柱塞排水采氣工藝適應性判別方法實驗及理論研究

譚曉華,羅安*,李曉平,李思穎,李旭日,周陳程,劉永輝

(1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，成都 610500；2.中國石油長慶油田公司油氣工藝研究院，西安 710000)

對處于開發中后期的氣藏而言，地層壓力的降低會使氣井產量低于臨界攜液流量[1]，氣井本身能量不足，無法將地層水及時排出井筒，導致井筒產生積液，嚴重時會使氣井被完全壓死[2-3]。柱塞氣舉工藝作為氣井中后期排水采氣的重要手段，具有操作便捷、成本較低、適應性良好、自動化程度高等特點[4-6]，其原理是利用氣井開井時油、套環空氣體膨脹產生的能量使柱塞運動，推動井底積液上行排出，以達到氣井增產的目的[7-12]。

為了明確柱塞氣舉機理，提高柱塞排液效率，國內外學者做了大量研究，在柱塞結構數值模擬方面，劉永輝等[13]和劉春璐[14]利用Fluent軟件，結合CFD(computational fluid dynamics)方法建立柱塞物理模型，通過模擬不同凹槽類型、深度、寬度和間距的柱塞內部流場變化情況，研究了不同因素對柱塞密封性的影響規律，得到具有最優排液效果的柱塞結構及尺寸；Longfellow等[15]通過CFD方法對柱塞的阻力系數等參數進行分析，預測柱塞在水平井中的上升和回落情況，并將預測結果與現場實驗聲學測定結果進行對比，結果表明預測誤差低于8%，該方法的可靠性較高，可用于設計和評價適用于水平井的柱塞；田柯等[16]利用數值計算方法，通過模擬柱塞槽內速度場的變化，得到了柱塞偏心距對柱塞密封性的影響規律。在考慮柱塞舉升的動力、阻力、氣液體積等因素的基礎上可以建立柱塞舉升動態模型[17-19]，用以分析地層壓力、產量、氣液比等因素對柱塞運動過程的影響；此外，在柱塞運行優化方面，劉麗萍等[20]通過現場實際柱塞井生產效果的比較，考慮產能、柱塞運行穩定性等對氣井進行分類，優化了工藝實施時機和氣井管理。這些研究極大的促進了柱塞氣舉工藝的發展和應用，工藝理論已較為完善，有效提高了氣井產量。而要使柱塞工藝的效益最大化，選擇合適的實施井以及工藝可行性判定尤為重要，常用的工藝選井條件[21-22]一般根據現場實際的應用情況統計和經驗來進行判斷，理論模型的推導過程多未考慮氣井生產時地層壓力的動態變化；優選圖版法[23]和井底流壓法[24-26]均可用于判定柱塞的可行性，圖版法在應用上較為簡便，但由于不同氣井生產情況之間的差異較大，利用圖版法判定出的結果差異較大，井底流壓法中的套壓計算忽略了氣體膨脹時偏差系數的差異，計算結果也有一定的誤差。

基于上述現狀，現通過對實際柱塞工藝井的井筒進行簡化，建立柱塞在不同位置的狀態模型，用以補充工藝選井條件，利用柱塞氣舉實驗和現場實測數據對其進行驗證，以形成更為簡便有效的工藝可行性判別方法。

1 柱塞氣舉臨界狀態模型的建立

1.1 物理模型

當開井套壓不足時，就沒有足夠的動力使柱塞運行至井口，從而使柱塞舉液效率降低甚至柱塞無法排液，因此，套壓的大小是柱塞工藝可行性判別的重要指標。為了便于計算，利用U形管原理，將實際柱塞氣舉井筒情況等效成一個類似于U形管的情況，如圖1所示，實際氣井的油套環空簡化成了模型右側的“環空”。模型基本假設為：①柱塞直徑與油管內徑相等，即不考慮柱塞與油管壁面之間的間隙；②柱塞運行過程中無上部液體的漏失與下部氣體的上竄；③開井后“環空”中的液體可以全部進入油管內；④液體不可壓縮，忽略柱塞與管壁摩擦；⑤由于實際情況下柱塞對于整個井筒來說長度很小，因此忽略柱塞長度。

圖1 柱塞井井筒模型的簡化Fig.1 Simplification of the wellbore model of plunger wells

1.2 柱塞位于井底的初始狀態

關井后，由于地層氣體的流入，“環空”壓力增加，“環空”內液面降低，其內的液體進入油管，形成一定的積液高度，此即為柱塞氣舉關井后的壓力恢復階段。

關井后，“環空”壓力增大，其內的液體進入油管，當“環空”中沒有液體存在時(圖2)，初始“環空”體積為

V1=πRt2ht

(1)

