力、阻力和體積這三大柱塞氣舉影響因素，通過對柱塞氣舉可控因素進行分析討論后得出，柱塞氣舉參數優化設計實質上是對續流生產時間和開井的套壓進行優化[18]。同年，何順利等利用動量平衡方程，研究了柱塞與液體段塞的運動特征，并應用質量守恒原理研究了柱塞氣體壓力的動態變化。在理論模型建立的過程中，將所研究段氣體分割成若干控制體，并假定在時間單元內控制體的各參數是恒定的，建立了多種影響因素下的柱塞及液體段塞運動方程[19]。2008年，梁政等人同時考慮油套壓的變化，液體聚集，液體回落和柱塞所受摩擦力，建立了更為完善的氣井柱塞氣舉動態模型[20]。

國內一些學者對柱塞氣舉的智能化，多元化進行了研究。2013年，楊旭東等針對常規柱塞氣舉工藝單一的定時開關井模式且需要人工到井口進行調參的不足，進行了柱塞氣舉智能化研究，實現了柱塞氣舉工藝遠程控制及參數的最優化運行。2014年，陳科貴等為了適應定向井特殊井身結構，改進了下井工具及施工程序，對氣井柱塞氣舉工藝各項參數進行了優化設計，進而極大地擴展了該工藝的應用范圍[21]。2016年，李銳等針對現有氣井柱塞氣舉控制系統功能單一，且缺乏系統優化功能，僅依靠理論模型輸入相關參數的缺點，設計了多模式優化下的氣井柱塞氣舉排水采氣控制系統[22]。從調研情況可以看出，國內對柱塞氣舉工藝的理論研究還不夠全面深入，對其動態模擬及優化設計尚需進行進一步探討，工藝的應用范圍也有很大的擴展空間。

2 數據挖掘應用于排水采氣方案優選方向研究現狀

傳統的排水采氣工藝優選是通過歸納和總結現有排水采氣工藝的優勢和不足，在排水采氣工藝選擇原則的基礎上，對目前常用的一些氣井排水采氣工藝措施優選方法的計算模型進行分析研究，結合各排水采氣工藝理論研究以及工藝方法的適應性，建立排水采氣工藝方法優選模型。

隨著數字油田的發展，很多學者利用氣田排水采氣生產的實時采集數據進行分析、預測和優化研究，機器學習技術在氣井排水采氣方案優選方面獲得較多關注。1993年，肖芳淳等系統研究模糊數學方法在排水采氣方案優選中的應用[23]。同年，張數球等針對每種排水采氣方式都包含有各類技術經濟指標，很多指標既相互依賴等特點，運用模糊優化理論全面分析各類技術經濟指標的優劣，并將其運用到氣井排水采氣方案優選當中，以此來評價、優選氣井排水采氣方案[24]。2003年，雍岐東等融合模糊、物元、信息熵各自優勢，提出了模糊信息熵物元評價模型。基本思路是：1）依據從優隸屬度準則，將多方案多指標值轉化為隸屬度；2）構造模糊信息熵物元，并計算出相應的信息熵值；3）根據模糊信息熵最大化原則，優選出最佳方案。并將其用于排水采氣方案優選，為方案優選提供了一種新的方法[25]。2006年，林巍等根據灰色系統理論中的關聯分析原理，建立了一種可以應用于排水采氣方案優選的灰色關聯分析方法，擴大了信息源并提高了評價結果的可信度[26]。2007年，鞏艷芬等采用 TOPSIS 方法對不同排水采氣技術進行綜合評價及優選，不僅可以評價不同排水采氣技術在一定現場環境下的優劣, 而且可以說明某一技術方案與最優方案的接近程度。從而可以確定本地區最優的排水采氣技術[27]。2008年，匡建超等融合遺傳算法和 BP 神經網絡算法，既保留了傳統遺傳算法全局搜索能力強的優勢，又加快了神經網絡的自學習, 自適應能力和收斂速度, 避免陷入局部較小的問題，提出了改進的遺傳優化 BP 神經網絡模型，并成功將其運用到新場氣田排水采氣方案優選[28]。2010年，柴云等基于集成創新的思想，將多屬性決策中模糊層次分析法和灰色——正負理想點逼近法進行優勢集成，提出了 FUZZY-AHP-TOPSIS方法對油氣田開發方案進行優劣排序，該方法綜合考慮了決策者的主觀權重和投資項目各影響因素之間固有的客觀權重、投資風險和收益等眾多因素，為氣田排水采氣方案優選提供了一種可靠的決策方法[29]。2012年，周瑞立等采用模糊數學分析方法，針對成熟的工藝如優選管柱、泡排、優選管柱+泡排等工藝技術等，根據各工藝的優缺點，綜合考慮各工藝的技術、經濟等指標[30]。

