柱塞氣舉井操作優化研究進展

曹 宇 高小永 左 信

（中國石油大學（北京）信息科學與工程學院）

天然氣作為清潔高效的低碳化石能源，肩負著能源消費結構從化石能源向可再生能源過渡的重要使命，在“雙碳戰略”目標背景下，大力發展天然氣是中國建設清潔低碳能源體系的必然選擇。2010～2020 年的天然氣消費量數據也顯示，我國天然氣的消費量居高不下，呈逐年陡增的趨勢［1，2］。 隨著國內天然氣需求的不斷攀升，供需矛盾日益突出，天然氣的高效開采對于緩解其供需矛盾至關重要［3］。

在天然氣的開采過程中， 隨著開采不斷推進，氣井產量不斷降低，氣體流速持續減小，并且由于井底能量不足以攜帶全部積液出井筒，導致積液在井底不斷累積形成液柱，液柱進而對氣井增加額外的回壓使得其自噴能力下降，導致產量降低，轉變成低產低效井，低產低效井產能無法穩定釋放，嚴重影響氣井開發效益，造成巨大的經濟損失。 為了減少氣井積液累積帶來的危害，現有的解決技術有間歇氣舉、泡沫排水、電潛泵及柱塞氣舉等。 間歇氣舉需要使用壓縮機；泡沫排水不適用于大規模井組且在氣井壓力較低的情況下無法滿足清理積液的需求；電潛泵存在成本高和易老化的問題； 柱塞氣舉工藝成本低、維護方便，同時能夠達到較好的增產和清理井筒積液的效果。 但是柱塞氣舉作業存在規模大、井間相互影響大及操作優化難度大等難題和挑戰。

在我國， 柱塞氣舉井占比大且呈增加趨勢，以蘇東南區為例，柱塞氣舉井達175 口，占蘇東南區氣井總數的24.10%［4］，如何提高柱塞氣舉工藝的操作效率，完善優化開關井生產制度，最大程度地發揮柱塞氣舉工藝的優勢，形成高經濟效益，成為當前重要的研究熱點。 筆者綜合了近年來柱塞氣舉工藝操作優化的相關研究成果，重點闡述單井優化模型、 井群優化模型和優化算法3個主要研究方向的研究進展，對該領域現有成果進行了總結分析，并在此基礎上，對柱塞氣舉未來的發展趨勢進行展望。

1 柱塞氣舉井操作問題描述與難點分析

1.1 柱塞氣舉工藝問題描述

柱塞氣舉工藝是通過間歇開關井的方式積攢能量，從而推動油管內柱塞上下往復運動排出井筒積液，并進行天然氣開發的排水采氣方法［5］，其工作原理如圖1 所示［6］。

圖1 柱塞舉升的工作原理

柱塞在自身重力作用下沉沒到安裝在生產管柱底部的卡定器上，同時關井。 隨著天然氣在柱塞下方和油套環空之中聚集，井底天然氣能量開始恢復，當井底壓力增大到一定值時，打開井口閥門，在油套壓差的作用下，油套環空中的天然氣進入油管，依靠氣體能量將柱塞及其上方液體一同向上舉升，液體被排出井筒，同時天然氣產出，此時氣井仍可繼續生產，直到井底重新開始積液、積攢的天然氣能量釋放后，柱塞氣舉完成一個工作周期。 然后關閉井口，柱塞重新回落到卡定器頂部，繼續重復上述工作周期。 柱塞作為地層產出氣與井筒積液之間的固體分界面，可以有效降低液體漏失回落， 從而減少滑脫損失，提升氣舉效率。

1.2 柱塞氣舉工藝操作難點分析

柱塞氣舉工藝在應用過程中仍然面臨著以下的問題和挑戰：

a. 管理以人工為主，風險大、成本高。 柱塞氣舉采氣工藝操作過程變化較大，需要專業人員管理， 具體的管理制度也需要做出必要的調整，每天的開關井時間需要多次設定，如果開關井的整體速度不合理，將會導致風險問題的發生，而又無法評估導致的風險。 同時現有柱塞氣舉控制系統功能單一， 只能進行簡單的定時開關井模式，生產制度合理性直接決定氣井柱塞氣舉排液效果［7］，如果制度不合理，無法找到最佳的開井和關井時機，不能保證每次的產氣量最大化，不僅造成柱塞氣舉的低效甚至會失效。 另外，在開采氣井的過程中無法完全開采至枯竭，部分情況下需要更換使用其他的舉升方式，使得操作人員勞動強度增加，操作和管理成本升高，耗時耗力。

