适用于水平气井的新型自缓冲柱塞气举排液装置的设计及应用——以鄂尔多斯盆地长庆气区为例

韩强辉

中国石油长庆油田公司油气工艺研究院

适用于水平气井的新型自缓冲柱塞气举排液装置的设计及应用
——以鄂尔多斯盆地长庆气区为例

韩强辉

中国石油长庆油田公司油气工艺研究院

韩强辉.适用于水平气井的新型自缓冲柱塞气举排液装置的设计及应用——以鄂尔多斯盆地长庆气区为例. 天然气工业, 2016, 36(12): 67-71.

柱塞气举工艺技术已成为鄂尔多斯盆地长庆气区排水采气的主要技术，但现有柱塞装置存在大斜度井段卡定器难以卡定等问题，致使该技术只能应用于直井，而无法应用于大斜度井筒轨迹的水平井。目前，长庆气区共有水平气井1 200余口，积液问题逐渐显现。为了实现水平气井应用柱塞气举工艺进行排液采气的目标，通过柱塞和井下工具结构一体化、动力学理论模型分析，并结合水平气井井身结构特点，自主设计了一种适用于水平气井的新型自缓冲柱塞装置。该装置不仅可进入水平井底部大斜度井段或水平井段，而且还简化了现有柱塞装置的井下工具。水平井柱塞装置由柱塞本体、抗冲击总成组成，柱塞本体确保举液效率，抗冲击总成实现自缓冲柱塞落地冲击力的功能。结合工况条件测试，认为该装置能够满足柱塞安全运行的要求，保证柱塞落地冲击力不破坏管柱和柱塞本体。该新型水平气井柱塞气举排液装置已在长庆气区成功投放运行，抗冲击性能满足现场应用要求，且大幅降低了井筒液柱高度，增加了产气量，应用效果显著，可解决水平气井排液采气的难题。

柱塞 水平气井 气举排液 自缓冲 大斜度 变径短节 冲击力 弹簧 鄂尔多斯盆地 长庆气区

鄂尔多斯盆地长庆气区目前有水平气井1 200余口，预计10年后达到2 600口，产气量在20 000 m3/ d以下气井将占76.7%，积液问题也逐渐显现。

柱塞气举排液技术是以柱塞作为气液分隔界面，能有效防止气体上窜和液体滑脱，增加举液效率，此外该技术不加注化学药剂，还具有环保特点。国外认为柱塞气举工艺技术是低产及致密气藏最经济有效的排水采气工艺，气井增产22%～500%，投资回收期4个月，措施可应用至气井枯竭[1-2]。国内1991年开展柱塞气举工艺技术探索性试验。长庆气区攻关研发了自主知识产权柱塞气举技术，实现了气井远程实时调参和管理，共应用465口井，有效发挥了排液采气的作用，节省人力物力，特别适用于致密气田区域面积广、井多、人少的开发现状，成为气田排水采气的主要技术[3-4]。

现有柱塞装置在井底投放井下工具，主要实现缓解柱塞下落冲击力的功能。由于水平井从底部造斜点开始井斜逐渐增大，而现有井下工具既难以进入大斜度井段，也不能在大斜度井段卡定，只能应用于直井段。因此现有的柱塞气举技术应用于水平井排液效果有限。研制适用水平气井的柱塞气举配套装置具有重要的现实意义[5-8]。

1 水平井柱塞设计

1.1长庆气区水平井生产管柱特征

通过对长庆气区水平井管柱结构统计分析，50%水平井油管由Ø88.90 mm管柱与Ø73.02 mm管柱组合，在斜井段45°～80°处由变径短节连接两种规格油管；20%水平井油管采用Ø73.02 mm管柱，在斜井段45°～80°处有安全接头，安全内径54 mm；20%水平井油管采用全井筒Ø88.90 mm管柱，水平段入窗点附近有滑套，通径50 mm。按照管柱受力设计，以上3个缩径点极重负荷均为520 kN。

1.2水平井柱塞功能设计

为研究适用于水平井大斜率井筒轨迹的柱塞气举排液工艺，研制的柱塞装置需要达到以下功能：①可进入水平井底部大斜度井段,应下入斜井段井斜角40°以上,以达到较好的排液效果；②具有缓解柱塞落地冲击力的功能；③能够实现柱塞下落的定位功能。

