智能柱塞瞬时运行速度研究与应用

翟中波*

（斯伦贝谢长和油田工程有限公司）

0 引言

X井区位于延安市以北、鄂尔多斯盆地天然气富集区的南缘，属于致密气项目。产水气井在生产一段时间后，近井筒地带地层压力逐渐减小，生产压差随即降低，造成气量下降，在低于临界携液气量时天然气不能正常携液，使得液滴在井筒下部不断积聚，增大井底流压，最终减小气产量，造成气井积液甚至水淹不能生产[1-3]。

X井区部分积液井井身结构为∅139.7 mm套管＋∅73.02 mm油管。针对带环空的积液气井，柱塞作为一种排水采气措施，使用广泛，具有无需改变井身结构、无需外界能量、无储层伤害、作业简单、经济性好、见效快的优点。柱塞，顾名思义，为柱状塞子，是依靠气井自身能量将柱塞和其上液体上推至地面的一种排水采气工具[4-5]。柱塞在举升气体和被举升液体间形成“封隔”[6-7]，但是上行过程需要使速度达到一定值才能起到气液封隔的作用，即所谓的“速度密封”，但如果柱塞上行速度太大，到达地面快速撞击防喷管，容易损坏地面压力控制设备或管道，造成油气泄漏，发生安全环保事故。同样，柱塞下行的速度也要根据气井压力恢复及安全要求进行调试，过快或者过慢都有不利影响。

关于柱塞上行速度，Lynn[8]描述的行业推荐值为2.54～5.08 m/s，最优值为3.81 m/s；党晓峰等[9]认为柱塞上行速度在 3.81～5.08 m/s时气举效率最高；中国石油天然气集团有限公司《柱塞气举技术规范》中推荐上行速度为 3.3～5 m/s。在实际应用过程中，常规柱塞仅通过井下限位器安装深度和开井后柱塞由井底到达地面防喷管的时长简单计算柱塞上行平均速度。Foss和Gaul[10]通过24口井的实际数据测得柱塞平均上行速度为5.08 m/s，Lynn测得了10口井上行速度，平均值为4.84 m/s。关于柱塞下行速度，Acosta[11]自制简易装置对竖直井中不同介质条件下的柱塞下行速度进行了研究，但是由于其试验装置下行行程较短，速度值没有很好的参考意义，仅用于研究柱塞在不同介质中的下行速度之间的数量关系。Foss和Gaul测得：在天然气中，柱塞下行速度为4.58～15.27 m/s，最优值10.28 m/s；在密度为 875 kg/m³的原油中，柱塞下行速度为0.874 m/s。

上述所有研究仅针对竖直井整个柱塞行程测得平均速度，对于其他S型井、水平井等井型没有做出研究，并且不能确定不同深度对应的柱塞速度，液体滑脱情况就无从判断。另外，常规柱塞通过气动薄膜阀的开关井控制柱塞的上行下落，易造成井筒激动和液体滑脱，降低柱塞效率。且运行过程中无法监测速度、压力、温度等参数，属于粗放式排水采气。为此，X井区引进智能柱塞。智能柱塞可依托内置的加速度传感器结合井身结构得到上行过程中沿井筒的速度分布，及时调整参数确保柱塞高效运行。结合井身结构和生产数据，生产工程师能精确监控气井生产状况，并对柱塞运行制度进行优化，降低油套压差，提高气液产量、采气时率和最终采收率。

1 智能柱塞排水采气

常规柱塞气举排水采气周期分为关井复压、开井气举、连续生产3个阶段。智能柱塞和常规柱塞原理相同，包含井口装置、井内设备、远程控制系统3个部分。与常规柱塞不同之处包括3个方面。①智能柱塞中内置了加速度、温度和压力传感器，获取的数据储存于柱塞的存储单元，柱塞上行至井口被捕捉后，人工将此柱塞每个工艺循环中收集的信息（温度、压力、加速度）导出，远程发送到云服务器和客户端。客户端远程控制平台可以根据气井参数远程调大调小节流阀来实现柱塞上行下行，控制模式有定时开关、定压开关、人工开关等方式。②智能柱塞改造采气树结构使其内通径和生产油管一致，避免柱塞到达井口后由于流道变大造成液体滑脱下落，柱塞不能进入防喷管而节流造成排水采气效果差。③智能柱塞可以按照设定的压力和时间自动远程调节针阀开度（开度范围 0～999），柱塞运行的整个过程中气井始终保持生产状态。