b. 舉液效率低，井筒積液后排液困難，容易減產。 隨著氣田的持續開采，部分水平井產量、壓力遞減快，表現出不同程度井筒積液特征。 組合管柱水平井由于特殊的井身結構，常規柱塞工藝存在坐落器投放難度大、舉液效率低、井口裝置壓裂砂沖蝕嚴重等問題，影響柱塞舉升效率和推廣應用，受限于水平井特殊井身結構，氣井所需臨界攜液流量高，同時泡沫排水、速度管柱及提產帶液等工藝措施效果不佳［8］， 井筒積液后排液非常困難，井筒中只要少量液體集聚，就會增大對氣層的回壓，而這種現象存在，就有可能造成氣井嚴重減產。

c. 需要定期關井憋壓積攢能量舉升柱塞，且關井時間難以準確估計， 對優化控制影響很大。柱塞想從井口下落，必須關井停產，有些氣井還需要繼續關井實現壓力恢復，才能積攢足夠舉升能量攜出柱塞，嚴重影響生產時效，而柱塞下落至井底的時間較長， 由于柱塞與油管間隙小，柱塞受到下落的摩擦力、氣體的阻力和托舉力的作用，在油管中下落的速度變得很慢，在實際使用中，3 km 的氣井， 柱塞下落至緩沖卡定器的時間在35～50 min，大幅降低了井組的工作效率。

d. 多井生產的壓力串擾現象嚴重，復雜串擾機理嚴重影響整體產能提高。 對于一個生產平臺上若干口柱塞氣井來說，會存在氣井間壓力互相影響的問題，一個井場的柱塞氣舉井運行過程中形成抑制，或者因開井壓力波動變化較大，會導致柱塞氣井回壓受到影響［9］。同時，所有氣井用的是同一根外輸管線，每一口井的開井生產都會提高外輸管線的壓力，而管線壓力增高會造成氣井減產，彼此存在壓力串擾現象。 洞悉復雜壓力串擾機理，對作業制度制定和優化至關重要，也是提高整體產能的重要關鍵技術瓶頸。

2 柱塞氣舉單井操作優化過程模型研究進展

柱塞氣舉操作的可控因素主要包括開關井時間、油套壓和井筒積液高度。 當已知氣井開關井時間和油套壓時， 隨之可得井筒積液高度，而當已知開井時間和開井套壓時，開井油壓也可得到。 所以開、關井時間和開、關井套壓為柱塞氣舉操作優化的4 個重要參數，換言之，做好柱塞氣舉單井操作優化工作就是做好壓力和開關井時間的優化工作。

2.1 井筒壓力計算

針對氣液兩相流井筒壓力計算的研究，國內外諸多學者針對不同的理論提出了大量的井筒壓力計算模型，模型研究從初期的經驗模型逐漸趨向于機理，模型精度也逐步提高。

Orkiszewski J 從兩相管流流型出發， 建立了使用范圍較廣的兩相流流型的壓降計算模型［10］。Beggs D H 和Brill J P 在均相流模型的基礎上，結合兩相流的壓力梯度方程進行傾斜管流實驗，提出了兩相流管流阻力系數與截面持液率和含氣率的關系模型［11］。 周生田和張琪不計水平井筒的兩相流動的加速度壓降，利用已有變質量流動基礎，對研究微元進行了流入流出分析，建立了水平井筒氣液兩相的壓降計算方法［12］。 劉想平等則根據質量守恒定律和動量定律建立了流體的井筒流動和地層流動的耦合模型［13］。 Gomez L 等從機理特征入手，對垂直井和水平井的兩相管流進行研究，將流型劃分為段塞流、環形流及分層流等，建立了垂直井、水平井兩相管流壓降計算模型［14］。 李媚等提出了不同的氣液比對應不同的壓降計算方法［15］。Hasan A R 等轉換思路，從漂移模型出發，提出了一種全新的持液率壓力梯度計算公式， 因為該公式包含分布系數和漂移速度，所以適用于 各種流型［16］。 Bhagwat S M 和Ghajar A J 在已有漂移模型的基礎上做了修改， 建立了不依賴流型判斷的井筒壓降計算模型［17］。 李波等則在漂移模型的基礎上，考慮井筒溫度和壓力瞬態的耦合，結合熱力學知識，建立了耦合模型［18］。