1.3水平井柱塞总体设计

现有柱塞装置在井底投放井下工具，主要具有柱塞下落定位和缓解柱塞下落冲击力的功能。但井下工具无法进入大斜度井段，只能应用于直井。

长庆气区水平井油管在井底进入水平段前均有缩径点，将该位置井筒作为定位台阶，实现柱塞下落的定位功能；水平井柱塞装置自身带有缓冲功能，以实现缓解柱塞下落冲击力的功能，从而简化了原装置的井下工具，柱塞能够进入斜井段或者水平段，实现最大下入深度，满足柱塞下深越大排液效果越好的要求[9-10]。

水平井柱塞装置由柱塞本体、抗冲击总成组成。柱塞本体作为气液分隔界面，实现举液的功能。抗冲击总成安装在柱塞的底部，柱塞落地时产生冲击载荷，通过弹簧压缩抵消冲击载荷，避免柱塞和变径短节撞击损坏。

1.4抗冲击总成结构

抗冲击总成由中心杆、弹簧、挡圈等组成，结构如图1所示。撞击头安装在最底端，中心杆从挡圈中间穿过，两者组成触地组件。储能弹簧安装在柱塞中心孔内，由挡圈限制位移。柱塞触地后，中心杆推动弹簧压缩，缓解柱塞本体的冲击力。

图1 抗冲击总成结构图

2 柱塞装置冲击力计算与测量

2.1冲击力计算模型

实验过程中自缓冲柱塞高速撞击变径短节，柱塞动能转化为弹簧的势能，延长了冲击时间，大幅降低了撞击瞬间冲击力，从而有效保护了柱塞和变径短节的完好性。应用动力学理论建立了该装置冲击力计算模型[11-16]为：

式中t表示时间，s；vc表示柱塞本体冲击过程速度，m/s；vz表示撞击头冲击过程速度，m/s；Kc表示弹簧刚度，N/m；mz表示波阻抗，kg/s；M表示柱塞本体质量，kg。

整合方程组（1）得到冲击力的二阶微分方程：

初始条件：

式中vc0表示撞击瞬间前速度，m/s；L1表示弹簧预压缩量，m；H表示弹簧极限压缩量，m；KT表示弹簧初始状态刚度，N/m。

求得柱塞装置冲击力的解析解为：

其中

计算模型表明，自缓冲柱塞冲击力受下落速度影响，增减蓄能弹簧压缩量、更换不同刚度弹簧，均可改变该装置落地瞬间冲击力，最终提高自缓冲柱塞安全落地速度，满足生产要求。

同时，减轻触地组件重量，可降低落地冲击力；增加柱塞外径，由于活塞压缩效应，柱塞下落的阻力增加，可降低落地速度，但外径增加需要兼顾柱塞在油管内的通过性。

2.2冲击力测量与分析

模拟工况条件下，以不同初速度将自缓冲柱塞从井口投放，让柱塞落至油管底部变径短节处，对自缓冲柱塞运行过程中抗冲击性能和通过性进行测试评价。

测量实验装置冲击力有利于了解抗冲击总成的工作特性，有助于自缓冲柱塞优化设计。以设置弹簧压缩量60 mm、落地速度500 m/min为例，力学模型计算冲击力值与实测值有较高吻合度，约51 kN（图2）。

图2 自缓冲柱塞冲击力随时间变化曲线图

设置弹簧压缩量60 mm，按照不同的落地速度计算相应冲击力（图3）。为使柱塞落地冲击力不破坏管柱和柱塞，需保证最大落地速度不超过安全范围。弹簧设计极重载荷512 kN，油管变径短节极重载荷520 kN，结合测量实验结果，计算出自缓冲柱塞可达到的最大落地速度为5 000 m/min。

图3 最大冲击力随落地速度变化曲线图

3 柱塞装置有效性分析

自缓冲柱塞本体与常规柱塞凹槽数、长度、外径、重量完全相同，保证基本相同举液效率。在生产现场，监测到柱塞在气井井筒内运行，柱塞下落阶段的运行速度约60 m/min[17-18]。可见，自缓冲柱塞抗冲击力完全满足生产实际的要求。

4 气举排液实验与数据分析

4.1柱塞气举排液研究

关井后，自带缓冲的柱塞整体下行，到达缩径位置后，柱塞导向头遇阻停止运动，柱塞本体由于惯性作用继续下行，通过压缩弹簧，缓解自身动能，直至停止。开井后，柱塞上行，将井底液体向上举升至井口。按照以上开关井周期运行，最终安全实现了水平气井自带缓冲的柱塞气举排液采气。