式(1)中：Rt為套管半徑，m。

初始“環空”平均壓力為

(2)

H為井深，m；hw為初始井筒積液高度，m；Pt為初始狀態(柱塞未運動時)下的油壓，MPa；Pc為初始狀態下的套壓，MPa；P1為初始狀態“環空”的平均壓力，MPa；V1為初始狀態“環空”體積，m3；ht為右側“環空”高度，m圖2 柱塞位于井底的初始狀態Fig.2 The initial state of the plunger at the bottom of the well

此時的狀態方程為P1V1=nRZ1T1，若柱塞位于井口時的狀態方程為P2V2=nRZ2T2。其中：T1、T2分別為初始狀態和柱塞位于井口時“環空”的平均溫度，K；n為氣體的物質的量，mol；R為氣體通用常數，J/(mol·K)。在實驗室條件下由于溫度和氣體偏差因子基本不變，因此可以得到

(3)

式(3)中：P2為柱塞位于井口時“環空”的平均壓力，MPa；V2為柱塞位于井口時“環空”體積，m3。

由此，只需確定柱塞在井口臨界狀態時，“環空”的平均壓力P2即可計算最小開井套壓。

1.3 柱塞位于井口的臨界狀態

開井后柱塞上行，柱塞上部液體剛好被舉升達到井口，將此時的狀態稱為井口臨界狀態，如圖3所示。

圖3 柱塞位于井口的臨界狀態Fig.3 Critical state where the plunger is at the wellhead

此時，“環空”體積為

V2=πRt2ht+πRy2ht(H-hw)

(4)

柱塞下部所受壓力為

(5)

式(5)中：Fg為柱塞下方氣體膨脹產生的推力，N；Ap為柱塞截面積，m2。

柱塞下方氣體膨脹產生的推力為

Fg=G+(Pt+ρwghw)Ap

(6)

式(6)中：G為柱塞重力，N；Pt為井口臨界狀態下的油壓，MPa；g為重力加速度，m/s2；ρw為水的密度，kg/m3。

當柱塞可以將液體舉升處井口時，柱塞下方氣體膨脹產生的推力，即柱塞下部所受壓力，應當至少等于柱塞自身重力與柱塞上部靜液柱壓力之和。因此，將式(6)代入式(5)可得

(7)

將柱塞下部壓力換算到井口和井底[27]分別為

Pwh=Pmes2

(8)

Pws=Pmes1

(9)

由此可得柱塞在井口臨界狀態下的平均壓力為

(10)

由式(2)、式(3)和式(10)可得柱塞到達井口所需最小套壓，表達式為

(11)

考慮溫度和壓力對偏差系數的影響時，則有

(12)

2 柱塞氣舉模擬實驗

根據所建立的物理模型，搭建了實驗平臺，在不同的氣量和單次舉升液量條件下開展柱塞氣舉模擬實驗，通過測量油管和套管的壓力數據，對比分析不同條件下柱塞運行情況，明確在不同氣量和單次舉升液量條件下柱塞是否可以到達井口正常運行排液。

2.1 實驗方案

柱塞氣舉排水采氣工藝的應用井為產量在臨界攜液氣量以下的積液氣井，考慮到管柱承壓能力、實驗設備條件限制，進氣量不宜超過10 m3/h，關井時間不宜超過2 min，因此制定出的具體實驗方案見表1。

表1 實驗方案表Table 1 Experimental protocol table

2.2 實驗裝置

基于簡化后的物理模型，設計了如圖4所示的柱塞氣舉實驗裝置，該裝置主要由供氣系統、供液系統、測控系統以及柱塞舉升系統組成。

(1)供氣系統：由空氣壓縮機向儲氣罐提供低壓氣源，再向柱塞舉升系統供氣；空氣壓縮機容積流量10 m3/min，最大供氣壓力4 MPa；為確保平穩供氣，配有儲氣罐，儲氣罐容積2 m3，實驗過程中由兩個儲氣罐串聯儲氣。

(2)供液系統：由儲水罐與抽水泵組成，儲水罐為不銹鋼材質，尺寸為70 cm×130 cm；抽水泵額定揚程為15 m，最大揚程為40 m。

(3)測控系統：實驗測控系統包括壓力計與氣液流量計。氣體流量計為渦輪智能流量計，帶一體溫壓補償，量程范圍5～40 m3/h，精度等級0.5，耐壓1.6 MPa。液體流量計為智能電磁流量計，額定壓力2.5 MPa，精度等級0.5。

1為井口；2為油管；3為套管；4為扶正器；5為氣體流量計；6為液體流量計；7為水箱；8為水泵；9為儲氣罐；10為空氣壓縮機；11為柱塞；12為電腦；13為壓力計；14為進液口；15為進氣口圖4 柱塞舉升模擬實驗裝置圖Fig.4 Plunger lifting simulation experiment device diagram

