氣井連續(xù)排水型柱塞研制

張洪濤 馬文海 馬品剛 李 楠 王長(zhǎng)根 劉文君

1.東北石油大學(xué) 2.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院 3. 中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司

0 引言

大慶油田超過(guò)30%的氣井處于生產(chǎn)中后期，不同程度產(chǎn)水，產(chǎn)氣量遠(yuǎn)低于臨界攜液流量，因此井筒內(nèi)液體滑脫損失嚴(yán)重，井筒內(nèi)積液越來(lái)越多、產(chǎn)量下降越來(lái)越快，最后導(dǎo)致間歇式生產(chǎn)甚至關(guān)井停產(chǎn)。柱塞氣舉是目前公認(rèn)解決此類(lèi)氣井嚴(yán)重液體滑脫損失、無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)問(wèn)題的重要工藝措施。在北美地區(qū)，對(duì)于中低產(chǎn)水量氣井以機(jī)械排水為主，柱塞排水技術(shù)應(yīng)用廣泛，美國(guó)俄亥俄州Mi11ersbrg的Products公司研究的柱塞舉升技術(shù)，可確保從安裝有油管的任意井中舉升液體，以低成本產(chǎn)生可重復(fù)利用的氮?dú)馓峁┡e升氣壓，實(shí)現(xiàn)柱塞連續(xù)排液[1-2]。但常規(guī)柱塞氣舉比較明顯的缺點(diǎn)是柱塞下落時(shí)間長(zhǎng)，需要較長(zhǎng)的關(guān)井時(shí)間，以使柱塞回落到井底，因此生產(chǎn)效率較低[3-4]；同時(shí)，如果井內(nèi)積液較多，較長(zhǎng)的關(guān)井時(shí)間不僅會(huì)影響氣井生產(chǎn)時(shí)率，而且井筒中的液體灌入地層，造成近井地層氣相滲透率迅速下降，形成“水鎖”，嚴(yán)重影響氣藏采收率。為此，需要設(shè)計(jì)新型柱塞，通過(guò)改進(jìn)柱塞結(jié)構(gòu)，在滿足柱塞舉升排液基本作用的前提下，大幅減少柱塞關(guān)井下落時(shí)間，提高開(kāi)井時(shí)率，實(shí)現(xiàn)不關(guān)井連續(xù)排水。

1 連續(xù)排水型柱塞工作原理

1.1 常規(guī)柱塞排水采氣工藝原理

常規(guī)柱塞排水工藝是依靠氣井自身產(chǎn)出的氣體作為工作能源，柱塞作為整個(gè)生產(chǎn)管柱內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)的活塞。在舉升過(guò)程中把柱塞作為液柱和舉升氣體之間的固體界面，起密封作用，以防止氣體的竄流和減少液體的滑脫[5-8]。常規(guī)柱塞運(yùn)行過(guò)程是先關(guān)閉生產(chǎn)管線，柱塞穿過(guò)油管內(nèi)氣液下落，柱塞下落至柱塞緩沖器處，柱塞下方氣體得到能量開(kāi)始恢復(fù)，地面控制器打開(kāi)控制閥，環(huán)空液面下降，天然氣推動(dòng)柱塞及其上方的液體上行，液體舉升出井口后，柱塞依靠井內(nèi)的壓力停留在井口的捕捉器中，生產(chǎn)一段時(shí)間后，井下產(chǎn)出一定的液體，控制器指令控制閥關(guān)閉，柱塞依靠自身重力下落。整個(gè)過(guò)程循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)排出井底積液，恢復(fù)氣井產(chǎn)能的目的[9-13]。

1.2 連續(xù)生產(chǎn)型柱塞系統(tǒng)組成

相較于常規(guī)柱塞，連續(xù)生產(chǎn)型柱塞系統(tǒng)主要包括：井口緩沖裝置及撞擊桿，連續(xù)排水型柱塞和井下緩沖裝置。其中連續(xù)排水型柱塞主要由柱塞套、強(qiáng)磁環(huán)、球座、球座外套和密封圈組成。

1.3 連續(xù)生產(chǎn)型柱塞排水采氣工藝原理

連續(xù)生產(chǎn)型柱塞是依靠強(qiáng)磁吸附原理將有中心通道的柱塞套與鋼球吸合，吸合成一體后帶動(dòng)其上部液體段塞運(yùn)行至井口，完成上行排液過(guò)程。到達(dá)井口時(shí)，利用撞擊桿撞擊實(shí)現(xiàn)柱塞套與鋼球分離，分別先后下落，在下落過(guò)程中井筒中的氣液兩相流能夠通過(guò)鋼球周?chē)陀兄行耐ǖ赖闹紫蛏狭鲃?dòng)，減少了柱塞下落阻力，使柱塞套和鋼球在井筒中的下落速度更快，關(guān)井時(shí)間縮短，為增加氣井產(chǎn)量創(chuàng)造條件。下落至井下緩沖裝置重新吸合，完成一個(gè)循環(huán)舉液周期（圖1）。

