產水井柱塞氣舉生產制度優(yōu)化

黨曉峰 呂玉海 陳 虎 劉 洋

中國石油長慶油田第一采氣廠

產水井柱塞氣舉生產制度優(yōu)化

黨曉峰 呂玉海 陳 虎 劉 洋

中國石油長慶油田第一采氣廠

柱塞氣舉是利用柱塞在油管中氣體和液體之間形成固體界面，減少氣體竄流和液體回落，從而提高舉升效率的技術。生產制度合理性直接決定氣井柱塞氣舉排液效果，現(xiàn)場常用制度優(yōu)化法、時間優(yōu)化法、壓力優(yōu)化法等方法優(yōu)化生產制度。其中制度優(yōu)化法存在耗費時間長、無法達到最優(yōu)化問題；時間優(yōu)化法、壓力優(yōu)化法均需結合地面集輸工藝，在綜合分析計算套管壓力、積液高度、關井時間及柱塞上行速度等參數(shù)基礎上，通過現(xiàn)場運行情況進行微調，存在計算過程復雜、誤差大及優(yōu)化效率低等缺點。通過合理劃分柱塞運行階段，分析優(yōu)化階段運行參數(shù)，總結提煉出了優(yōu)化柱塞氣舉生產制度各階段載荷因數(shù)計算，現(xiàn)場應用取得較好的效果。

產水井柱塞氣舉生產制度階段分析載荷因數(shù)制度優(yōu)化

柱塞氣舉是解決低產低效氣井無法自主攜液的重要工藝之一，其原理是利用柱塞在油管中氣體和液體之間形成固體界面，減少氣體竄流和液體回落，從而提高舉升效率[1-2]。柱塞氣舉一般根據氣井生產動態(tài)預測一個目標值，根據目標值計算制定出生產制度，然后根據生產情況來不斷優(yōu)化生產制度，使其達到最佳效果。

目前常用的優(yōu)化生產制度方法有兩種：①通過設定多種不同的制度，每種制度生產一段時間，通過生產效果來評價制度的合理性，其優(yōu)點是方法簡單，缺點是耗費時間長，無法短期內達到最優(yōu)化[3-4]；②建立柱塞氣舉模型方程[5-6]，根據模型求解，制定最佳生產制度，其優(yōu)點是可以對舉升特性進行預測，為柱塞氣舉的優(yōu)化設計提供了計算途徑，缺點是建模困難，計算復雜，需要對舉升規(guī)律取得深刻的認識和詳細分析各敏感性參數(shù)對舉升效率的影響。因此，改進柱塞氣舉生產制度優(yōu)化方法，對于生產現(xiàn)場具有十分重要的適用價值。

1 柱塞氣舉階段劃分及特征分析

1.1 柱塞氣舉階段劃分

通過分析柱塞氣舉實時壓力曲線（圖1），將柱塞氣舉排水采氣周期分為三個階段：①關井壓恢階段AB；②開井氣舉階段BC；③連續(xù)生產階段CD[7-10]。

圖1 柱塞氣舉實時壓力曲線圖

1.2 柱塞氣舉階段特征分析

1.2.1 關井壓恢階段

該階段完成柱塞下落（AA1）和柱塞啟動套壓的恢復（A1B），通過優(yōu)化A1B過程可縮短氣井關井恢復壓力時間，達到一次最大舉升積液量和提高開井時率的目的。

1.2.2 開井氣舉階段

該階段完成柱塞上行排液（BB2）和氣井自主排液（B2C），通過優(yōu)化柱塞上行速度即BB1，解決柱塞上行過快引起設備磨損、能量浪費或速度較慢造成滑脫損失增大、降低系統(tǒng)效率的問題，從而進一步實現(xiàn)高效氣舉。BB2油壓反映出柱塞上方積液排出后油壓恢復情況，若B2位置油壓越高或越接近B2套壓，說明氣舉效率越高；若出現(xiàn)B2C過程說明該次氣舉不徹底，柱塞下方存在一定積液，需考慮改變生產制度，進入下一氣舉周期。

1.2.3 連續(xù)生產階段

該階段分為大量產氣CC1、穩(wěn)定續(xù)流C1D1和產氣量下降與井筒積液D1D三個過程。通過優(yōu)化該階段可延長氣井穩(wěn)產時間、實現(xiàn)產量最大化，如果生產時間過長，較大的液體段塞將會聚集在井底，下次啟動時將需要較高的套管壓力才能成功。

