新型柱塞组件的开发与应用

段进贤，李颖川，钟海全（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学）西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500）

目前国内大牛地气田、塔西南气田等部分气井已进入开发的中后期，随着地层能量逐渐降低，出水量日益增高，致使许多气井水淹停产，生产形势日趋困难［1］。因此，在气井生产过程中迫切需要将井内积液及时排出。在气藏开发早期地层能量充足的条件下连续气举因自身的优点，已成为最主要的排液采气方式，但随着地层压力和产能进一步降低，气井产气量及气体在井筒内向上流动过程中的流速均下降，其结果会导致液相滑脱损失严重，举升效率降低。解决液相滑脱损失的有效方法之一是柱塞气举，柱塞能在气体和液体之间形成固体界面，减少气体窜流和液体回落，从而提高气举效率［2］；但常规柱塞气举比较明显的缺点是柱塞下落时间长，需要长时间关井，影响产量。为了解决柱塞下落时间长、需要长时间关井的问题，经过不断摸索，提出了新型柱塞气举工艺并研发了新型柱塞组件。当气井利用该新型柱塞组件进行柱塞气举工艺生产时，在柱塞下落的过程中其下落速度比常规柱塞更快，从而大大缩短了气井关井时间，在地层能量恢复较快的气井中甚至不需要关井就可进入下一次柱塞排液循环，从而达到连续生产、提高气井排液量的目的。

1 新型柱塞组件工作原理及结构设计

1.1 新型柱塞组件工作原理

新型柱塞组件由一个空心圆柱筒和一个置于圆柱筒下部的圆球两部分组成［3］。举升时，圆球和空心圆柱筒一起向上运动举升液体；下落时，圆球先开始下落，随后圆柱筒下落到井底与圆球结合又开始下一周期的举升运动。空心圆柱筒可根据在相关气井的使用需要而改变其长度、材料、厚度、圆筒壁沟槽的数量和尺寸。柱塞循环一周期仅需5～10s的关井时间［3］，或者更少甚至不关井，因此相比于同等条件下常规柱塞气举，产量有了很大的提高，而且空心圆柱筒和圆球下落过程中井也能正常生产［4］。

1.2 新型柱塞组件结构设计

图1为新型柱塞组件结构示意图［6］，图中右边部分为空心圆柱筒结构，左边部分为圆柱筒下部的圆球结构。在柱塞组件下落过程中，当空心圆柱筒下落至井底限位器时与之前下落的圆球接触，圆球进入空心圆柱筒下部的密封腔室形成密封组件，在组件举升过程中能够推动其上部的液体至地面管线。由于空心圆柱筒最大外径须小于油管内径，使得柱塞组件在油管内上升的过程中必然有其上部液体沿油管内壁回落及下部气体的窜流，从而影响举升效率［7，8］。鉴于此，提出在空心圆柱筒外壁开一定数量的环形凹槽，使得柱塞组件在举升过程中下部的气体容易在空心圆柱筒的外表面形成紊流密封，以减少液体的回落，提高举升效率［9，10］。基于FLUENT软件分别对外壁未开槽柱塞及开槽柱塞在气举井筒流场中柱塞下部气窜速度进行了数值模拟［11］，结果见图2、3。

图1 新型柱塞组件结构示意图

图2 未开槽柱塞组件气窜速度（单位：m／s）

图3 开槽柱塞组件气窜速度（单位：m／s）

图4 新型柱塞组件结构三维图（剖面）

结果表明，在相同压差条件下，外壁未开槽柱塞流场气窜速度大于开槽柱塞流场气窜速度，说明开槽柱塞的环形凹槽的紊流作用有助于减小流场的气窜速度，从而可得出在相同时间内开槽柱塞的气窜量更小，密封效果更好。为防止柱塞组件由于其他原因（如井底能量不足）导致其上升不到井口，造成柱塞组件回收困难的情况发生，提出在空心圆柱筒的上部设计打捞腔室。实践证明，当柱塞组件不能上升至井口时，利用其上部的打捞腔室可解决这一问题，使柱塞组件顺利上升到井口。图4为新型柱塞组件结构三维图（剖面）［12］，图5为新型柱塞组件加工实物图。

图5 新型柱塞组件加工实物图

1.3 新型柱塞组件技术规范

该新型柱塞组件的技术规范如下：组件最大外径59mm，适用于内径为62mm的油管，组件长度分别有250、340、400及460mm等几个系列。空心圆柱筒材料为35GrMo，圆球材料为GGr15。

2 现场应用效果评价

2012年10月大牛地气田引进了该套新型柱塞组件，并于当年11月19日开始在D61－17井实施柱塞排水采气工艺试验。该井之前实施泡沫排水采气工艺，日均产液量及产气量一直不理想。实施新型柱塞举升工艺后，日均产液量及产气量均得到了很大提升。图6为采用新型柱塞组件后的产液曲线图；图7为采用新型柱塞组件后的产气曲线图。

图6 新型柱塞组件产液曲线图

根据图6及图7对D61－17井实施新型柱塞气举工艺前后的产液量、产气量等生产参数曲线图分析可以看出，对该井实施的新型柱塞气举工艺现场试验达到了令人满意的效果，主要体现在以下几个方面。

1）排液效果显著提高。实施新型柱塞气举工艺前一个月平均日产液量0.92m3，实施新型柱塞气举工艺后特别是运行稳产阶段一个月平均日产液量达到1.46m3，产液量增加了58.7%，最高日产液量达到1.95m3。

2）增产效果明显提高。实施新型柱塞气举工艺前一个月平均日产气量8778m3，实施新型柱塞气举工艺后特别是运行稳产阶段一个月平均日产气量达到10208m3，产气量增加了16.3%，最高日产气量达到12046m3。

图7 新型柱塞组件产气曲线图

3 结论

1）相对于常规柱塞而言，该新型柱塞组件从结构上进行了全新设计，不仅柱塞外壁分布有环形凹槽，使其举升时能够增强气体紊流密封，减少液体回落，而且组件采用空心圆柱筒和圆球相结合的方式，使其在上升时能配合形成固体界面推动液柱至井口管线，在下降时组件分离，井筒下部气体能快速通过圆球四周及空心圆柱筒内部通孔到达井口管线，这样既解决了举升排液问题，同时也克服了常规柱塞在下落时速度缓慢的问题。

2）该新型柱塞组件通过在大牛地气田的实际应用，产液及产气效果均取得了显著提高；该研究成果不仅为我国大量的产水气井提供了一项崭新高效的排水采气技术，同时也为发展我国气举工艺及其设备的研发和使用提供了思路借鉴，对于提高油气藏最终采收率具有重要的指导价值和实际意义。

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