4.2实验分析

长庆气区某水平井前期采用常规柱塞气举排液，井深结构示意图如图4所示。在井底预先投放井下缓冲器，柱塞在井下缓冲器和井口防喷帽之间运行，实现举液采气。由于井下缓冲器不能进入斜井段，只能投放在直井段，投放深度2 800 m，距水平井入窗点约720 m。说明在柱塞正常运行的情况下，该井井底仍至少有720 m深液柱。

采用水平井新型柱塞装置，需起出原柱塞和井下缓冲器，投放自缓冲柱塞。自带缓冲的新型柱塞在变径短节和井口之间油管段内运动, 从而实现气举排液生产。根据运行原理可知，柱塞可下行至3 150 m（Ø88.90 mm管柱与Ø73.02 mm管柱变径短节位置），比普通柱塞下深增加390 m，垂直投放深度增加281 m。正常生产后，油压降低3.6 MPa，套压降低4.0 MPa，增产气量0.53×104m3。运行32 d后取出自缓冲柱塞，弹簧无变形，柱塞端面完整，无损伤。实验表明自缓冲柱塞已经成功投放运行，抗冲击性能满足现场应用要求，应用效果显著。

图4 长庆气区某水平井井深结构示意图

5 结论

1）自主设计了一种新型自缓冲柱塞，该柱塞在落地时能够缓冲自身重量，具有常规柱塞井下缓冲器相同的缓冲能力，替代了原来的井下缓冲器，井筒内不需要再投放井下工具。

2）常规井下卡定器无法在斜井段投放，为了解决水平井大斜度井段排液的问题，利用长庆气区水平井油管特点，即在进入水平井段前油管有缩径台阶，以实现定位功能，简化了井下卡定器，实现了柱塞进入大斜度井段的要求，避免了大井斜角无法投放井下工具的问题，柱塞下落深度大幅增加，可进一步降低井筒液柱高度，大幅提高了产气量。

3）新型自缓冲柱塞实现了水平气井应用柱塞气举工艺进行排液采气，为长庆气区1 200多口水平气井排液采气的难题提供了一种有效的解决办法。

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（修改回稿日期 2016-09-12 编 辑韩晓渝）

Design and application of a new self-buffered plunger gas-lift drainage device for horizontal wells: A case study of the Changqing gas province, Ordos Basin

Han Qianghui
(Oil and Gas Technology Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an,Shaanxi 710018, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 12, pp.67-71, 12/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Plunger gas lift is the main technology in gas recovery by water drainage in the Changqing gas province, Ordos Basin. However, the existing plunger device can be hardly locked by using the locking device in the highly deviated hole section, so this technology can only be used in vertical wells, but not in such horizontal wells especially with highly deviated hole trajectory. At present, there are over 1200 horizontal gas wells in the Changqing gas province and the problem of liquid loading emerges gradually. In this paper, with the plunger being structurally integrated with the bottom hole assembly (BHA), a dynamics theory model was built and discussed. Then, based on the structural characteristics of horizontal gas wells, a new self-buffered plunger device suitable for horizontal gas wells was designed independently so that the plunger gas lift technology can be used for the gas recovery by water drainage in horizontal gas wells. This device can be run into the highly deviated or horizontal hole section at the bottom of horizontal wells, and simplifies the BHA of those existing plunger devices. This plunger device is composed of a plunger body and an impact-resistant assembly. The plunger body is used to ensure fluid lifting efficiency, and the impact-resistant assembly is used to realize the self-buffered landing impact. As demonstrated in testing under working conditions, this new device meets the requirements of safe operation of the plunger and prevents the landing impact of the plunger from destroying the string and the plunger body. Having being successfully put into operation in the Changqing gas province, this device was proved successfully to smooth out the difficulties of drainage gas recovery in horizontal gas wells, with good impact-resistant performance meeting the demands of field application, and with remarkable application results both in great reduction of wellbore liquid column height and increase of gas production.

Plunger; Horizontal gas well; Gas-lift drainage; Self-buffered; Highly deviated; Tapered nipple; Impact force; Spring; Ordos Basin; Changqing gas province

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.12.009

韩强辉，1981年生，工程师，硕士；主要从事柱塞气举排液采气工作。地址：（710018）陕西省西安市明光路中国石油长庆油田公司油气工艺研究院新技术开发中心。电话：（029）86593279。ORCID: 0000-0003-2201-8589。E-mail: hqh100_ cq@petrochina.com.cn