2 柱塞氣舉生產制度優(yōu)化分析

2.1 關井壓恢階段-優(yōu)化關井時間A1B

柱塞下落的平均速度是一定的，AA1階段運行時間所需時間與井筒的深度成正比，一口井的井筒深度是不變的，因此柱塞下落階段AA1無優(yōu)化空間(本文不考慮分體式柱塞下落速度的優(yōu)化)[11]。

圖1中B點為柱塞啟動點，若套壓B過高則關井時間長、氣舉液量少，較小則柱塞無法啟動、氣舉失敗。B點對應最小啟動套壓確定[12-15]：

取最小啟動套壓對應的時間為t2，則關井恢復壓力時間t必須滿足：t＞t1、t＞t2

式中：

h—液面高度，m；

pC—井口套管壓力，MPa；

pk—液體密度，Kg/m3。

At—油管面積，m2；

pcmin—最小套管壓力，MPa；

pcmax—最大套管壓力，MPa；

pcavg—平均套管壓力，MPa；

pp—柱塞舉升所需壓力0.345 MPa；

ptf—井口油壓，MPa；

pa—大氣壓0.101 MPa；

plw—舉升1 m3液體到地面所需壓力，MPa/m3；

plf—流體摩擦所引起的壓力損失，MPa/m3；

L—舉升液體體積，m3；

D—油管或限位裝置深度,m；

K—氣體摩擦損失；

Aa—油套環(huán)空面積，m2。

2.2 開井氣舉階段-優(yōu)化柱塞上行速度BB1

柱塞上行BB1是由柱塞的上行速度控制的。通過《氣舉手冊》可知柱塞上行速度在3.81～5.08 m/s之間氣舉效率最高，柱塞向上運動的微分方程[16]

式中：

ptx—作用在柱塞下表面上氣體的向上壓力，MPa；

ptf—作用在液柱上表面的氣體壓力，約等于油壓，MPa；

At—油管面積，m2；

Wt—柱塞及其上液柱的重力，N；

Ff—液柱和柱塞側面與油管壁間的摩阻力，N；

a=y″—柱塞和液柱運動的加速度，m/s2。

2.3 連續(xù)生產階段-優(yōu)化關井時機

氣舉進入大量產氣階段CC1后，其時間的長短是由井筒附近聚集的能量決定，不可控；從C1點開始到D1點為穩(wěn)定續(xù)流階段，同時也是井筒緩慢積液的過程。通過對多次柱塞氣舉實時壓力曲線分析發(fā)現(xiàn)，當氣井生產時間超過穩(wěn)定續(xù)流階段后，油、套壓差增長率陡然增高、產氣量下降、關井恢復壓力所需時間成倍增加，影響下一個循環(huán)，因此關井時機應選擇在穩(wěn)定續(xù)流階段內，即套壓陡升且氣量下降范圍大于8%～10%時作為關井條件。

3 載荷因數(shù)計算

通過各階段運行參數(shù)優(yōu)化分析可知，影響柱塞氣舉效率的主要影響參數(shù)有油壓、套壓、凈工作壓力（套壓與采氣管線壓力的差值）、油套管規(guī)格、液柱高度和井深。其中采氣管線壓力、油套管規(guī)格、井深等參數(shù)為靜態(tài)參數(shù)，油壓、套壓、靜工作壓力和液柱高度為動態(tài)參數(shù)，分析柱塞氣舉動態(tài)模型計算方法，一口柱塞氣舉井只要通過優(yōu)化動態(tài)可控參數(shù)，即油壓、套壓、靜工作壓力和液柱高度達到合理匹配就能達到最佳的氣舉效果，因載荷因數(shù)[17]可較好的反應出動態(tài)參數(shù)的相互變化關系，故引入這一方法。

式中:

ηh—載荷因素，%；

poh—為地面管線壓力，MPa。

4 實例應用

A井采用多井串接中壓集氣模式，早期采用井下節(jié)流生產，打撈節(jié)流器后，油壓1.0 MPa、套壓10.0 MPa，能夠間噴泡排生產，但隨著生產時間的延長，套壓持續(xù)上升、氣量大幅下降，井筒積液嚴重。為改善氣井生產狀況，有效解決積液影響，開展柱塞氣舉排水采氣試驗。