1.4 強(qiáng)磁吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材質(zhì)優(yōu)選

圖1 連續(xù)排水型柱塞工作原理示意圖

強(qiáng)磁吸附結(jié)構(gòu)是連續(xù)排水型柱塞的核心部件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮了材質(zhì)選型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問(wèn)題。

在材質(zhì)選型方面，重點(diǎn)分析了井下工況對(duì)材質(zhì)磁性的影響：①高溫環(huán)境（3 000 m井深，溫度介于120℃～130℃），目前在工程上常用的永磁材料有合金、鐵氧體，金屬間化合物等，釹鐵硼稀土永磁材料被廣泛應(yīng)用，例如井下強(qiáng)磁打撈器，而常規(guī)燒結(jié)釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性較差，當(dāng)溫度超過(guò)80℃時(shí)，磁性相應(yīng)減弱，為適應(yīng)井下高溫環(huán)境，優(yōu)選了高矯頑力系列的燒結(jié)釹鐵硼永磁材料，其工作溫度上限可達(dá)150℃，制備工藝主要是采用晶粒細(xì)化技術(shù)和晶界擴(kuò)散與摻雜技術(shù)來(lái)提高其矯頑力，從而提高磁體高溫磁性能；②井下腐蝕環(huán)境，由于釹鐵硼中稀土元素釹的性質(zhì)活潑，導(dǎo)致合金的耐蝕性能差，在濕熱環(huán)境中極易生銹腐蝕，縮短了磁體壽命，為提高其防腐性能，在磁體表面鍍一層鎳，從而達(dá)到防腐要求。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)考慮吸合與分離整個(gè)工藝過(guò)程，要保證吸得住、分得開(kāi)。由此設(shè)計(jì)了捅桿分離機(jī)構(gòu)，配套設(shè)計(jì)的強(qiáng)磁吸附環(huán)型結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)磁環(huán)下部設(shè)計(jì)導(dǎo)磁球座，增大與鋼球的接觸面積，實(shí)現(xiàn)吸得住；當(dāng)柱塞運(yùn)行到井口時(shí)，捅桿對(duì)鋼球軸線上部集中施加瞬間撞擊力，實(shí)現(xiàn)了可分離。

2 連續(xù)排水型柱塞室內(nèi)原理性試驗(yàn)

2.1 可視化模擬試驗(yàn)裝置

可視化模擬試驗(yàn)裝置組成包括：空氣壓縮機(jī)，增壓泵、緩沖罐等氣源制備系統(tǒng)；可視化全尺寸油管模擬試驗(yàn)管柱；可拆裝式伸縮固定短接，便于將柱塞裝入并固定在管柱內(nèi)；氣水兩相流體壓力、流量同步控制系統(tǒng)；氣水兩相流體計(jì)量分離系統(tǒng)；高速攝像、高精度數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)氣水兩相的精確控制和監(jiān)測(cè)。該裝置可模擬帶壓條件下氣、水兩相流動(dòng)，為分析檢驗(yàn)柱塞排液效果提供了試驗(yàn)手段。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

用臺(tái)秤對(duì)連續(xù)排水型柱塞稱(chēng)重后，在模擬試驗(yàn)裝置內(nèi)裝入連續(xù)排水型柱塞和井下緩沖定位工具，在裝置頂部安裝井口緩沖裝置及撞擊桿。先打開(kāi)進(jìn)液閥，當(dāng)柱塞頂部液柱高度為0.5 m時(shí)，停止進(jìn)液。再打開(kāi)進(jìn)氣閥，逐漸增大氣體流量，當(dāng)柱塞開(kāi)始上行時(shí)，穩(wěn)定氣體流量，并記錄啟動(dòng)氣體流量、氣體壓力和柱塞上行時(shí)間。觀察鋼球與柱塞套的分離情況。當(dāng)分體式柱塞開(kāi)始下行時(shí)，記錄鋼球下落時(shí)間，柱塞套下落時(shí)間。關(guān)閉進(jìn)氣閥，觀察鋼球與柱塞本體的吸合情況，測(cè)量柱塞一個(gè)行程后液柱的高度。

2.3 試驗(yàn)結(jié)論及效果分析

1）試驗(yàn)結(jié)論：通過(guò)原理性試驗(yàn)驗(yàn)證了柱塞套與鋼球吸合、吸合后上行舉液、在井口撞擊分離、柱塞套與鋼球分別下落整個(gè)工藝過(guò)程的可行性，連續(xù)排水型柱塞系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不關(guān)井連續(xù)舉液。同時(shí)柱塞與密封件強(qiáng)磁結(jié)合的設(shè)計(jì)保證了上行舉液過(guò)程中心通道的密封性。利用井口緩沖和捕捉裝置可在井口對(duì)柱塞進(jìn)行捕捉，便于檢修。

