連續(xù)柱塞氣舉工藝設(shè)計及在塔里木凝析氣田的應(yīng)用

段玉明， 王法鑫， 雷騰蛟， 李 燕, 董豐碩

(1塔里木油田開發(fā)事業(yè)部 2玉門油田分公司老君廟采油廠)

在塔里木油田JF凝析氣田，部分井產(chǎn)液量高(50～100 t/d)、氣液比高(100～300 m3/m3)、產(chǎn)出水礦化度高；氣藏壓力下降后，產(chǎn)出氣攜液能力下降，不足以將產(chǎn)出水帶出地面，造成井筒積水；積水到一定程度后，井口油壓落零，停噴關(guān)井，處于臨界自噴狀態(tài)；關(guān)井約一周后地層壓力恢復(fù)，開井自噴生產(chǎn)約一周后又進入關(guān)井周期；且開井周期逐步縮短，關(guān)井周期延長，無有效排液采氣技術(shù)可用，于是，設(shè)計了連續(xù)柱塞氣舉排液采氣工藝技術(shù)。

連續(xù)柱塞氣舉工藝技術(shù)與常規(guī)柱塞氣舉技術(shù)類似，采用連續(xù)氣舉柱塞代替?zhèn)鹘y(tǒng)彈片柱塞，井口無控制部分，只安裝防噴管、柱塞到位器檢測器、捕捉器和減震器，用于柱塞防撞和捕捉、檢查柱塞；柱塞無控制，依靠產(chǎn)層天然能量、柱塞結(jié)構(gòu)和自重，舉升系統(tǒng)自平衡運行，達到排液采氣的目的。

一、連續(xù)柱塞氣舉原理

連續(xù)柱塞由一個活動的中心桿和一個中空的彈片柱塞組成，柱塞下落到承接器后，活動中心桿上的密封裝置封住了柱塞的中心泄流孔，柱塞變成了一個傳統(tǒng)彈片柱塞，柱塞中心流體通道自動關(guān)閉，依靠柱塞下部聚集的氣柱能量推動柱塞上行[1]；柱塞到達采油樹后的生產(chǎn)翼后，柱塞底部壓力釋放[2]，柱塞上下壓力平衡，柱塞處于自由狀態(tài)，中心桿依靠重力下行，柱塞中心泄流孔打開，井內(nèi)流體經(jīng)過柱塞中心泄流孔和柱塞與油管壁的間隙產(chǎn)出，柱塞靠自重開始下行(如圖1所示)，柱塞在重力作用下下落至承接器，中心桿再次密封住柱塞中心泄流孔，氣體在柱塞底部聚集形成氣柱，開始進入新的舉升周期[3]；該工藝設(shè)計實現(xiàn)了不關(guān)井連續(xù)生產(chǎn)，在提高氣井舉升效率的同時，也避免了井筒積液使油氣井停噴關(guān)井[4]，提高了生產(chǎn)時率。

圖1 連續(xù)柱塞開關(guān)狀態(tài)示意圖

二、連續(xù)柱塞的設(shè)計

柱塞舉升系統(tǒng)是利用關(guān)井期間儲存在環(huán)空以及油管內(nèi)柱塞之下的氣體能量[5]，把柱塞和柱塞之上的液柱舉升到地面；在操作柱塞舉升系統(tǒng)時，只有油、套之間的環(huán)空壓力和柱塞之下的聚集的氣柱壓力，被考慮作為柱塞的舉升能量。

當(dāng)柱塞向上運動到接近地面時，這些作用在柱塞橫截面上的力，可以用式(1)計算；在接近地面時，氣體的膨脹能量處于最弱的時候[6]。 公式(1)為最小套壓的計算公式。

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

(1)

一旦計算出最小的套壓pcmin，那么平均套壓pcavg和最大套壓pcmax可以通過式(2)、式(3)進行計算：

pcavg=[1+(At/(2Aa)]×pcmin

(2)

pcmax=[(At+Aa)/Aa]×pcmin

(3)

每周循環(huán)所需要氣體的體積:

Mcf=C×D×pcavg

(4)

三、柱塞上升和下降的速度的選擇

在氣井中，傳統(tǒng)膨脹柱塞下降速度在5～10 m/s之間；工程師Foss和Gaul曾提到了用10 m/s這一下降速度并將其帶入相關(guān)公式中進行計算；Abercrombie認為這個速度對一般情況是偏高，并在他的計算中使用了5 m/s；實際上，如果使用可膨脹緩沖墊型柱塞、擺動墊圈型柱塞或刮削型柱塞時，柱塞在氣體中的下降速度可以低至0.9 m/s；而連續(xù)柱塞由于在下行過程中中間的泄流通道打開，柱塞下行浮力減小，柱塞下行速度增加，下行速度可以達到10 m/s甚至更高；設(shè)計時連續(xù)柱塞在氣體中的下降速度選10 m/s。