通過常規(guī)方法計算，得出A井柱塞氣舉生產制度：套壓達到8.0 MPa時關井24 h后開井?，F(xiàn)場試驗A井氣舉后生產時套壓明顯降低，日均產液量由0.3 m3增加至0.98 m3。產液量明顯增加，但分析氣井生產動態(tài)發(fā)現(xiàn)，套壓超過4 MPa后氣井間歇產氣；關井恢復壓力時間相對較長，采氣時率降低。

4.1 優(yōu)化過程

根據現(xiàn)場試驗數(shù)據，繪制出A井載荷因數(shù)與柱塞上行速率及關井時間變化關系曲線圖（圖2、圖3）。

從圖2、圖3分析得出：

1）當載荷因數(shù)小于57%時，達到柱塞順利啟動上行條件，即開井初始條件；通過《氣舉手冊》可知柱塞上行速度在3.81～5.08 m/s之間氣舉效率最高，從而得知A井載荷因數(shù)保持在38%～47%之間時，氣舉效果最佳，即最佳開井優(yōu)化條件。

圖2 載荷因數(shù)與柱塞上行速率變化關系曲線圖

圖3 不同壓差下載荷因數(shù)與關井時間化關系曲線圖

2）載荷因數(shù)越小、柱塞上行速度越快。

3）載荷因數(shù)隨著關井時間的延長逐漸減小，關井時壓差越大，減小速率越小，因此，油、套壓差達到4 MPa時，為最佳關井條件。

結合氣井實際生產情況，通過階段分析和載荷因數(shù)計算，得出A井柱塞氣舉生產制度：套壓達到4.0 MPa時關井，載荷因數(shù)≤45%后開井。

4.2 實施效果

根據生產制度優(yōu)化，開展現(xiàn)場試驗，結果表明：①氣舉頻率提高，關井時間減短；②油套壓差減??；③產氣量、產水量增加（圖4）。

圖4 A井柱塞氣舉試驗采氣曲線

表1 A井柱塞氣舉優(yōu)化前后效果對比分析表

5 結論認識

1）應用壓力曲線進行柱塞氣舉階段劃分能夠準確的反映出柱塞運動的狀態(tài)及氣舉效率，為柱塞氣舉整體優(yōu)化設計提供明確方向。

2）載荷因數(shù)可以準確計算出油壓、套壓、靜工作壓力及液柱高度等動態(tài)參數(shù)之間的變化關系。

3）采取壓力曲線階段進行劃分分析和載荷因數(shù)計算綜合優(yōu)化法在A井的成功應用，表明該方法在氣井柱塞氣舉生產制度優(yōu)化中便捷適用。

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（修改回稿日期 2016-03-04 編輯 文敏）

今后5年我國擬新增煤層氣探明地質儲量4200億立方米

2016年12月2日，國家能源局對外發(fā)布《煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，規(guī)劃明確“十三五”期間，我國擬新增煤層氣探明地質儲量4200億立方米，建成2～3個煤層氣產業(yè)化基地。

煤層氣（煤礦瓦斯）是賦存在煤層及煤系地層的烴類氣體，是優(yōu)質清潔能源。加快煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用，對保障煤礦安全生產、增加清潔能源供應、減少溫室氣體排放具有重要意義。

規(guī)劃稱，“十三五”期間將堅持煤層氣地面開發(fā)與煤礦瓦斯抽采并舉，以煤層氣產業(yè)化基地和煤礦瓦斯抽采規(guī)?；V區(qū)建設為重點，推動煤層氣產業(yè)持續(xù)、健康、快速發(fā)展。

據介紹，“十二五”時期，國家制定了一系列政策措施，強力推進煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用，煤層氣地面開發(fā)取得重大進展，煤礦瓦斯抽采利用規(guī)模逐年快速增長，為產業(yè)加快發(fā)展奠定了良好基礎。

（天勘摘編自《中國石油西南油氣田公司網》）

黨曉峰，男，1976年生，高級工程師；中國石油長慶油田分公司第一采氣廠采氣工藝研究所所長。地址：（718500）陜西省靖邊縣長慶油田第一采氣廠。電話：029-86505026。E-mail：dxf2_cq@petrochina.com.cn