2）試驗(yàn)中暴露的問(wèn)題：①連續(xù)排水型柱塞啟動(dòng)壓力高，上行運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，有氣竄現(xiàn)象；②試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)連續(xù)排水型柱塞內(nèi)強(qiáng)磁環(huán)碎裂；③連續(xù)排水型柱塞上行至頂部遇卡，不能下落。

3 連續(xù)排水型柱塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)原理性實(shí)驗(yàn)暴露出的問(wèn)題，對(duì)連續(xù)排水型柱塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

1）分析連續(xù)排水型柱塞啟動(dòng)壓力高、上行運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定、氣竄現(xiàn)象的主要原因是由柱塞外部結(jié)構(gòu)與管壁之間的密封性不好引起氣竄，從而導(dǎo)致舉升壓力損失。

為了提高柱塞密封性，對(duì)柱塞外部環(huán)形槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。連續(xù)排水型柱塞外部環(huán)形槽作用是實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，避免下部氣體沿柱塞與管壁間隙向上竄流以及上部液體向下竄流。應(yīng)用數(shù)值模擬軟件，對(duì)外部環(huán)形槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步模擬，分析不同環(huán)槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)密封效果的影響規(guī)律。通過(guò)建立不同溝槽數(shù)，溝槽深的柱塞物理模型（圖2），考慮重力影響和水滴破碎、聚合等過(guò)程，選用離散相模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分總數(shù)超過(guò)300×104（圖3）。選取出口段氣相速度和湍流強(qiáng)度作為密封性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[14-16]。初步模擬結(jié)果表明：增加槽數(shù)、槽深有利于提升柱塞與管壁密封性（圖4）。因此，將柱塞長(zhǎng)度增加40 mm，槽數(shù)相應(yīng)增加，槽深增加3 mm。

圖2 柱塞物理模型示意圖

圖3 柱塞模型網(wǎng)格劃分圖

2）試驗(yàn)結(jié)束后，拆卸連續(xù)排水型柱塞，發(fā)現(xiàn)柱塞內(nèi)強(qiáng)磁環(huán)碎裂，影響磁力和吸附能力。

通過(guò)分析主要原因有2個(gè)：①材質(zhì)本身的性質(zhì)，燒結(jié)釹鐵硼永磁材料硬度高但韌性差，較脆易碎裂；②柱塞下落與球結(jié)合撞擊力大，球座將力傳導(dǎo)給強(qiáng)磁環(huán)，導(dǎo)致強(qiáng)磁環(huán)碎裂，由于燒結(jié)釹鐵硼永磁材料性質(zhì)不易改變，為此改進(jìn)了柱塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)磁環(huán)與球座之間增加緩沖機(jī)構(gòu)（緩沖膠墊），同時(shí)采用嵌套的方式，設(shè)計(jì)鋼環(huán)保護(hù)套，強(qiáng)磁環(huán)套在鋼環(huán)保護(hù)套外面，撞擊時(shí)鋼環(huán)受力，而強(qiáng)磁環(huán)不直接承受球的沖擊力，可有效避免強(qiáng)磁環(huán)損壞（圖5）。

3）針對(duì)連續(xù)排水型柱塞上行至頂部遇卡，不能下落這一問(wèn)題。分析主要原因是撞擊桿不居中，連續(xù)排水型柱塞內(nèi)通道窄。為了解決這一問(wèn)題，將連續(xù)生產(chǎn)型柱塞最小內(nèi)通徑增大10 mm，同時(shí)設(shè)計(jì)了撞擊桿扶正器，保證撞擊桿始終在管柱中心軸線上，防止柱塞上行至頂端與撞擊桿撞擊時(shí)卡阻。

圖4 不同結(jié)構(gòu)柱塞數(shù)值模擬分析結(jié)果示意圖

圖5 連續(xù)生產(chǎn)型柱塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比圖

4 改進(jìn)后的連續(xù)排水型柱塞室內(nèi)模擬排水試驗(yàn)

對(duì)改進(jìn)后連續(xù)排水型柱塞進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：①連續(xù)排水型柱塞舉升所需氣量由7 000 m3/d減小至3 500 m3/d，大幅降低了柱塞啟動(dòng)壓力，提高了柱塞密封性；②連續(xù)排水型柱塞與鋼球多次碰撞吸合，強(qiáng)磁環(huán)完好未損壞，柱塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有效避免了強(qiáng)磁環(huán)因撞擊損壞；③連續(xù)排水型柱塞整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定，流暢，未發(fā)生遇卡現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）連續(xù)排水型柱塞工作方式可實(shí)現(xiàn)不關(guān)井連續(xù)排液，大幅縮短了柱塞下落時(shí)間，提高了柱塞排水效率。

2） 通過(guò)數(shù)值模擬分析與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)連續(xù)排水型柱塞的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)后的連續(xù)排水型柱塞密封性良好，工作可靠性高，可延長(zhǎng)氣井生產(chǎn)壽命、改善氣田開(kāi)發(fā)效果。