连续柱塞气举工艺设计及在塔里木凝析气田的应用

段玉明， 王法鑫， 雷腾蛟， 李 燕, 董丰硕

(1塔里木油田开发事业部 2玉门油田分公司老君庙采油厂)

在塔里木油田JF凝析气田，部分井产液量高(50～100 t/d)、气液比高(100～300 m3/m3)、产出水矿化度高；气藏压力下降后，产出气携液能力下降，不足以将产出水带出地面，造成井筒积水；积水到一定程度后，井口油压落零，停喷关井，处于临界自喷状态；关井约一周后地层压力恢复，开井自喷生产约一周后又进入关井周期；且开井周期逐步缩短，关井周期延长，无有效排液采气技术可用，于是，设计了连续柱塞气举排液采气工艺技术。

连续柱塞气举工艺技术与常规柱塞气举技术类似，采用连续气举柱塞代替传统弹片柱塞，井口无控制部分，只安装防喷管、柱塞到位器检测器、捕捉器和减震器，用于柱塞防撞和捕捉、检查柱塞；柱塞无控制，依靠产层天然能量、柱塞结构和自重，举升系统自平衡运行，达到排液采气的目的。

一、连续柱塞气举原理

连续柱塞由一个活动的中心杆和一个中空的弹片柱塞组成，柱塞下落到承接器后，活动中心杆上的密封装置封住了柱塞的中心泄流孔，柱塞变成了一个传统弹片柱塞，柱塞中心流体通道自动关闭，依靠柱塞下部聚集的气柱能量推动柱塞上行[1]；柱塞到达采油树后的生产翼后，柱塞底部压力释放[2]，柱塞上下压力平衡，柱塞处于自由状态，中心杆依靠重力下行，柱塞中心泄流孔打开，井内流体经过柱塞中心泄流孔和柱塞与油管壁的间隙产出，柱塞靠自重开始下行(如图1所示)，柱塞在重力作用下下落至承接器，中心杆再次密封住柱塞中心泄流孔，气体在柱塞底部聚集形成气柱，开始进入新的举升周期[3]；该工艺设计实现了不关井连续生产，在提高气井举升效率的同时，也避免了井筒积液使油气井停喷关井[4]，提高了生产时率。

图1 连续柱塞开关状态示意图

二、连续柱塞的设计

柱塞举升系统是利用关井期间储存在环空以及油管内柱塞之下的气体能量[5]，把柱塞和柱塞之上的液柱举升到地面；在操作柱塞举升系统时，只有油、套之间的环空压力和柱塞之下的聚集的气柱压力，被考虑作为柱塞的举升能量。

当柱塞向上运动到接近地面时，这些作用在柱塞横截面上的力，可以用式(1)计算；在接近地面时，气体的膨胀能量处于最弱的时候[6]。 公式(1)为最小套压的计算公式。

pcmin= [(Pp+Pip+Pa+(PLw+PIf)×L]×[1+(D/K)]

(1)

一旦计算出最小的套压pcmin，那么平均套压pcavg和最大套压pcmax可以通过式(2)、式(3)进行计算：

pcavg=[1+(At/(2Aa)]×pcmin

(2)

pcmax=[(At+Aa)/Aa]×pcmin

(3)

每周循环所需要气体的体积:

Mcf=C×D×pcavg

(4)

三、柱塞上升和下降的速度的选择

在气井中，传统膨胀柱塞下降速度在5～10 m/s之间；工程师Foss和Gaul曾提到了用10 m/s这一下降速度并将其带入相关公式中进行计算；Abercrombie认为这个速度对一般情况是偏高，并在他的计算中使用了5 m/s；实际上，如果使用可膨胀缓冲垫型柱塞、摆动垫圈型柱塞或刮削型柱塞时，柱塞在气体中的下降速度可以低至0.9 m/s；而连续柱塞由于在下行过程中中间的泄流通道打开，柱塞下行浮力减小，柱塞下行速度增加，下行速度可以达到10 m/s甚至更高；设计时连续柱塞在气体中的下降速度选10 m/s。