图1所示为智能柱塞的3个周期。①关井复压阶段。常规柱塞关井直接截断关井。本智能柱塞采用流量调节阀（针阀开度 200/999），保持小流量生产，一方面减小液体滑脱，提升单次排水效率；另一方面避免全开全关气井减小井筒激动，从而避免地面设备甚至储层的伤害。②开井气举阶段。根据单次排液量和柱塞上行速度实测值，调节针阀开度（600/999～750/999），实现精准调控。③连续生产阶段。该阶段在气井自主排液结束之后开始，此时针阀开度调至最大（999/999），保持全开状态，提高单次采气效率。

图1 智能柱塞小流量动态液柱举升周期示意图

图2为单周期内常规柱塞与智能柱塞的气量对比（2021-04-06的数据为例），可以看出：常规柱塞在关井复压阶段气量降为 0，井筒内的液滴会逐渐回落，滑脱效应增大；智能柱塞由于关井复压阶段自动针阀仍然保持 200/999的开度，气井保持2 300 m³/d的气量生产，在降低井筒激动的同时减小液体滑脱，最终提升柱塞效率，从这个角度上讲也称作小流量动态液柱举升柱塞。

图2 智能柱塞和传统柱塞单周期气量对比

2 智能柱塞速度测量原理

通过内置程序，运用微积分思想，将柱塞的上行下行的运行行程划分为一定数值的小段行程，智能柱塞内置加速度传感器得到此小段行程的加速度值。在柱塞过程中，时刻测量并记录加速度值。利用式（1）和式（2）在此小段行程范围内积分，即可得到柱塞运行的速度和对应的行程（即气井斜深）。

式中：V——柱塞速度，m/s；a——加速度，m/s2；t——时间，s；S——井深，m。

3 智能柱塞运行速度分析

3.1 智能柱塞气举井井况

Y4-3井是X井区的一口定向井（S型），于2017年9月对3 242～3 245 m（斜深）深度的山23储层进行了压裂施工，随后采用∅73.02 mm生产管柱进行返排测试，采用∅10 mm油嘴求产测试，井口油压为4.6 MPa，稳定气产量为1.09×104m3/d，稳产期间无水；采用“一点法”计算该井的绝对无阻流量为1.28×104m3/d。

图3和图4为S型井Y4-3井井斜角和闭合距沿着井斜深的变化趋势图。可以看出，整个井筒按照井斜的变化可分为3个部分：①0～813 m直井+造斜段，井斜角小于25°；②813～2 807 m稳斜段（井斜角25°），从500 m开始造斜，到813 m达到25°最大井斜角并一直保持25°井斜；③2 807～3 368 m降斜段，井斜由25°逐渐减小至11.5°，井斜角25°～11.5°。

图3 Y4-3井井斜角沿井斜深的变化趋势图

图4 Y4-3井闭合距沿着井斜深的变化趋势图

3.2 智能柱塞速度分析与研究

2019年5月，在Y4-3井安装智能柱塞，井底卡定器深度3 155 m（位于短节之上20 m）；同年10月放入柱塞并调试；12月初柱塞运行正常至今。柱塞安装并调试运行正常之后，每次柱塞运行至井口时，便可通过自动发射装置将采集到的速度、压力、温度等数据通过无线信号发送至生产办公室的远程接收装置，对柱塞运行状态进行实时分析。

3.2.1 上行速度分析与研究

图5为不同日期智能柱塞的上行速度曲线，可以看出这3个周期柱塞的上行速度有很强相似性。调大针阀开度后，柱塞受到气流冲击迅速具有上行速度，从井底卡定器到2 722 m，由于井底压力大，一定气量的情况下，气体流速较小，对柱塞的冲击力小，在2 722 m到387 m深度范围内柱塞速度保持大于2.5 m/s上行；在387 m到地面，由于柱塞上移的过程中，环空天然气膨胀做功[12-13]，柱塞之下的天然气压力逐渐减小，对柱塞的推动作用减弱，柱塞的上行速度逐渐减小，直至运行至防喷管位置撞击缓冲弹簧速度降为 0。按照传统柱塞的平均速度计算方法，28 min柱塞由井底卡定器位置上行至井口行程3 153 m，柱塞上行速度为1.88 m/s，此速度不足以携液。但下面的分析证明此柱塞的携液效果良好。