同時，國內外學者結合數據挖掘對柱塞氣舉進行了一定的研究。1990年，RW. Crow 等人針對柱塞氣舉工藝中控制器上的套壓、油壓以及管線壓力等參數都是人為設定預定值，導致井條件發生變化時，這些參數不再適用的特點，設計了一種新型的電子微處理器，控制器可以不斷地監測柱塞到達并自動調節柱塞操作來實現最大化生產[31]。2011年，長慶油田工作人員結合柱塞氣舉機理模型及油田所測得的實時數據對柱塞氣舉的工作制度進行調試及優化，從而優選出適合實際生產的柱塞氣舉生產參數[32]。2016年，李銳等通過分析柱塞氣舉周期運行規律，來確定氣井生產時開井時刻和關井時刻套壓的變化范圍，然后根據控制器實測實時套壓值來確定何時進行開關井[22]。

通過文獻調研可以發現，目前數據挖掘在排水采氣方案優選方向有一定的研究應用，在柱塞氣舉參數優化設計方面的研究應用也有所涉及，但研究的深度和廣度都還不夠。現在柱塞氣舉參數優化機理主要通過機理模型來實現，存在很多的局限性。數據挖掘在該工藝的成功應用，必將為柱塞氣舉參數優化設計帶來突破性的進展。通過數據挖掘的方法根據多口氣井的靜態參數，生產參數，歷史運行參數等信息進行綜合性分析，同時考慮到氣井柱塞氣舉排水采氣工藝的各生產參數的變化趨勢以及當前狀態。可以采取針對性的措施，從而獲得最優的柱塞氣舉生產參數。

3 結語

綜上所述，柱塞氣舉最先在國外發展，現在已經進行了深入的研究，并在低壓低產氣田得到了廣泛的應用。國內起步雖晚，也取得了很大的進展。但是面對大量的油田數據，僅僅采用傳統的機理模型來解決問題，顯然是對數據資源的浪費。具體存在的問題有：

（1）傳統的柱塞氣舉機理模型所計算出來的參數只適用于一定的生產條件，當生產條件發生改變時，這些參數將不再適用；

（2）建立機理模型一些重要參數都取自特定條件的試驗油氣井，并做了大量假設，不具有普遍性。而且這些條件都是理想狀態下的，實際生產并不能實現；

（3）對于數據挖掘在柱塞氣舉工藝的應用，國內外學者雖然已經做了一定的研究與試驗，也取得了一些研究成果，但是深度和廣度都還不夠。

當前的氣田系統由于計算機的普遍應用，積累了大量的數據，怎樣從這些大量數據中提取出對氣田生產有用的信息和知識，更好地為氣田的發展提供幫助成為迫切需要，而數據挖掘技術的出現正好可以解決這一問題。如果能將柱塞氣舉參數優化設計的機理模型與數據挖掘相結合，柱塞氣舉排水采氣工藝一定會取得突破性的進展。

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A Survey of Plunger Gas Lift Drainage Gas Production Parameter Optimization Techniques

GE Keke1*, ZOU Jien2, SONG Wenrong3

(1.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, BeijingChangping 102249, China; 2.Daqing Vocational College of Continuing Education Training Department, Heilongjiang Daqing 163255, China; 3. Beijing Yandan Petroleum Technology Development Co, Ltd, Beijing Changping 102200, China)

With the development of gas fields year by year, low pressure and low gas production wells are more and more, plunger gas drainage technology has been widely used. In order to ensure that the gas wells can meet the production, the operation of the plunger can be normal and a high lifting efficiency can bemaintained. In order to play the advantages of plunger gas lift process to improve gas production and extend the life of gas wells in the early stage and stable stage of plunger gas lift operation period the design of the plunger gas lift are needed to be optimized. In this paper, the parameters of the design and optimization of the domestic and international research are summarized, and some related problems that need to be paid attention to and urgently solved in this field are put forward.

plunger gas lift; drainage gas production; parameter optimization; research progress

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.01.06

TP3

A

1672-9129(2017)01-0021-04

2017-01-05；

2017-01-14。

葛岢岢(1990-)，女，河北衡水，碩士研究生，主要研究方向：采油工程、數據挖掘。鄒積恩(1965-)，男，黑龍江大慶人，大學畢業，管理工程師；主要研究方向：管理經濟學，運籌學，技術經濟學。宋文容(1991-)，女，湖北黃岡人，研究生畢業，石油工程師；主要研究方向：采氣工程。E-mail：1126817982@qq.com