氣井分體式柱塞優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

黃偉明 王尊策 張洪濤 馬文海 徐 艷 張井龍

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；3.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

氣田開發(fā)進(jìn)入遞減階段后， 氣井能量降低，井筒面臨積液風(fēng)險(xiǎn)，需要介入排水采氣措施確保氣田的帶水生產(chǎn)［1］。 其中分體式柱塞舉升工藝具有維護(hù)方便、利于實(shí)現(xiàn)氣井短關(guān)井或不關(guān)井連續(xù)排液的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外逐漸成為了重要的排水采氣工藝之一［2，3］。陳瑤棋和張?jiān)x開展了分體式柱塞室內(nèi)可視化實(shí)驗(yàn)，明確了分體式柱塞與常規(guī)柱塞舉升效率的差別［4］。 張峰超等通過開展分體式柱塞氣舉實(shí)驗(yàn)?zāi)M，得到了在不同進(jìn)液量條件下柱塞上升時(shí)間與注氣量的關(guān)系［5］。 段進(jìn)賢通過理論分析提出了理想的密封槽結(jié)構(gòu)［6］。目前，針對(duì)分體柱塞的理論研究工作集中在室內(nèi)原理性實(shí)驗(yàn)方面，在分體式柱塞的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與流體模擬分析方面的研究工作較少。 由于缺乏有效的分體式柱塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析方法，相當(dāng)一部分氣井在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了柱塞入井困難 （氣量較大）、 下行過程柱塞空心體與密封體提前結(jié)合及未能真正實(shí)現(xiàn)連續(xù)排液等問題［7～9］。 因此，有必要開展系統(tǒng)的流體力學(xué)模擬分析，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)分體式柱塞結(jié)構(gòu)，為工藝的推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)及原理分析

典型空心分體式柱塞結(jié)構(gòu)如圖1 所示，為帶環(huán)槽空心體結(jié)構(gòu)，工作過程中，一般與鋼球配合使用。 在井底，空心體與鋼球結(jié)合，與環(huán)槽形成密封結(jié)構(gòu)，氣流推動(dòng)柱塞將積液攜帶至井口，實(shí)現(xiàn)排液；在井口，空心體與鋼球分離，分別以不同的速度（鋼球速度大于空心體速度）下落至井底［10，11］。與整體式柱塞相比，分體式柱塞可有效降低下降過程中所受阻力，實(shí)現(xiàn)氣井不關(guān)井連續(xù)排液或短關(guān)井排液。

圖1 典型分體式柱塞結(jié)構(gòu)

在柱塞的設(shè)計(jì)過程中，需合理設(shè)計(jì)密封環(huán)槽結(jié)構(gòu)，保證密封性；重點(diǎn)對(duì)分體式柱塞空心體內(nèi)通道進(jìn)行設(shè)計(jì)， 保證二者在井口順利分離和入井，并匹配鋼球與空心體的下落速度，避免下井過程中提前結(jié)合。

2 分體式柱塞數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

合理簡(jiǎn)化柱塞氣舉氣井內(nèi)流動(dòng)條件，以不可壓縮理想氣體作為流動(dòng)介質(zhì)。 柱塞在油管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算為典型的被動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格，即其邊界運(yùn)動(dòng)規(guī)律是未知的，需要通過計(jì)算邊界上的力或力矩來求取邊界的運(yùn)動(dòng)。 具體的模型設(shè)置如下：

模擬方法 RANS

湍流模型 標(biāo)準(zhǔn)k-ε

動(dòng)網(wǎng)格模型 六自由度模型

壓力-速度耦合方法 SIMPLE

梯度插值 最小二乘法

壓力插值 Standard

對(duì)流插值 Second Order Upwind

壁面函數(shù) 非平衡壁面函數(shù)

精度 1×10-5

依據(jù)大慶油田典型氣井工況設(shè)置模擬邊界條件，具體設(shè)置如下：

日產(chǎn)氣量Q 1×105m3/d

入口平均速度Vin14.5m/s

平均套壓Pc3MPa

平均溫度T 55℃

2.2 柱塞環(huán)槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化

柱塞外部環(huán)形槽對(duì)柱塞密封性能有著決定性作用。 文獻(xiàn)［4］中給出，圓弧形槽結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻力作用最為明顯，可作為柱塞密封性能優(yōu)化的主要結(jié)構(gòu)。 因此，目前分體式柱塞優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)柱塞內(nèi)孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

