基于柱塞舉升技術(shù)的氣田井排水采氣操作模式優(yōu)化

張翔 袁凱濤 李先軍 閆訓(xùn)臣 陳喜東

摘 要：W氣田自開發(fā)以來，液體積聚現(xiàn)象加劇，亟需優(yōu)化工作制度以增強柱塞舉液性能。針對W氣田的柱塞舉液工作制度進行深入探討，就W氣田的生產(chǎn)動態(tài)進行分析，考察多種實驗性柱塞設(shè)備，依托W氣田現(xiàn)行柱塞抽采井的生產(chǎn)動態(tài)參數(shù)作為基準，進行了實驗參數(shù)的設(shè)定與優(yōu)化，并以此為基礎(chǔ)開展柱塞裝備的性能評價實驗。制定出適合該氣田條件的柱塞裝備選型準則：對于井口流量低于8 m3/h的井場，推薦采用桿式柱塞技術(shù)；對于井口流量高于10 m3/h的井場，推薦采用球狀柱塞技術(shù)。在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，對T11井的采氣工作制度實施了細致的優(yōu)化調(diào)整，與現(xiàn)行工作制度相比，日產(chǎn)氣量增加了9.62%，日產(chǎn)液量增加了8.23%，確定了2 h開啟與2 h關(guān)閉的工作制度，為W氣田的柱塞舉液工作制度的優(yōu)化及提升W氣田的柱塞舉液效果提供了關(guān)鍵的理論和技術(shù)指導(dǎo)，對于提高W氣田的柱塞舉液井的開發(fā)效益具有實際價值。

關(guān)鍵詞：柱塞舉升；工作制度優(yōu)化；柱塞工具優(yōu)選實驗；現(xiàn)場應(yīng)用

中圖分類號：TE319

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0137-04

Optimization of operation mode of drainage and production in gas field wells based on plunger lifting technology

ZHANG Xiang1，YUAN Kaitao2，LI Xianjun3，YAN Xunchen4，CHEN Xidong4

（1.Oil and Gas Exploration Company of Yanchang Petroleum （Group） Co.，Ltd.，Yanan 716000，Shaanxi China;

2.Dingbian Oil Production Plant of Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Yulin 718600，Shaanxi China;

3.Jiebetong Petroleum Technology Group Co.，Ltd.，Chengdu 610015，China;

4.Xian Alberta Assets and Environmental Analysis and Testing Technology Co.，Ltd.，Xian 710018，China

）

Abstract：Since the development of W gas field，the phenomenon of liquid accumulation has intensified，so it is urgent to optimize the working system to enhance the fluid lifting performance of the plunger.The plunger lifting system of W gas field was deeply discussed，the production dynamic of W gas field was analyzed，and a variety of experimental plunger equipment was investigated.The experimental parameters were set and optimized based on the production dynamic parameters of the current plunger pumping well in W gas field.Based on this，the performance evaluation experiment of the plunger equipment was carried out to develop the selection criteria of the plunger equipment suitable for the conditions of the gas field：for the well site with a wellhead flow rate of less than 8 m3/h，the rod plunger technology was recommended.Ball plunger technology was recommended for well sites with wellhead flow rates greater than 10 m3/h.In the field application process，the gas production working system of well T1 had been carefully optimized and adjusted.Compared with the current working system，the daily gas production had increased by 9.62% and the daily liquid production by 8.23%.The working system of 2 h on and 2 h off had been determined.It provided key theoretical and technical guidance for the optimization of the plunger lifting system of W gas field and the improvement of the plunger lifting effect of W gas field，and had practical value for improving the development benefit of the plunger lifting well of W gas field.

Key words：plunger lift;work system optimization;plunger tool optimization experiment;field application