傳統(tǒng)彈片柱塞在液體中的下降速度在0.1～1.3 m/s之間；Foss和Gaul采用了0.9 m/s；連續(xù)柱塞由于在下行過程中柱塞中間的泄流通道打開，柱塞下行阻力減小，下行速度增加；且下行過程未關(guān)井停產(chǎn)，油管內(nèi)仍有流體產(chǎn)出，對柱塞產(chǎn)生上浮力，兩者作用疊加，連續(xù)柱塞下行速度為0.5～1.3 m/s，工程師D.Paul設(shè)計時選擇0.85 m/s。

柱塞的平均上升速度在3.8～10 m/s之間，一般用5 m/s；通常上升速度越慢，舉升效率越高；缺點是可能會產(chǎn)生卡塞的事故，應(yīng)根據(jù)不同井況采取措施控制柱塞上升速度；如果柱塞與油管之間的密封條件很好，可以使柱塞的上升速度控制在5 m/s以下；較低的上升速度可以使平均套壓保持在一個較低的水平，使油藏壓降達到最大，達到較好的舉升效果。A井井口有油嘴控制(?5 mm)，氣藏產(chǎn)出液量較大(≥50 t/d)，連續(xù)柱塞上行液體阻力較大，D.Paul認為上行速度可以減緩到1～2.5 m/s，設(shè)計選擇1.7 m/s。

四、柱塞的循環(huán)時間

設(shè)定M(續(xù)流時間)和N(純套壓恢復(fù)時間)為0，利用公式(5)確定初始每天循環(huán)次數(shù)；利用關(guān)井時油、套壓的差值除以0.433可以判斷液柱高度hf；利用每天產(chǎn)出液體的量，可以計算承接器的下入深度D；為了得到一個完整循環(huán)所需要的時間，應(yīng)保守地估計柱塞上升與下降的速度；連續(xù)柱塞工藝設(shè)計的關(guān)鍵，是柱塞在氣體和液體中上行和下行速度的測定與選擇。

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

(5)

五、連續(xù)柱塞氣舉技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用

A井是塔里木油田JF凝析氣田的一口凝析氣井，2019年1月射開T油組凝析氣層(4 042～4 048 m)，自噴生產(chǎn)；2019年4月井筒積液停噴后，轉(zhuǎn)連續(xù)柱塞氣舉生產(chǎn)。

用式(1)～式(5)，輸入表1參數(shù)進行計算，可計算出A井連續(xù)柱塞氣舉設(shè)計參數(shù)，計算結(jié)果見表2。

表1 A井柱塞氣舉設(shè)計參數(shù)

表2 A井連續(xù)柱塞氣舉設(shè)計結(jié)果

由于該井原生產(chǎn)管柱為帶3級氣舉閥的開式氣舉管柱，2015年8月轉(zhuǎn)柱塞后用制氮車環(huán)空氣舉排液成功，啟動連續(xù)柱塞生產(chǎn)，柱塞運行周期為柱塞上行30 min、柱塞下行 60 min，滯后時間為0，日運行16周，實現(xiàn)連續(xù)不關(guān)井生產(chǎn)；初期與自噴生產(chǎn)相比，平均日增油 10 t(表3、圖2)。

表3 A井連續(xù)柱塞氣舉與自噴期的生產(chǎn)參數(shù)對比

圖2 A井2019年生產(chǎn)參數(shù)曲線

六、結(jié)論

(1)連續(xù)柱塞氣舉工藝的應(yīng)用，減少了A氣井井筒積液， 油壓和產(chǎn)液量大幅上升，柱塞日運行16周，運行、生產(chǎn)參數(shù)平穩(wěn)，最高日產(chǎn)液達到90 m3/d；打破了常規(guī)柱塞氣舉需長時間關(guān)井恢復(fù)井底壓力的限制，大幅度提高了氣井的舉升效率。

(2)連續(xù)柱塞該工藝的成功設(shè)計，對氣井氣液比的要求也在降低；技術(shù)上突破中石油Q/SY 1014-2017《柱塞氣舉技術(shù)規(guī)范》中要求的“油套連通時，生產(chǎn)氣液比不小于200 m3/m3/1 000 m”的限制；目前該井生產(chǎn)氣液比為107 m3/m3，柱塞運行良好，舉升效率優(yōu)良。

(3)連續(xù)柱塞氣舉工藝適用于生產(chǎn)氣液比大于120 m3/m3的油氣井，可用于油井采油和氣井排液采氣；根據(jù)常油氣產(chǎn)量不同，優(yōu)選不同規(guī)格油管和完井管柱結(jié)構(gòu)，完井管柱應(yīng)配套氣舉閥，充分利用井筒氣體能量。

(4)該工藝的應(yīng)用的連續(xù)柱塞，在結(jié)蠟井存在柱塞的中心泄流孔積蠟關(guān)閉不嚴的風(fēng)險，在此類井應(yīng)慎用。