在關(guān)井狀態(tài)下，無論壓力如何，通孔越大，則下井速度越快；而通孔越大，密封體所需直徑就越大，它在井筒中的運(yùn)動(dòng)速度必然更低，這就增加了二者在運(yùn)行中結(jié)合的可能性。 未關(guān)井條件下若柱塞產(chǎn)生的阻力作用過大， 在某些工況下，柱塞會(huì)出現(xiàn)無法下井的情況。 針對(duì)此問題，應(yīng)通過優(yōu)化其內(nèi)孔結(jié)構(gòu)提升柱塞的下井能力。

筆者參考文丘里噴嘴結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)柱塞內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，以期通過該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)壓提升柱塞性能［12，13］。其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由左至右依次為收縮段、喉管段與擴(kuò)散段，其關(guān)鍵參數(shù)為收縮角α、喉管直徑d 和擴(kuò)散角β。

圖2 文丘里管結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)油管與柱塞尺寸，參考常用文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)參數(shù)組合（表1）。

表1 文丘里管內(nèi)孔尺寸參數(shù)

為了使研究的問題簡(jiǎn)化， 認(rèn)為內(nèi)孔尺寸參數(shù)之間無影響，隨機(jī)固定兩個(gè)參數(shù)的條件下，分析第3 個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律，采用單因素組合形式［14，15］，在不同參數(shù)組合下，模擬計(jì)算結(jié)果見表2，部分參數(shù)的文丘里內(nèi)孔分體柱塞內(nèi)外部速度場(chǎng)和壓力場(chǎng) 分布如圖3 所示。

表2 不同參數(shù)組合下文丘里內(nèi)孔柱塞關(guān)井狀態(tài)下井速度

（續(xù)表2）

圖3 不同參數(shù)的文丘里內(nèi)孔分體柱塞內(nèi)外部速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布

由表2 可以看出，當(dāng)收縮角為50°，喉管直徑為32mm，擴(kuò)散角為8°時(shí)，分體柱塞的下井速度最大。 由圖3 可以看出，當(dāng)液體由文丘里形式的柱塞內(nèi)孔流出時(shí)，由于其內(nèi)徑減小，速度增加，因此在喉管部位會(huì)形成一定的低壓區(qū)。 由于低壓區(qū)距離柱塞下端面較近，柱塞上下壓差降低，作用在液體上的流體力也隨之下降，可使柱塞以更快的速度運(yùn)行。 但需注意是，喉管段直徑不能過小，如圖3a 所示的22mm 喉管，由于縮頸過小，產(chǎn)生節(jié)流損失的反作用力會(huì)增加柱塞下行的阻力，減緩柱塞下行速度。

分析表2 還可以發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)參數(shù)中，對(duì)柱塞下井速度影響最為顯著的參數(shù)為喉管直徑，即喉管直徑越大，速度越快。 因此，在上述參數(shù)范圍的基礎(chǔ)上， 對(duì)喉管直徑進(jìn)行擴(kuò)展， 分別選取收縮角50°， 擴(kuò)散角8°條件下， 喉管直徑為34mm 與36mm 的柱塞進(jìn)行計(jì)算， 并將計(jì)算得到的下井速度列于表3。

表3 擴(kuò)展參數(shù)文丘里內(nèi)孔柱塞下井速度

由表3 可以看出，當(dāng)喉管直徑達(dá)到34mm 以上時(shí)，其下井速度反而有所下降，這是因?yàn)楹砉苓^大時(shí)，文丘里效應(yīng)將不再明顯，柱塞的受力條件更接近于通孔柱塞。 因此確定喉管直徑為32mm 時(shí)，柱塞下井速度最快。

這里還將通孔與文丘里管型柱塞進(jìn)行了對(duì)比，柱塞自重基本相同的情況下，在氣體中，文丘里型內(nèi)孔柱塞的下井速度要比通孔柱塞的快1.5m/s 以上。