在W氣田，液體積聚問題愈發(fā)嚴峻。目前，5口井已實施柱塞舉液技術(shù)以進行排水采氣。其中，某些井在采用柱塞技術(shù)后，產(chǎn)量恢復(fù)良好并有效釋放了產(chǎn)能;但另一些井僅有部分產(chǎn)量恢復(fù)，其產(chǎn)能釋放不足，仍有進一步增產(chǎn)的潛力。因此，對柱塞舉液的工作制度進行優(yōu)化顯得尤為重要，旨在進一步提升產(chǎn)量［1-3］。按照常規(guī)分類，柱塞舉液可劃分為開井和關(guān)井2階段。開井階段又可細分為套管內(nèi)液體遷移到油管、柱塞與液柱上升至井口、井口控制閥進行排液和井口開放放噴4個子階段［4-8］。典型的柱塞運行周期包括：在開井之后，柱塞上部的氣體迅速釋放，套管內(nèi)氣體遷移到油管，當環(huán)空液面降至油管鞋處，柱塞下部的氣體推動柱塞及其上部的液體上升至井口，隨后液體通過井口排放，柱塞被井口捕捉器捕獲，繼而進行放噴，至放噴結(jié)束，開始關(guān)井。在關(guān)井階段，柱塞下降，并由地層氣液積聚為下一周期做準備。近年來，隨著數(shù)字模擬與計算機技術(shù)的普及，國際學界在柱塞舉液參數(shù)設(shè)計、柱塞運行模擬等領(lǐng)域均取得了顯著進展。然而，盡管研究方向已從單一的結(jié)構(gòu)、模型設(shè)計擴展至整體系統(tǒng)研究，但仍然存在模型的局限性，并且缺乏對柱塞舉液工作制度優(yōu)化的系統(tǒng)方法及高效工藝研究。基于上述背景，本文對W氣田的生產(chǎn)動態(tài)進行分析，研究柱塞設(shè)備的選型，并完成了W氣田示范井的工作制度優(yōu)化，對實際操作具有技術(shù)和經(jīng)濟價值。

1 W氣田概況

1.1 W氣田生產(chǎn)動態(tài)分析

W氣田自2008年啟動，初始階段包含120口生產(chǎn)井。然而，從開發(fā)的第5年開始，這些生產(chǎn)井逐步出現(xiàn)液體積聚問題；第7年，液體積聚問題進一步加劇，導(dǎo)致部分生產(chǎn)井暫停生產(chǎn)。圖1展示了W氣田2019年8月與2020年3月的生產(chǎn)井數(shù)量及其對應(yīng)的平均日產(chǎn)氣量分布區(qū)間；圖2揭示了同一時期的日產(chǎn)液量分布區(qū)間。數(shù)據(jù)顯示，2019年8月的生產(chǎn)井數(shù)量為74口，2020年3月減少至67口井；日產(chǎn)液量超過6 m3/d、日產(chǎn)氣量超過1.5×104 m3/d的井數(shù)量有所減少，整體的日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)液量均呈下降態(tài)勢。

隨著區(qū)氣田的開發(fā)進程，液體積聚問題日益嚴重。為此，部分氣井采用了排水氣舉方法，特別是有5口氣井采納了柱塞泵采氣技術(shù)。圖3呈現(xiàn)了W氣田中應(yīng)用柱塞泵技術(shù)的5口氣井在實施該技術(shù)前后日產(chǎn)量的對比分析。

由圖3可以看出，T5井在實施柱塞舉液后，其日產(chǎn)氣和液量相較于實施前均有所下降，這表明柱塞舉液技術(shù)可能不太適合該井。對于T8井，實施柱塞舉液后的日產(chǎn)氣量增加了0.99×104 m3/d，日產(chǎn)液量增加了3.5 m3/d。與實施技術(shù)前一年的數(shù)據(jù)相比，此項技術(shù)在T8井的效果顯著，成功釋放了井的潛在產(chǎn)能。對于T1、T3和T11井，實施柱塞舉液后，它們的日產(chǎn)氣量分別增加了0.04×104、0.15×104和1.05×104 m3/d，日產(chǎn)液量則分別增加了0.3、0.3和2.8 m3/d。這3口井在實施柱塞舉液技術(shù)后均呈現(xiàn)出日產(chǎn)量的增長。但與其實施技術(shù)前一年的數(shù)據(jù)及T8井的表現(xiàn)相比，這3口井在實施技術(shù)后僅部分釋放了其潛在產(chǎn)能，但產(chǎn)能恢復(fù)并不理想，這表明其工作制度有待進一步優(yōu)化［9-12］。

1.2 柱塞工具選用

在當前階段，該氣田主要采用的是彈塊柱塞。觀察到在特定的氣井中，柱塞的上升周期偏長，并且實際的舉液量與預(yù)設(shè)設(shè)計值之間存在顯著的差異。基于這些問題，本節(jié)的目的是通過物理模擬實驗優(yōu)化柱塞選型過程，以便為該氣田的柱塞裝備選配提供科學的決策支持。考慮到現(xiàn)場應(yīng)用的柱塞類型多樣性，實驗啟動前須進行嚴格篩選［13-14］。為此，本研究綜合評估了國內(nèi)外相關(guān)文獻結(jié)果，匯總了120口井采用柱塞舉升技術(shù)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進一步分析了這些井的生產(chǎn)狀況，具體結(jié)果如圖4所示。