图5 柱塞上行速度曲线

智能柱塞排液时油压变化可以反映排液量的大小。排液前后，油压差值越大，排液量越大，排液效果越好。图6为智能柱塞运行油套压变化曲线，从油压变化可以看出，此速度下柱塞每次能举升出大约50 m液柱，即150 L液体（生产油管外径73.02 mm，内径62 mm），智能排液效果良好。这是因为在柱塞从井底刚开始启动和到达井口时速度过低拉低了平均值。从图5可以看出，绝大多数行程柱塞的上行速度都大于2.5 m/s，此速度下柱塞具有较好的液体举升能力。

图6 智能柱塞运行油套压变化曲线

图7为柱塞上行过程中在直井+造斜段（降斜段）和25°稳斜段的受力示意图。以柱塞和液体整体作为研究对象，其主要受到重力G、液体段塞和柱塞的摩擦阻力Ff、上下压差力FΔp，见式（3）。

图7 柱塞上行过程受力示意图

式中：FΔp——柱塞上下端面的压差力，N；Ff——液体段塞和柱塞的摩擦阻力，N；G——重力，N；m——柱塞和液体段塞质量，kg。

刚开井瞬间，在降斜段（3 153～3 009 m），柱塞所受合力向上，具有向上的加速度，柱塞携水开始上移。在降斜段上行过程中，由于气体流速低，湍流密封效果不明显，部分液体从柱塞与油管内壁间隙内回落，重力G不断减小，柱塞之上的气体不断释放，导致上下压差力FΔp增大，造成合力增大，加速度增大。从图5中3 009～2 864 m的速度曲线图可以印证。随即柱塞进入25°稳斜段（2 864～825 m），由于重力作用，柱塞紧贴油管下侧，压力降低，气体流速增大，湍流密封效果增强，液体滑脱减少，且4个主要力的合力大致为0，加速度为0，柱塞在稳斜段保持匀速运动。继续上行至直井+造斜段（825～0 m），柱塞上部压力释放完全，下部压力由于膨胀减小，导致上下压差力FΔp减小，合力向下，加速度向下，作用结果为柱塞减速，到地面时柱塞速度减为0。

3.2.2 下行速度分析与研究

图8为柱塞在 Y4-3井下行速度曲线，可以看出，调小针阀开度之后，柱塞受到气流冲击减小，在重力作用下迅速具有下行速度。从井口到828 m，柱塞下行速度稳定；828 m后进入稳斜段，柱塞速度有个增长台阶随后缓慢下降；到达2 800 m位置时，进入降斜段，速度有个减小台阶并逐渐减小，进入井底积液之后速度迅速降为0。

图8 柱塞下行速度曲线

柱塞在不同深度所受分力及合力的方向和大小不同导致其加速度产生变化，进而改变其速度值，呈现结果为柱塞运行时瞬时速度的变化。图9为柱塞下行过程中在直井+造斜段（或降斜段）和 25°稳斜段的受力示意图。

图9 柱塞下行过程受力示意图

以柱塞作为研究对象，主要受到重力G、柱塞的摩擦阻力Ff和上下压差力FΔp，具体计算公式如下：

式中：k——阻力系数，无因次；ρ——流体密度，kg/m3；v——流体速度，m/s。

刚调小流量瞬间，在直井+造斜段（0～828 m），柱塞所受合力向下，具有向下的加速度，柱塞下移。另外，公式（3）柱塞的摩擦阻力Ff与柱塞的速度有关，速度越大，摩擦阻力越大，最终直井+造斜段合力大约为 0，基本保持匀速下行。进入稳斜段（828～2 800 m）后，由于重力作用，柱塞紧贴油管下侧，气流从上侧溢出，导致FΔp减小，而G· cosθ= 0 .91G（θ为井斜，取值25°，重力G沿井筒分量基本不变，合力继续沿着井筒向下，且加速度更大。这也是828 m处有台阶的原因，在稳斜段由于管壁的摩擦阻力作用，柱塞速度逐渐减小。进入降斜段（2 800～3 153 m），流体（气体或者含水混相）密度增大，由公式（3）[14]可知FΔp增大，合力向上，产生向上的加速度，柱塞减速。进入水中之后，这种效应更加明显，速度迅速降为0。

