輪古油氣田旋轉清蠟柱塞連續氣舉新工藝

雷騰蛟，譚建華，楊文明，寇 國，蘇 洲，段玉明, 劉鐵軍

1中國石油塔里木油田分公司輪南油氣開發部 2中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 3中國石油青海油田采油三廠生產指揮中心

0 引言

輪古油氣田部分儲層存在埋藏深、氣液比高、地層能量弱、原油蠟質含量高等特點[1]，投產初期油氣井能夠自噴，持續生產一段時間后，地層能量快速衰竭，井筒流體滑脫嚴重造成積液停噴，特別是部分原油超高含蠟油井舉升過程中隨溫度降低蠟質大量析出堵塞井筒，經過前期研究，形成一系列清蠟柱塞氣舉工藝[2-3]。然而，對于部分低液量超高含蠟油井，隨油井舉升液量逐步降低，井筒溫度進一步下降，原油蠟質析出更加嚴重，常規清蠟柱塞氣舉已無法滿足現場生產。因此，在前期清蠟柱塞氣舉工藝的基礎上，設計出一套適用于輪古油氣田具有一定自噴能力、原油超高含蠟油井的連續旋轉清蠟柱塞氣舉新工藝。該工藝具有舉升效率高、清防蠟效果好的特點，可提高油井生產效率。

1 現有柱塞氣舉工藝的局限性

輪古油氣田大部分奧陶系油氣井產層深達5 500 m，地層壓力60 MPa，地層原油蠟質含量9%～36%、膠質含量1%～3%、瀝青質含量5%～12%。油井生產初期地層能量充足，能自噴生產，但隨著地層能量進一步衰竭及含水升高，油氣井中流體滑脫嚴重，井筒出現大量積液，而且輪古油氣田地層水礦化度高(19×104mg/L)、目的層深，液柱重量大，油氣井容易發生停噴。頻繁采用制氮車連續油管氣舉恢復油氣井生產，既增加作業費用也增大安全隱患。

前期試圖采用常規柱塞氣舉工藝維持油井自噴生產，該工藝需間開生產，開關井制度設定不合理再次造成井筒積液停噴。經過改良設計中空連續柱塞，該柱塞可在不關井的情況下，實現油氣井連續舉升井液，但油氣井原油含蠟量高于15%時，井液舉升過程中隨溫度降低，蠟質大量析出將堵塞連續柱塞中空通道，造成柱塞拉桿無法上下活動，連續柱塞運行至井口時無法快速泄壓回落，導致柱塞無法連續舉升井液，從而大幅降低生產效率[3-4]。為此，再次設計固定式刮蠟片柱塞[5]，該柱塞可提高其在井筒上下運行時的刮蠟效率，實現含蠟量不超過28%的高凝油油井正常生產，但輪古油氣田部分層系原油含蠟量高達36%，蠟質析出量大、速度快，固定式刮蠟片清蠟不徹底，長時間運行蠟質逐漸堆積，多次發生柱塞被蠟質糊住情況，無法實現油井正常生產。

2 旋轉清蠟柱塞連續氣舉工藝原理及分析

2.1 旋轉清蠟柱塞連續氣舉系統

目前常規柱塞為實心設計，運行至井口需要關井泄壓才能回落，生產效率低，且該柱塞在井筒結蠟油井中清蠟效果差，柱塞運行頻繁遇阻[6]。連續旋轉清蠟柱塞是在現有的常規柱塞基礎上進行改良，設計柱塞為內部中空帶拉桿結構、外部旋轉帶螺紋刮刀結構[7-8]。這種連續柱塞氣舉上行過程中，中空通道關閉的柱塞作為舉升氣體和被舉升液體的密封界面，實現氣體舉升井液至井口，最大程度降低被舉升液體的滑脫損失；柱塞運行至井口，拉桿碰撞緩沖裝置，拉桿與柱塞外管分離，中空通道打開從而釋放柱塞下部壓力，柱塞靠自身重力快速下落至油管下部的卡定器緩沖裝置上，撞擊后拉桿與柱塞外管再次密封，地層氣體推動柱塞再次舉升井筒液體至井口，完成一個舉升過程。柱塞外部設計為旋轉螺紋刮刀，可實現柱塞在來回運行過程中，隨井筒流體的沖擊推動螺紋刮刀旋轉，高效切削油管內壁蠟質，疏通井筒，實現油井正常生產(圖1)。