1.3 實驗參數(shù)確定

由圖4可知，W氣田除了T5井以外，現(xiàn)行柱塞井的日產(chǎn)氣量介于0.4×104～1.67×104 m3/d，日產(chǎn)液體量在1.7～5.7 m3/d。在受控的實驗條件中，設(shè)置關(guān)閉井口的時間分別為30、60、90 s，基于這些參數(shù)，推算出的單次舉液體積為590～5 937.5 mL。由于井筒內(nèi)的氣體處于帶壓狀態(tài)，需要將其轉(zhuǎn)化為井筒內(nèi)的氣體流量，以匹配實際操作條件。同時，當柱塞到達井口時，其氣體膨脹能量最小，這是確保柱塞正常工作的基準值。理論上，超過這一基準值的氣體膨脹都能確保柱塞的正常工作。因此，在研究中，采用了柱塞排液完成時刻的井口瞬時氣量作為制訂實驗用氣量參數(shù)的依據(jù)。圖5呈現(xiàn)了在現(xiàn)場條件下，柱塞井中柱塞捕獲瞬間的井口油壓分布統(tǒng)計［15-17］。利用這些數(shù)據(jù)，計算了井口的氣體流速，并將其轉(zhuǎn)換成每小時的流量單位，據(jù)此確定實驗所需氣量為6.1～16.9 m3/d。最終的實驗參數(shù)如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗現(xiàn)象

在實驗中觀察到3種現(xiàn)象：（1）當關(guān)井時間較短且氣量較小時，井筒內(nèi)累積的氣體膨脹能量不足以驅(qū)動柱塞完成從井底到井口的液體排放過程。因此，井口沒有液體產(chǎn)出，表明柱塞舉升功能失效。（2）在柱塞進行井口排液的過程中，柱塞下方出現(xiàn)氣竄，導(dǎo)致液體排放不完全，結(jié)果是井口只有部分液體產(chǎn)出。（3）當氣體具備充分的膨脹能量時，井口的液體能夠順暢地被排出，且伴隨的液體量幾乎可實現(xiàn)全量排放。

2.2 實驗結(jié)果分析

考慮到實驗設(shè)置了多個不同的單次舉升液體體積參數(shù)，直接基于排放液體量的比較并不恰當。因此，引入“柱塞舉液效率”這一指標進行分析和評估：

舉液效率=出液量進液量（1）

圖6展示了在不同的關(guān)閉井口時間和氣體注入量條件下，單次提升的液量與柱塞提升效率之間的關(guān)系，以5、12 m3/h的氣量為例。

由圖6可知，存在部分數(shù)據(jù)點顯示柱塞提升效率為零。這表明，在一定的液體體積和井深條件下，液柱上升至井口需要最小限度的氣體膨脹動能。實驗中記錄到柱塞提升效率為零的數(shù)據(jù)點反映了在相應(yīng)的注氣量和井關(guān)閉時長條件下，井內(nèi)氣體膨脹的動能不足以完成單次液體提升作業(yè)，致使柱塞無法達到井口，導(dǎo)致提升過程失敗，井口無液體排出。從圖6還可發(fā)現(xiàn)，無論注氣量的大小和柱塞的提升效率高低，隨著單次提升液量的增大均呈現(xiàn)出線性下降的趨勢。進一步針對5、12 m3/h的注氣量條件下的數(shù)據(jù)進行探討，可以觀察到，在其他變量不變的情況下，在注氣量為5 m3/h時，桿式柱塞的提升效率高于彈簧式柱塞；在注氣量為12 m3/h時，情況則反轉(zhuǎn)，即彈簧式柱塞的提升效率超過桿式柱塞。這表明，在不同類型的柱塞之間的提升效率比較可能存在一個與注氣量相關(guān)的轉(zhuǎn)折點或臨界值，而此臨界值與單次提升液量似乎沒有直接的相關(guān)性。

