气井分体式柱塞优化设计及实验研究

黄伟明 王尊策 张洪涛 马文海 徐 艳 张井龙

（1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.大庆油田有限责任公司采油工程研究院；3.黑龙江省油气藏增产增注重点实验室）

气田开发进入递减阶段后， 气井能量降低，井筒面临积液风险，需要介入排水采气措施确保气田的带水生产［1］。 其中分体式柱塞举升工艺具有维护方便、利于实现气井短关井或不关井连续排液的优点，在国内外逐渐成为了重要的排水采气工艺之一［2，3］。陈瑶棋和张袁辉开展了分体式柱塞室内可视化实验，明确了分体式柱塞与常规柱塞举升效率的差别［4］。 张峰超等通过开展分体式柱塞气举实验模拟，得到了在不同进液量条件下柱塞上升时间与注气量的关系［5］。 段进贤通过理论分析提出了理想的密封槽结构［6］。目前，针对分体柱塞的理论研究工作集中在室内原理性实验方面，在分体式柱塞的结构优化设计与流体模拟分析方面的研究工作较少。 由于缺乏有效的分体式柱塞结构设计与理论分析方法，相当一部分气井在应用过程中出现了柱塞入井困难 （气量较大）、 下行过程柱塞空心体与密封体提前结合及未能真正实现连续排液等问题［7～9］。 因此，有必要开展系统的流体力学模拟分析，进而优化设计分体式柱塞结构，为工艺的推广应用提供指导。

1 结构及原理分析

典型空心分体式柱塞结构如图1 所示，为带环槽空心体结构，工作过程中，一般与钢球配合使用。 在井底，空心体与钢球结合，与环槽形成密封结构，气流推动柱塞将积液携带至井口，实现排液；在井口，空心体与钢球分离，分别以不同的速度（钢球速度大于空心体速度）下落至井底［10，11］。与整体式柱塞相比，分体式柱塞可有效降低下降过程中所受阻力，实现气井不关井连续排液或短关井排液。

图1 典型分体式柱塞结构

在柱塞的设计过程中，需合理设计密封环槽结构，保证密封性；重点对分体式柱塞空心体内通道进行设计， 保证二者在井口顺利分离和入井，并匹配钢球与空心体的下落速度，避免下井过程中提前结合。

2 分体式柱塞数值模拟与优化设计

2.1 数值计算模型

合理简化柱塞气举气井内流动条件，以不可压缩理想气体作为流动介质。 柱塞在油管内运动的动网格计算为典型的被动型动网格，即其边界运动规律是未知的，需要通过计算边界上的力或力矩来求取边界的运动。 具体的模型设置如下：

模拟方法 RANS

湍流模型 标准k-ε

动网格模型 六自由度模型

压力-速度耦合方法 SIMPLE

梯度插值 最小二乘法

压力插值 Standard

对流插值 Second Order Upwind

壁面函数 非平衡壁面函数

精度 1×10-5

依据大庆油田典型气井工况设置模拟边界条件，具体设置如下：

日产气量Q 1×105m3/d

入口平均速度Vin14.5m/s

平均套压Pc3MPa

平均温度T 55℃

2.2 柱塞环槽结构优化

柱塞外部环形槽对柱塞密封性能有着决定性作用。 文献［4］中给出，圆弧形槽结构所产生的阻力作用最为明显，可作为柱塞密封性能优化的主要结构。 因此，目前分体式柱塞优化设计的关键是对柱塞内孔结构的优化。

在关井状态下，无论压力如何，通孔越大，则下井速度越快；而通孔越大，密封体所需直径就越大，它在井筒中的运动速度必然更低，这就增加了二者在运行中结合的可能性。 未关井条件下若柱塞产生的阻力作用过大， 在某些工况下，柱塞会出现无法下井的情况。 针对此问题，应通过优化其内孔结构提升柱塞的下井能力。

笔者参考文丘里喷嘴结构，设计柱塞内孔结构，以期通过该结构产生的负压提升柱塞性能［12，13］。其基本结构如图2 所示，由左至右依次为收缩段、喉管段与扩散段，其关键参数为收缩角α、喉管直径d 和扩散角β。

图2 文丘里管结构示意图

根据油管与柱塞尺寸，参考常用文丘里管结构参数设计了结构参数组合（表1）。

表1 文丘里管内孔尺寸参数

为了使研究的问题简化， 认为内孔尺寸参数之间无影响，随机固定两个参数的条件下，分析第3 个参数的变化规律，采用单因素组合形式［14，15］，在不同参数组合下，模拟计算结果见表2，部分参数的文丘里内孔分体柱塞内外部速度场和压力场 分布如图3 所示。