根據(jù)密封環(huán)槽的密封機(jī)理分析，并結(jié)合傳統(tǒng)分體式柱塞的典型問題，最終設(shè)計(jì)了如圖4 所示的分體式柱塞。

圖4 圓弧形槽分體式柱塞結(jié)構(gòu)示意圖

此結(jié)構(gòu)分體式柱塞的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

a. 在柱塞體外部， 設(shè)計(jì)了圓弧形槽結(jié)構(gòu)，以提高其密封性；

b. 柱塞體內(nèi)部采用如圖4 所示的文丘里內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)流體向上流過時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)壓，作用于柱塞之時(shí)，方向向下，促使柱塞向下運(yùn)行；

c. 錐孔可以保證分離頂桿能夠順利進(jìn)入柱塞內(nèi)孔，實(shí)現(xiàn)柱塞體與密封體的分離；

d. 其密封體仍采用小球結(jié)構(gòu)，但球徑可以在一定程度上減小， 可以提升小球向下運(yùn)行的速度，保證柱塞與小球不提前結(jié)合。

3 分體式柱塞的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

選取優(yōu)化后文丘里內(nèi)孔-圓弧形槽柱塞開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)， 進(jìn)一步驗(yàn)證該柱塞的實(shí)際應(yīng)用性能。采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示，可模擬柱塞的全周期運(yùn)行工況。

圖5 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

3.1 分體式柱塞上行排液實(shí)驗(yàn)

柱塞投入井中， 在井筒內(nèi)注入一定量的水，記錄柱塞上部液柱高度。 開啟進(jìn)氣閥門，觀察柱塞排液過程。 當(dāng)柱塞完成單次排液后，回落到緩沖器后，計(jì)量排液后液柱高度，計(jì)算單次漏失量。通過多次測(cè)量，將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表4。

表4 分體式柱塞排液效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，分體式柱塞具有良好的排液效果，單次排液后，除了管壁少量附著的液體滑落下來之外， 絕大多數(shù)液體均被排出，實(shí)驗(yàn)工況時(shí)其漏失量都在1%以下。 表明環(huán)槽結(jié)構(gòu)合理，柱塞空心體與密封體匹配良好。

3.2 分體式柱塞總體運(yùn)行情況實(shí)驗(yàn)

分體式柱塞總體運(yùn)行情況的實(shí)驗(yàn)過程：在井筒內(nèi)注入一定量的水，開啟進(jìn)氣閥門，使分體式柱塞開始運(yùn)行，觀察分體式柱塞運(yùn)行情況，對(duì)其總體排液效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。 通過實(shí)驗(yàn)表明分體式柱塞能夠順利完成上行排液， 不關(guān)井自動(dòng)回落過程，可成功實(shí)現(xiàn)不關(guān)井連續(xù)排液，在實(shí)驗(yàn)條件下，至多兩次即可將井筒內(nèi)的液體全部排出，單次液體基本無漏失。

4 結(jié)論

4.1 文丘里結(jié)構(gòu)內(nèi)孔的分體式柱塞下井速度的主要影響參數(shù)為喉管直徑。 喉管直徑過小，則產(chǎn)生節(jié)流損失，增加柱塞下行阻力，減緩柱塞下行速度；喉管直徑過大，文丘里效應(yīng)將不再明顯，其下井速度反而下降。

4.2 在徐深氣田工況下，數(shù)值模擬優(yōu)化確定的文丘里結(jié)構(gòu)內(nèi)孔的分體式柱塞最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為收縮角50°，擴(kuò)散角8°條件下，喉管直徑為32mm。

4.3 所提出的柱塞結(jié)構(gòu)， 可促進(jìn)柱塞向下運(yùn)行，同時(shí)可避免密封體外徑過大而提前結(jié)合，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)柱塞在排液和總體運(yùn)行過程中密封性能良好，且能夠?qū)崿F(xiàn)不關(guān)井連續(xù)排液，下一步應(yīng)該繼續(xù)開展此結(jié)構(gòu)柱塞的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。