圖1 旋轉清蠟柱塞連續氣舉示意圖

2.2 新型柱塞結構分析及工作原理

2.2.1 柱塞內部中空帶拉桿結構

連續旋轉清蠟柱塞采用中空圓柱管和活動拉桿組合結構。

柱塞下行至與液面接觸后，流體沿著柱塞拉桿與柱塞內壁之間的間隙向井口方向流動至柱塞上部。流體在狹窄環形空間中流動時，所受流動阻力與流體和管壁接觸面積成正相關關系。因此，通過引入水力相當半徑R(公式1)，在常規柱塞氣舉運動模型[9]基礎上建立了旋轉連續清蠟柱塞氣舉運動模型。

(1)

式中：Do—柱塞內徑，mm；Di—拉桿外徑，mm。

由于流體流動阻力與水力相當半徑成正相關關系,相同過流面積條件下，旋轉連續清蠟柱塞氣舉過程中濕周比常規柱塞更小，水力相當半徑更大，因此流體流動所受摩阻更低。此外，相同過流面積條件下，旋轉連續清蠟柱塞底部截面積與常規柱塞相比更小，其運行過程中所受浮力也更小，更有利于縮短間歇氣舉時間(圖2、圖3)。

圖2 常規柱塞氣舉過流面積示意圖

圖3 連續旋轉清蠟柱塞過流面積示意圖

上行過程中，中空圓柱管與活動拉桿在井底實現密封狀態，井底氣體通過柱塞舉升井液至井口，處于密封狀態下的柱塞大幅降低井筒中井液的滑脫損失[10-11](圖4)；下行過程中，柱塞上升至井口后，拉桿碰撞緩沖裝置，打開柱塞中空通道，柱塞下部壓力快速泄壓后，在重力作用下柱塞自然下落，并撞擊井底卡定器緩沖裝置再次形成密封狀態，進一步循環舉升井液[3](圖5)。

圖4 柱塞上行階段工作示意圖

圖5 柱塞下行階段工作示意圖

該結構的優勢主要為柱塞舉升井液至井口，通過碰撞拉桿形成中空通道實現快速釋放柱塞下部壓力，柱塞自然下落至卡定器形成密封狀態，再次舉升井液，整個過程實現連續生產，且大幅降低舉升流體的滑脫損失，提高了舉升效率，同時最大程度降低了井筒積液壓死油井的風險[12]。

2.2.2 柱塞外部旋轉帶螺紋刮刀結構

考慮到常規柱塞及固定式刮蠟片柱塞在原油超高含蠟油井中運行困難，連續旋轉清蠟柱塞采用外部旋轉帶螺紋刮刀的工藝設計。一方面，柱塞外部設計旋轉軸承，部分柱塞外管可垂直軸向自由旋轉(圖6)；另一方面，在旋轉軸承外部分別設計上下螺紋刮刀，上刮刀螺紋逆時針設計，下刮刀螺紋順時針設計，在柱塞上下運行過程中，井筒中流體沖擊柱塞螺紋，在水力沖擊作用下，螺紋刮刀快速旋轉。上行階段，上螺紋刮刀逆旋轉，下螺紋刮刀正旋轉；下行階段，上螺紋刮刀正旋轉，下螺紋刮刀逆旋轉，高效切削井壁析出蠟質，蠟質隨井液舉升至井口，避免流通通道堵塞[13](圖7)。

