連續柱塞氣舉工藝設計及在塔里木凝析氣田的應用

段玉明， 王法鑫， 雷騰蛟， 李 燕, 董豐碩

(1塔里木油田開發事業部 2玉門油田分公司老君廟采油廠)

在塔里木油田JF凝析氣田，部分井產液量高(50～100 t/d)、氣液比高(100～300 m3/m3)、產出水礦化度高；氣藏壓力下降后，產出氣攜液能力下降，不足以將產出水帶出地面，造成井筒積水；積水到一定程度后，井口油壓落零，停噴關井，處于臨界自噴狀態；關井約一周后地層壓力恢復，開井自噴生產約一周后又進入關井周期；且開井周期逐步縮短，關井周期延長，無有效排液采氣技術可用，于是，設計了連續柱塞氣舉排液采氣工藝技術。

連續柱塞氣舉工藝技術與常規柱塞氣舉技術類似，采用連續氣舉柱塞代替傳統彈片柱塞，井口無控制部分，只安裝防噴管、柱塞到位器檢測器、捕捉器和減震器，用于柱塞防撞和捕捉、檢查柱塞；柱塞無控制，依靠產層天然能量、柱塞結構和自重，舉升系統自平衡運行，達到排液采氣的目的。

一、連續柱塞氣舉原理

連續柱塞由一個活動的中心桿和一個中空的彈片柱塞組成，柱塞下落到承接器后，活動中心桿上的密封裝置封住了柱塞的中心泄流孔，柱塞變成了一個傳統彈片柱塞，柱塞中心流體通道自動關閉，依靠柱塞下部聚集的氣柱能量推動柱塞上行[1]；柱塞到達采油樹后的生產翼后，柱塞底部壓力釋放[2]，柱塞上下壓力平衡，柱塞處于自由狀態，中心桿依靠重力下行，柱塞中心泄流孔打開，井內流體經過柱塞中心泄流孔和柱塞與油管壁的間隙產出，柱塞靠自重開始下行(如圖1所示)，柱塞在重力作用下下落至承接器，中心桿再次密封住柱塞中心泄流孔，氣體在柱塞底部聚集形成氣柱，開始進入新的舉升周期[3]；該工藝設計實現了不關井連續生產，在提高氣井舉升效率的同時，也避免了井筒積液使油氣井停噴關井[4]，提高了生產時率。

圖1 連續柱塞開關狀態示意圖

二、連續柱塞的設計

柱塞舉升系統是利用關井期間儲存在環空以及油管內柱塞之下的氣體能量[5]，把柱塞和柱塞之上的液柱舉升到地面；在操作柱塞舉升系統時，只有油、套之間的環空壓力和柱塞之下的聚集的氣柱壓力，被考慮作為柱塞的舉升能量。

當柱塞向上運動到接近地面時，這些作用在柱塞橫截面上的力，可以用式(1)計算；在接近地面時，氣體的膨脹能量處于最弱的時候[6]。 公式(1)為最小套壓的計算公式。

pcmin= [(Pp+Pip+Pa+(PLw+PIf)×L]×[1+(D/K)]

(1)

一旦計算出最小的套壓pcmin，那么平均套壓pcavg和最大套壓pcmax可以通過式(2)、式(3)進行計算：

pcavg=[1+(At/(2Aa)]×pcmin

(2)

pcmax=[(At+Aa)/Aa]×pcmin

(3)

每周循環所需要氣體的體積:

Mcf=C×D×pcavg

(4)

三、柱塞上升和下降的速度的選擇

在氣井中，傳統膨脹柱塞下降速度在5～10 m/s之間；工程師Foss和Gaul曾提到了用10 m/s這一下降速度并將其帶入相關公式中進行計算；Abercrombie認為這個速度對一般情況是偏高，并在他的計算中使用了5 m/s；實際上，如果使用可膨脹緩沖墊型柱塞、擺動墊圈型柱塞或刮削型柱塞時，柱塞在氣體中的下降速度可以低至0.9 m/s；而連續柱塞由于在下行過程中中間的泄流通道打開，柱塞下行浮力減小，柱塞下行速度增加，下行速度可以達到10 m/s甚至更高；設計時連續柱塞在氣體中的下降速度選10 m/s。