學者們從機理出發，建立了壓降模型、壓力、溫度耦合模型，但現有模型和算法需要大量準確的數據信息作為支撐，可現場實際情況卻缺乏完備高效的數據采集硬件基礎條件，且受復雜工況的影響，采集的部分數據本身就不準確，使得以此為基礎搭建的模型準確度不高。 因此，數據不準確且有限，同時干擾因素較多，是亟需解決的問題。

在得到了準確的壓力數值之后，如何進一步指導單井生產，寧碧等總結了現有柱塞舉升排液采氣的流入動態方程，依據壓力數值可得單井的產能，進而便于直觀地進行操作［19］，但方程中的產能系數和產能指數落實到現場每口井比較困難，如若可以結合現場實際情況，利用生產數據作為支撐并結合數據挖掘和驅動理論，得到較為準確的參數，會更方便現場操作的實施。

2.2 柱塞氣舉開關井時間

柱塞氣舉的開關井時間對操作優化意義重大，是操作優化的重要指導信息。 Subash K K 等對特定井進行分析，評價井的生產狀況，在此基礎上， 利用瞬時模擬軟件得到開關井時間［20］。Hashmi G M 等則給出了較為完備的假設條件，從機理出發得到開井的最低套管壓力公式和儲層模型［21］。 梅華平等基于井歷史數據得到地層壓力測算模型和井筒積液測算模型，并以此為基礎得到開關井最低套壓值［22］。 王曉輝等則利用歷史數據得到關井壓力恢復曲線，以載荷系數為主要依據進行開關井控制［23］。 Wang H 等沒有借助數據，推導得到了關井時套壓與關井時間成對數線性關系，并給出了通用公式［24］。 Naresh N N 等從柱塞氣舉整體入手，使用9 個連續狀態變量來描述動態過程（包括液體的質量、柱塞的位置及速度等）， 使用6 個二元狀態變量來表示柱塞舉升周期的6 個階段，然后將6 個狀態的值取平均得到連續的閾值，從而轉化成ARX 模型，再求解得到開關井的時間［25］。 林鵬等則依據歷史數據提出一種智能化控制開關井的模型［26］。

國內外學者大致從兩個思路出發：一是由機理入手推導得到壓力模型或積液模型等作為開關井的依據；二是基于歷史數據，利用軟件進行模擬，進而得到開關井的時間。 但這兩種思路都存在亟需解決的問題。 建立機理模型做了大量的假設條件，加上模型中的重要參數取自特定場景下的試驗井， 所以是較為理想狀態下的模型，不具有普遍性，并不能滿足實際生產的需求。

利用軟件結合數據挖掘進而指導柱塞氣舉工藝，現有成果的廣度和深度不夠，且只適用于一定的生產條件，具有局限性。 如果將柱塞氣舉機理模型和數據挖掘有機結合，會有突破性的進展。

3 柱塞氣舉井群操作問題研究進展

柱塞氣舉井群操作優化相較于單井操作優化，在單井操作優化的基礎上，需要考慮多井生產的壓力串擾和整體生產調度問題。 一個生產平臺上的若干口柱塞氣井之間，會存在彼此壓力互相影響的問題，影響一方面存在于井底，由于連通性、滲透等導致的壓力串擾影響；另一方面也存在于從井口到集氣站井之間的相互影響，即回壓影響， 開井時管網整體壓力上漲影響生產，關井時管線產量降低造成管道積液易凍堵問題。 生產調度則要綜合考慮井的生產、運輸及產量分配等約束給出整體的生產方案。