传统弹片柱塞在液体中的下降速度在0.1～1.3 m/s之间；Foss和Gaul采用了0.9 m/s；连续柱塞由于在下行过程中柱塞中间的泄流通道打开，柱塞下行阻力减小，下行速度增加；且下行过程未关井停产，油管内仍有流体产出，对柱塞产生上浮力，两者作用叠加，连续柱塞下行速度为0.5～1.3 m/s，工程师D.Paul设计时选择0.85 m/s。

柱塞的平均上升速度在3.8～10 m/s之间，一般用5 m/s；通常上升速度越慢，举升效率越高；缺点是可能会产生卡塞的事故，应根据不同井况采取措施控制柱塞上升速度；如果柱塞与油管之间的密封条件很好，可以使柱塞的上升速度控制在5 m/s以下；较低的上升速度可以使平均套压保持在一个较低的水平，使油藏压降达到最大，达到较好的举升效果。A井井口有油嘴控制(Ø5 mm)，气藏产出液量较大(≥50 t/d)，连续柱塞上行液体阻力较大，D.Paul认为上行速度可以减缓到1～2.5 m/s，设计选择1.7 m/s。

四、柱塞的循环时间

设定M(续流时间)和N(纯套压恢复时间)为0，利用公式(5)确定初始每天循环次数；利用关井时油、套压的差值除以0.433可以判断液柱高度hf；利用每天产出液体的量，可以计算承接器的下入深度D；为了得到一个完整循环所需要的时间，应保守地估计柱塞上升与下降的速度；连续柱塞工艺设计的关键，是柱塞在气体和液体中上行和下行速度的测定与选择。

Cy=1440/(A+B+C+M+N)

(5)

五、连续柱塞气举技术的现场应用

A井是塔里木油田JF凝析气田的一口凝析气井，2019年1月射开T油组凝析气层(4 042～4 048 m)，自喷生产；2019年4月井筒积液停喷后，转连续柱塞气举生产。

用式(1)～式(5)，输入表1参数进行计算，可计算出A井连续柱塞气举设计参数，计算结果见表2。

表1 A井柱塞气举设计参数

表2 A井连续柱塞气举设计结果

由于该井原生产管柱为带3级气举阀的开式气举管柱，2015年8月转柱塞后用制氮车环空气举排液成功，启动连续柱塞生产，柱塞运行周期为柱塞上行30 min、柱塞下行 60 min，滞后时间为0，日运行16周，实现连续不关井生产；初期与自喷生产相比，平均日增油 10 t(表3、图2)。

表3 A井连续柱塞气举与自喷期的生产参数对比

图2 A井2019年生产参数曲线

六、结论

(1)连续柱塞气举工艺的应用，减少了A气井井筒积液， 油压和产液量大幅上升，柱塞日运行16周，运行、生产参数平稳，最高日产液达到90 m3/d；打破了常规柱塞气举需长时间关井恢复井底压力的限制，大幅度提高了气井的举升效率。

(2)连续柱塞该工艺的成功设计，对气井气液比的要求也在降低；技术上突破中石油Q/SY 1014-2017《柱塞气举技术规范》中要求的“油套连通时，生产气液比不小于200 m3/m3/1 000 m”的限制；目前该井生产气液比为107 m3/m3，柱塞运行良好，举升效率优良。

(3)连续柱塞气举工艺适用于生产气液比大于120 m3/m3的油气井，可用于油井采油和气井排液采气；根据常油气产量不同，优选不同规格油管和完井管柱结构，完井管柱应配套气举阀，充分利用井筒气体能量。

(4)该工艺的应用的连续柱塞，在结蜡井存在柱塞的中心泄流孔积蜡关闭不严的风险，在此类井应慎用。