傳統彈片柱塞在液體中的下降速度在0.1～1.3 m/s之間；Foss和Gaul采用了0.9 m/s；連續柱塞由于在下行過程中柱塞中間的泄流通道打開，柱塞下行阻力減小，下行速度增加；且下行過程未關井停產，油管內仍有流體產出，對柱塞產生上浮力，兩者作用疊加，連續柱塞下行速度為0.5～1.3 m/s，工程師D.Paul設計時選擇0.85 m/s。

柱塞的平均上升速度在3.8～10 m/s之間，一般用5 m/s；通常上升速度越慢，舉升效率越高；缺點是可能會產生卡塞的事故，應根據不同井況采取措施控制柱塞上升速度；如果柱塞與油管之間的密封條件很好，可以使柱塞的上升速度控制在5 m/s以下；較低的上升速度可以使平均套壓保持在一個較低的水平，使油藏壓降達到最大，達到較好的舉升效果。A井井口有油嘴控制(?5 mm)，氣藏產出液量較大(≥50 t/d)，連續柱塞上行液體阻力較大，D.Paul認為上行速度可以減緩到1～2.5 m/s，設計選擇1.7 m/s。

四、柱塞的循環時間

設定M(續流時間)和N(純套壓恢復時間)為0，利用公式(5)確定初始每天循環次數；利用關井時油、套壓的差值除以0.433可以判斷液柱高度hf；利用每天產出液體的量，可以計算承接器的下入深度D；為了得到一個完整循環所需要的時間，應保守地估計柱塞上升與下降的速度；連續柱塞工藝設計的關鍵，是柱塞在氣體和液體中上行和下行速度的測定與選擇。

Cy=1440/(A+B+C+M+N)

(5)

五、連續柱塞氣舉技術的現場應用

A井是塔里木油田JF凝析氣田的一口凝析氣井，2019年1月射開T油組凝析氣層(4 042～4 048 m)，自噴生產；2019年4月井筒積液停噴后，轉連續柱塞氣舉生產。

用式(1)～式(5)，輸入表1參數進行計算，可計算出A井連續柱塞氣舉設計參數，計算結果見表2。

表1 A井柱塞氣舉設計參數

表2 A井連續柱塞氣舉設計結果

由于該井原生產管柱為帶3級氣舉閥的開式氣舉管柱，2015年8月轉柱塞后用制氮車環空氣舉排液成功，啟動連續柱塞生產，柱塞運行周期為柱塞上行30 min、柱塞下行 60 min，滯后時間為0，日運行16周，實現連續不關井生產；初期與自噴生產相比，平均日增油 10 t(表3、圖2)。

表3 A井連續柱塞氣舉與自噴期的生產參數對比

圖2 A井2019年生產參數曲線

六、結論

(1)連續柱塞氣舉工藝的應用，減少了A氣井井筒積液， 油壓和產液量大幅上升，柱塞日運行16周，運行、生產參數平穩，最高日產液達到90 m3/d；打破了常規柱塞氣舉需長時間關井恢復井底壓力的限制，大幅度提高了氣井的舉升效率。

(2)連續柱塞該工藝的成功設計，對氣井氣液比的要求也在降低；技術上突破中石油Q/SY 1014-2017《柱塞氣舉技術規范》中要求的“油套連通時，生產氣液比不小于200 m3/m3/1 000 m”的限制；目前該井生產氣液比為107 m3/m3，柱塞運行良好，舉升效率優良。

(3)連續柱塞氣舉工藝適用于生產氣液比大于120 m3/m3的油氣井，可用于油井采油和氣井排液采氣；根據常油氣產量不同，優選不同規格油管和完井管柱結構，完井管柱應配套氣舉閥，充分利用井筒氣體能量。

(4)該工藝的應用的連續柱塞，在結蠟井存在柱塞的中心泄流孔積蠟關閉不嚴的風險，在此類井應慎用。