圖7展示了在不同關(guān)井時間和單次舉升液量條件下，進氣量與柱塞舉液效率的關(guān)系。

由圖7可知，在較低注氣量條件下，棒狀柱塞展現(xiàn)出比彈塊柱塞更高的提升效率，并且彈塊柱塞更易于遭遇提升失敗的情況。隨著注氣量的增加，彈塊柱塞的提升效率則開始超越棒狀柱塞。這一現(xiàn)象主要是由于彈塊柱塞與油管內(nèi)壁之間的接觸接近無間隙，導(dǎo)致其在運行過程中產(chǎn)生的摩擦阻力較大。因此，在氣體膨脹能量較低時，氣體膨脹能量在摩擦中的消耗占比增加，導(dǎo)致棒狀柱塞在低注氣量環(huán)境下具有較高的提升效率。但當注氣量提高時，摩擦力導(dǎo)致的能量損耗占比下降，使得彈塊柱塞的優(yōu)良密封特性能得到更有效的利用，從而其提升效率超過了棒狀柱塞。

通過對圖7數(shù)據(jù)點的分析，可推測在所設(shè)定的實驗參數(shù)下，棒狀柱塞與彈塊柱塞針對提升效率相對表現(xiàn)在8～10 m3/h的注氣量內(nèi)達到轉(zhuǎn)折點。據(jù)此，在W氣田的應(yīng)用中，對于井口氣體流速低于8 m3/h的井宜采納棒狀柱塞技術(shù)；對于井口氣體流速超過10 m3/h的井則推薦使用彈塊柱塞。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

由于T11井已采用柱塞并固定了卡定器位置，為避免再次調(diào)整卡定器，針對井筒壓力管理和周期性井開啟/關(guān)閉操作的優(yōu)化，進行了井口開啟壓力與開關(guān)井周期的調(diào)整。目前，T11井采用的作業(yè)模式為1 h開井1次，持續(xù)2 h的關(guān)閉井周期。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)指出，將關(guān)閉井周期延長至3 h，可以將開井時的井口壓力從6.03 MPa提升至6.88 MPa，同時井口套壓也由5.05 MPa增長至5.7 MPa。這表明，延長關(guān)閉井周期有助于顯著提高井口開啟時的壓力，并且這種壓力提升在連續(xù)多個周期中可以維持穩(wěn)定。

與1 h開井1次，2 h關(guān)閉井周期相比，延長至3 h的關(guān)閉井周期能使單個周期的累積產(chǎn)氣量增至2 520 m3，相較于2 h周期的1 958 m3增加了562 m3。盡管如此，由于關(guān)閉井周期延長導(dǎo)致的循環(huán)次數(shù)減少，將單周期產(chǎn)氣量轉(zhuǎn)換為日產(chǎn)氣量時，發(fā)現(xiàn)日產(chǎn)氣量從關(guān)閉井2 h的1.58×104 m3/h降至關(guān)閉井3 h的1.50×104 m3/h，表明日產(chǎn)氣量有所減少。

此外，無論是關(guān)閉井1 h還是2 h的作業(yè)模式，井口油壓的變化模式保持一致，2種模式下井口油壓變化范圍的誤差均在0.2 MPa以內(nèi)，平均油壓差也在0.3 MPa以內(nèi)，這驗證了延長開井周期的可行性，因為油壓完全能滿足生產(chǎn)過程中延長關(guān)閉井周期的要求。

4 結(jié)語

（1）基于W氣田柱塞提升井的生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)分析，本研究制定了針對W氣田的柱塞工具選型標準：對于日井口氣體產(chǎn)量不超過8 m3的井，推薦應(yīng)用棒狀柱塞技術(shù)。對于日井口氣體產(chǎn)量超過10 m3的井宜采用彈塊式柱塞技術(shù)；

（2）針對T11井進行操作模式的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)對于現(xiàn)行1 h執(zhí)行一次的開井作業(yè)模式進行調(diào)整，將其延長至每2 h執(zhí)行一次開井，期間井口油壓變化的誤差嚴格控制在0.2 MPa以內(nèi)，井口套壓變化的誤差同樣嚴格控制在0.1 MPa以內(nèi)。經(jīng)過此類調(diào)整后，預(yù)計能夠?qū)崿F(xiàn)日產(chǎn)氣量的增長達到9.62%，同時日產(chǎn)液體量的增長亦可達到8.23%。因此，確定了優(yōu)化后的操作模式為每2 h開井、每2 h關(guān)井。

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收稿日期：2022-06-15；修回日期：2023-09-20

作者簡介：張 翔（1983-），男，碩士，高級工程師，主要從事石油天然氣勘探開發(fā)研究；E-mail：shunn595233@163.com。

基金項目：國家科技重大專項（項目編號：2019ZX0506）。

引文格式：張 翔，袁凱濤，李先軍，等.天然氣井柱塞舉升排水采氣工藝優(yōu)化研究［J］.粘接，2023，50（11）：137-140.