表2 不同参数组合下文丘里内孔柱塞关井状态下井速度

（续表2）

图3 不同参数的文丘里内孔分体柱塞内外部速度场和压力场分布

由表2 可以看出，当收缩角为50°，喉管直径为32mm，扩散角为8°时，分体柱塞的下井速度最大。 由图3 可以看出，当液体由文丘里形式的柱塞内孔流出时，由于其内径减小，速度增加，因此在喉管部位会形成一定的低压区。 由于低压区距离柱塞下端面较近，柱塞上下压差降低，作用在液体上的流体力也随之下降，可使柱塞以更快的速度运行。 但需注意是，喉管段直径不能过小，如图3a 所示的22mm 喉管，由于缩颈过小，产生节流损失的反作用力会增加柱塞下行的阻力，减缓柱塞下行速度。

分析表2 还可以发现，3 个参数中，对柱塞下井速度影响最为显著的参数为喉管直径，即喉管直径越大，速度越快。 因此，在上述参数范围的基础上， 对喉管直径进行扩展， 分别选取收缩角50°， 扩散角8°条件下， 喉管直径为34mm 与36mm 的柱塞进行计算， 并将计算得到的下井速度列于表3。

表3 扩展参数文丘里内孔柱塞下井速度

由表3 可以看出，当喉管直径达到34mm 以上时，其下井速度反而有所下降，这是因为喉管过大时，文丘里效应将不再明显，柱塞的受力条件更接近于通孔柱塞。 因此确定喉管直径为32mm 时，柱塞下井速度最快。

这里还将通孔与文丘里管型柱塞进行了对比，柱塞自重基本相同的情况下，在气体中，文丘里型内孔柱塞的下井速度要比通孔柱塞的快1.5m/s 以上。

根据密封环槽的密封机理分析，并结合传统分体式柱塞的典型问题，最终设计了如图4 所示的分体式柱塞。

图4 圆弧形槽分体式柱塞结构示意图

此结构分体式柱塞的设计有以下几个特点：

a. 在柱塞体外部， 设计了圆弧形槽结构，以提高其密封性；

b. 柱塞体内部采用如图4 所示的文丘里内孔结构，当流体向上流过时，这样的结构会产生一定的负压，作用于柱塞之时，方向向下，促使柱塞向下运行；

c. 锥孔可以保证分离顶杆能够顺利进入柱塞内孔，实现柱塞体与密封体的分离；

d. 其密封体仍采用小球结构，但球径可以在一定程度上减小， 可以提升小球向下运行的速度，保证柱塞与小球不提前结合。

3 分体式柱塞的室内实验

选取优化后文丘里内孔-圆弧形槽柱塞开展室内实验， 进一步验证该柱塞的实际应用性能。采用的实验系统如图5 所示，可模拟柱塞的全周期运行工况。

图5 室内实验系统示意图

3.1 分体式柱塞上行排液实验

柱塞投入井中， 在井筒内注入一定量的水，记录柱塞上部液柱高度。 开启进气阀门，观察柱塞排液过程。 当柱塞完成单次排液后，回落到缓冲器后，计量排液后液柱高度，计算单次漏失量。通过多次测量，将得到的实验数据列于表4。

表4 分体式柱塞排液效果实验结果

由实验结果可以看出，分体式柱塞具有良好的排液效果，单次排液后，除了管壁少量附着的液体滑落下来之外， 绝大多数液体均被排出，实验工况时其漏失量都在1%以下。 表明环槽结构合理，柱塞空心体与密封体匹配良好。

3.2 分体式柱塞总体运行情况实验

分体式柱塞总体运行情况的实验过程：在井筒内注入一定量的水，开启进气阀门，使分体式柱塞开始运行，观察分体式柱塞运行情况，对其总体排液效果进行评价。 通过实验表明分体式柱塞能够顺利完成上行排液， 不关井自动回落过程，可成功实现不关井连续排液，在实验条件下，至多两次即可将井筒内的液体全部排出，单次液体基本无漏失。

4 结论

4.1 文丘里结构内孔的分体式柱塞下井速度的主要影响参数为喉管直径。 喉管直径过小，则产生节流损失，增加柱塞下行阻力，减缓柱塞下行速度；喉管直径过大，文丘里效应将不再明显，其下井速度反而下降。

4.2 在徐深气田工况下，数值模拟优化确定的文丘里结构内孔的分体式柱塞最优结构参数为收缩角50°，扩散角8°条件下，喉管直径为32mm。

4.3 所提出的柱塞结构， 可促进柱塞向下运行，同时可避免密封体外径过大而提前结合，室内实验进一步验证了该结构柱塞在排液和总体运行过程中密封性能良好，且能够实现不关井连续排液，下一步应该继续开展此结构柱塞的现场实际应用。