圖6 連續旋轉清蠟柱塞上行結構圖

圖7 連續旋轉清蠟柱塞下行結構圖

該結構的優勢在于針對原油超高含蠟油井，柱塞在舉升井液過程中，雙旋轉螺紋刮刀對稱旋轉實現高效切削油管壁蠟質，且該連續旋轉清蠟柱塞具有在井筒中上下不間斷運行功能(每天運行10～20趟)，進一步實現高頻次清蠟，避免蠟質長時間堆積堵塞油氣流動通道。該結構解決了原油超高含蠟油井油管蠟質析出堵塞流通通道的問題，實現了該類油井高效連續生產，解決了常規連續清蠟柱塞在超高含蠟原油井(含蠟量高達36%)中無法正常運行的問題。

3 旋轉清蠟柱塞連續氣舉工藝現場應用

LGA井于2020年4月28日?3 mm油嘴自噴投產奧陶系，日產液48 t，日產油10 t，日產氣3.1×104m3，含水率79%，隨井筒積液于6月26日停噴；7月18日制氮車氣舉舉活后于7月24日再次停噴；8月21日制氮車再次舉活并投連續旋轉清蠟柱塞，日產液55 t，日產油12 t，日產氣3.2×104m3，含水率78%，油井工況穩定，實現連續生產。截止2021年3月該井已連續生產223 d，大幅降低制氮車氣舉作業頻次，節約生產成本，提高生產時率，累計產油402 t、產氣80.6×104m3。

LGB井為開采奧陶系的一口自噴井，日產液61 t，日產油29 t，日產氣0.3×104m3，該井原油含蠟量高達36%，需定期進行機械清蠟，清蠟周期為1 d。該井于2020年9月20日投老款連續清蠟柱塞后，油井發生井筒堵塞，無法正常生產。該井于2021年1月13日投新款連續旋轉清蠟柱塞，日產液73 t，日產油37 t，日產氣0.4×104m3，不再進行機械清蠟。截止2021年6月該井在未進行機械清蠟前提下已連續生產186 d，大幅降低機械清蠟作業頻次，節約生產成本，提高舉升效率，累計產油4 875 t、產氣67.8×104m3。

截止2021年6月旋轉清蠟柱塞連續氣舉工藝在輪古油氣田現場應用4井次，減少制氮車氣舉作業29井次，減少機械清蠟作業315井次，大幅降低生產成本的同時提高了油井生產效率，實現累產油量7 810 t、累產氣290.5×104m3，節約作業費用244萬元，連續旋轉清蠟柱塞氣舉工藝現場應用效果明顯(表1)。新工藝不僅大大降低了油井井筒堵塞、油井停噴次數，降低了機械清蠟、制氮車氣舉作業頻次、生產成本，而且實現了油井連續生產，提高了油井舉升效率、油井產量以及經濟效益。

表1 旋轉清蠟柱塞連續氣舉工藝應用井數統計

4 結論

(1)“柱塞內部中空帶拉桿結構+柱塞外部旋轉帶螺紋刮刀結構”一體化連續旋轉清蠟柱塞既實現了井液連續舉升的目的又達到了高效清蠟要求，特別是塔里木高礦化度深井、高含蠟油井，最大程度降低了井筒積液壓死油氣層的風險，同時減輕了原油超高含蠟油井井筒結蠟程度，實現油氣井連續高效生產。

(2)針對地層能量衰竭嚴重頻繁停噴的油氣井、能夠自噴的原油超高含蠟油井以及處于臨界停噴狀態下的原油超高含蠟油井，采用旋轉清蠟柱塞連續氣舉工藝，現場應用效果顯著。一方面，實現井筒連續舉升、連續清蠟，大幅降低制氮車氣舉、機械清蠟作業頻次，另一方面，油井連續生產，實現油氣井產量的提升，達到提質增效的生產目的。