2.3 實驗步驟

2.3.1 實驗流程

實驗所用氣體為空氣液體為水，空氣由空氣壓縮機加壓后存儲于儲氣罐中，再由儲氣罐經氣體流量計計量后進入套管。液體由立式離心泵加壓輸送至液體流量計計量后進入油管，柱塞運行排出的液體進入水箱以便測量，氣、液流量和油、套壓力可實時傳輸至電腦中保存，便于后期處理。

2.3.2 實驗步驟

實驗的環境溫度為25 ℃，環境壓力為標準大氣壓。在進液量不變的條件下，分別調整進氣量和單次舉升液量，從而模擬不同條件下的柱塞舉升排水采氣情況，在開井后，需要觀察柱塞是否可以運行至井口。詳細實驗步驟如下。

(1)啟動空氣壓縮機，使其工作一段時間后將儲氣罐中充滿氣體，確保在開井時為柱塞的上行提供充足的能量。

(2)檢查所有管線是否連通，氣液能否順利從井底到達井口，測控系統是否正常，氣、液流量計和壓力計能否正常讀數。

(3)關閉井口，打開進氣閥，先在小氣量下進行供氣一定時間，在此段時間內，首先由上至下對實驗裝置的密封效果進行檢查，若存在漏氣情況，應及時對漏氣部位進行密封，若無漏氣情況，則進行下一步。

(4)在進氣閥打開的同時打開進液閥，待柱塞上部液柱高度達到一定高度，即進液量達到設定的單次舉升液量為止，關井憋壓20 s再開井，開井后記錄柱塞能否運行至井口，通過電腦導出柱塞上行時間段內的實時壓力數據，計算油套壓的平均值。

(5)在液柱高度不變的情況下，按實驗方案(表1)所制定的氣量，改變進氣量的大小，重復步驟(4)。

(6)改變液柱高度，重復步驟(4)、(5)。

2.4 實驗結果

實驗所得測壓數據以及柱塞運行情況見表2。

表2 實驗測試結果Table 2 Experimental test results

3 模型的驗證

分別考慮不同油套壓差、單次舉升液量與產氣量，計算實施柱塞排水采氣工藝所需最低套壓，計算時，按照實際實驗條件，油管內徑取43.4 mm，套管內徑取115 mm，井深為6 m，“環空”高度為2 m，柱塞直徑為39 mm，柱塞重量為20 N。將結果繪制成圖版，利用實驗所得壓力數據代入圖版中與實際柱塞運行情況進行對比，以驗證模型的準確性。

在圖版中，若數據點在其所對應的產量曲線上方，則代表由充足的能量使得柱塞可以到達井口，將液體排出，反之則不能，對比結果如圖5所示。

圖5 不同氣量與單次舉升液量下油套壓差與所需套壓關系Fig.5 The relationship between the oil jacket pressure difference and the required jacket pressure under different air volumes and single lifting liquid volumes

由于實驗存在一定誤差，第9組實驗的油套壓差為負值，與實際情況不符，因此不作考慮。由第5組實驗所測得的壓力數據可知，其油套壓差為8.82 kPa，當氣量為5 m3/h時，由圖5(b)可以看出，其數據點在曲線上方，表明柱塞在此條件下可以到達井口，但實際上卻并未到達，因此，本組數據的圖版判別存在誤差，除第5組數據之外，其余組數的圖版判別均與實際實驗結果相符，模型的準確率為87.5%，準確度較高。

為了與現場實際結合，重新利用所建立的模型制作圖版，對長慶油田的十口柱塞工藝井進行圖版判別，其準確率為80%，再次驗證了模型的可靠性。

4 結論

(1)通過對實際井筒結構進行合理簡化，建立了柱塞氣舉過程中柱塞位于井底和井口的臨界狀態模型，可通過模型計算結果，以較為容易且準確獲得的壓力數據為指標，判別柱塞工藝的可行性。

(2)基于所建立的模型，進行了柱塞氣舉模擬實驗，利用監測所得的壓力數據代入通過模型計算得出的圖版中判斷柱塞工藝的可行性，將圖版判斷結果與實際觀測到的柱塞運行結果進行對比以驗證模型的準確性，經過檢驗，模型的準確率為87.5%，現場數據驗證準確率為80%，準確度較高，對實際生產具有一定的借鑒意義。

(3)本文所建立的模型可判斷柱塞在井筒中是否可以運行至井口將液體帶出，因此，既可以作為柱塞工藝可行性判別條件之一，也可以作為已經實施了柱塞工藝氣井的廢棄指標。