总之，柱塞速度受到管壁粗糙度、管壁液膜厚度、井斜角、柱塞类型、流体类型、流量大小等各种因素的影响，忽略次要因素，得到柱塞的下行上行速度后，分析并结合气井生产数据（油套压、温度、气量）等即可对气井的生产动态做出诊断，如果速度不合适，可以通过调整开井套压、针阀开度、柱塞外径、柱塞种类等进行优化，使其达到最优的排水采气效果。

4 泡沫排液提高柱塞运行效果分析

Y6-8井为定向S型井，柱塞卡定器深度为3 000 m。图10为Y6-8井柱塞上行速度偏小（红圈）和正常（绿圈）时的油套压曲线。不同柱塞上行速度时的生产参数及排液量见表1。从图10和表1可以看出，在2021年5月30日和31日，套压稍微有升高的趋势，且开井前油套压差较大，气井逐渐积液，开井之后柱塞的上行时间分别为 23分 17秒和 26分43秒，柱塞平均速度为2.15 m/s和1.87 m/s，速度小于2.5 m/s导致排液效果不理想（红圈），排出液体分别为112 L和86 L；为了增大开井时柱塞的上行速度从而增强柱塞气举效果，于2021年6月1日环空注泡排剂20 L（孚吉UT-7，原液与清水的体积比为1:4），同时延长关井时间。从环空注入泡排剂后，泡排剂沿着油管外壁或套管内壁下行至环空积液位置，气流扰动形成低密度含水泡沫，泡沫液密度可降低为原来液体密度的 1/5[1]。泡排后关井恢复时油压比积液时增大，油套压差减小。6月 1日晚上开井，由于积液较多，导致环空气体膨胀做功受限，并且柱塞之上液柱较多，导致柱塞举升困难。由于泡排降低液体密度和减少液体滑脱的双重效果，柱塞能够上行（速度很慢，为 1.07 m/s）同时正常带液（绿圈），排液量为323 L；6月2日再次开井前，油套压接近，积液少，加上剩余泡排剂的效果，柱塞上行速度很快，为 6.67 m/s，排液效果明显（绿圈），排液465 L。

表1 不同柱塞上行速度时的生产参数及排液量

图10 不同柱塞上行速度时的油套压曲线

研究井区其他柱塞井，发现具有相同排液规律，由此得出结论：①柱塞速度对排液效果影响较大，速度大时液体滑脱减小，单次举升液体更多，但是要注意评估柱塞速度过大对防喷管的影响；②泡排可以极大增强柱塞气举排液的效果，泡排之后柱塞速度为1.07 m/s（为2.5 m/s的42.8%）时仍能正常排液。

5 结论

智能柱塞可依托内置的加速度传感器，结合井身结构，得到上行过程中沿井筒的速度分布，及时调整参数确保柱塞高效运行。结合井身结构和生产数据，生产工程师能精确监控智能柱塞气井生产状况，并对柱塞运行速度进行优化。

根据井斜角的不同，将此S型井柱塞运行路径大致分为：①0～813 m直井+造斜段，井斜角小于25°；②813～2 807 m稳斜段（井斜角25°）；③2 807～3 368 m降斜段，井斜角25°～11.5°。柱塞在不同井段受力不同。柱塞在S型井上行下行过程中并不是匀速运动，通过智能柱塞得到的速度曲线可知：整个运动过程呈现变速运动特征，主要受井斜和气流量的影响，柱塞所受合力变化导致加速度变化进而引起速度变化，并且呈现出一定规律性；柱塞上行速度对排液效果影响较大，速度大于2.5 m/s时，具有良好的气举排液效果；泡排可以增强柱塞气举排液的效果，使柱塞在速度较低时仍然能够正常排液。