3.1 井間壓力干擾問題

井間干擾是常規和非常規資源開發中普遍存在的現象，而井底壓力干擾大概率出現在存在天然裂縫的地層中［27］，文獻［27］結合數值、半分析和分析模型工具，以識別、分析和可視化井間干擾過程開發了物理模型，以定量模擬井干擾的壓力反應。 陳京元等指出，壓力干擾分為基質連通和裂縫連通兩種，基質連通形成的干擾信號需要較長時間甚至數年才能被采集到，而裂縫連通產生的干擾信號較為強烈， 短時間即可采集到，陳京元等分別從線性流公式和物質平衡方程出發，給出了壓力和時間的對應關系公式［28］。 何樂等則利用灰色關聯分析方法評價了10 項因素（從大到小依次為井間距、巷道位置、母井生產時間、單簇用液規模、裂縫程度、單段孔數、單段簇數、單段用液規模、垂深和施工排量）與壓力擾動的關聯程度［29］。 Kumar A 等提出一種基于示蹤劑分析和壓力干擾數據分析相結合的多井區塊壓裂水平井間干擾程度計算方法，采用一種有效的儲層模型來模擬生產過程中井間的壓力干擾［30］。

在井口壓力干擾方面，劉孟鵬等針對井口針閥節流，利用公式推導得到了回壓對單井的影響［31］。 王林等從支線輸送壓力對氣井影響、管線積液兩方面入手，提出降低輸送壓力的方法［32］。

現有的井底干擾考慮的對象僅局限于兩口井，即母井受到子井干擾的情況。 而在實際生產中， 一個地層井群中的每口井都存在壓力串擾，是一個大規模的壓力干擾問題，同時壓力串擾會隨著井的生產時間增加而發生變化，需要實時做出改變。 研究表明，井間位置、壓裂時間等可有效降低壓力串擾程度，所以壓力干擾優化也是未來有效提高氣井產量和恢復速度的重要研究課題。

目前，關于井口干擾的研究較少，而且沒有從井群的角度進行分析，大多是從管線對單井的回壓角度展開的研究。 這也是未來柱塞氣舉井群生產提高生產效率的重點研究方向。

3.2 井群生產調度

井群生產調度是從整體考慮，以閥門、單井開關及管道狀態等作為決策變量，產量、壓力及溫度等作為約束條件，搭建模型求解給出整體的井群生產調度方案。 閥門和管道狀態相對于柱塞氣舉操作優化來說，很大程度上更能滿足下游的需求。 文獻［33］中，Liu E B 等以管道穩態運行能耗最小或經濟效益最大為目標，建立了管網穩態優化模型。 而在文獻［34］中，Liu E B 等又以最小能耗為目標函數，建立了天然氣管道瞬態優化模型，其中考慮了壓縮機的開關狀態和管道末端狀態，引入了調壓和限流措施。 Shah M S 等采用節點分析法，將從油藏到分離器出口壓力的每個部件識別為系統中的阻力， 采用F.A.S.T.Virtu Well軟件包對節點進行分析，通過降低井口壓力提高了產量［35］。 Hoffmann A 則從閥門入手，利用閥門解決出氣搭建模型，從單井到井群再到處理站約束，利用分段線性模型（SOS2）轉混合整數非線性規劃（MINLP）為混合整數線性規劃（MILP），然后利用商用求解器進行求解［36］。 國內方面，學術界和工業界在井群生產調度層面研究較少，鄭道明等根據氣田的實際情況，以套壓和載荷因數作為調整作業制度的依據［37］。 劉華敏等根據單井的平均產量對氣井進行分類，然后實施對應的工作制度［38］。

現有報道中，工業界的生產工作制度的調整和優化過多依賴現場人員的經驗，效率低且不夠精確，學者們在整體層面上以壓縮機開關狀態管道末端狀態、閥門等為約束條件，搭建生產優化模型， 但其中沒有考慮單井產量與外輸壓力、外輸壓力與總流量、柱塞上升/下降時間與套管與外輸壓力差值，以及氣井壓力恢復時間與井下液位等多項生產約束，具有一定的局限性，對上述生產約束加以考慮， 形成多井群協同生產優化模型，會對柱塞氣舉操作優化有重要指導意義。

4 柱塞氣舉井操作優化算法研究進展

柱塞氣舉操作生產調度研究的核心內容就是調度算法的研究和優化。

生產調度問題的分類方法較多，依據復雜程度， 可將生產調度分為單機調度、Shop 調度及并行調度等；根據優化準則，可將生產調度分為基于代價和性能的調度； 也可根據生產環境的不同， 將生產調度分為確定性調度和隨機性調度；同時， 也可根據加工任務或者加工工件的特征，將生產調度分為靜態調度和動態調度［39］。

調度問題方法上， 最初主要是數學規劃居多，Chen J S 和Pan J C H 將數學規劃建模方法應用于生產過程調度問題［40］。 李光華等則運用MILP 模型求解了石化行業生產調度問題［41］。 文獻［42，43］采用運籌學的分支定界法，在上下界確定方法上進行了理論研究，并應用于生產過程調度問題。

之后，啟發式算法逐漸發揮作用，基于啟發式規則的方法， 具有難度低和運算簡便的優點，文獻［44，45］都在簡單啟發式算法的基礎上，利用調度問題求解過程中的信息，分別構造了SVS算法和PH 算法； 國內學者劉忠耀等采用啟發式算法結合計算機軟件編程對生產調度問題進行了求解，并取得了相對滿意的方案和成果［46］。

基于仿真的方法也是常用的建模方法，可以借助數據支持解決復雜問題，但工作量大、費用昂貴，Chan F T S 等將過程仿真模型應用于典型的生產過程調度問題［47］。

另外，Chen Y 等還研究了基于多智能體代理的建模方法［48］。 基于人工智能的方法，趙博在前人工作的基礎上提出了MAS 技術的各種調度算法的集成［49］；石柯和李培根提出多智能體技術，結合協同式策略，采用AI 技術來求解調度問題［50］。

此外，人工神經網絡具有較強的自主學習能力和魯棒性強， 也被很多學者應用到調度優化。近年來，國內學者談宏志等［51］和國外學者Teymourifar A 和Ozturk G［52］都采用了神經網絡集合啟發式算法來解決經典的生產調度問題，提高了算法的性能以及對環境的適應性。

目前，在生產調度領域的算法研究工作存在以下幾個問題：

a. 現有的理論沒有與現場實際情況相結合；

b. 每個算法都有各自的優點，但鮮有能將多種算法有機結合的成果；

c. 調度優化算法在生產調度領域，尤其是柱塞氣舉工藝應用中較少。

今后， 在以上3 個問題上進行算法的攻克，并應用到柱塞氣舉工藝上，將會取得開創性的研究進展。

5 結論與展望

筆者從單井優化模型、井群優化模型和優化算法3 個方向入手，綜述了柱塞氣舉操作優化當前已有的學術研究成果，在此基礎上，根據現有的研究進展以及現存的實際問題，對未來發展方向進行展望如下：

a. 針對井群間的壓力干擾問題，目前現有的研究集中在井底壓力串擾上，對于井口壓力干擾研究甚少， 而這恰恰是現場亟需解決的關鍵問題。 從牛頓第二定律、物料及能量守恒等入手搭建模型，結合現場數據、圖表曲線進行分析是好的切入點，同時合理使用神經網絡進行求解也是解決此類問題的重要方向。

b. 隨著數字氣田的快速發展，數據自動化采集已普遍應用于各大氣田，柱塞氣舉系統積累了包括柱塞氣舉參數、地質參數、生產參數、可控參數及流體參數等的大量數據，借助于采集和儲存的各口井、各個時段和各個參數的數據，對數據進行合理有效的預處理，通過數據挖掘從有效數據中挖掘有價值的信息， 通過數據提取等方法，對不準確數據總結其中的規律。 對于極其復雜難以搭建機理模型的工藝， 可以采取簡化為線性、對數線性或者其他模型，然后在此基礎上利用擬合、數據驅動等方法得到模型參數，進而得到符合現場要求的工藝模型，對氣井柱塞氣舉老井優化和新井設計具有重要的指導意義。

c. 從全局角度出發，在單井模型和井群模型的基礎上，以單井套管壓力、開關井模型及井群壓力干擾等作為約束條件，以效益最大、成本最低為目標函數， 搭建柱塞氣舉整體生產調度模型，利用現有較為成熟的調度算法結合生產實際情況進行模型的求解。 從靜態到動態，從單目標優化到多目標優化，并且從開環向閉環優化進行發展，同時促進監測、診斷和實施優化技術的提升，成為提高氣田開發企業核心競爭力和效益的重要保障。