氣井連續排水型柱塞研制

張洪濤 馬文海 馬品剛 李 楠 王長根 劉文君

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

0 引言

大慶油田超過30%的氣井處于生產中后期，不同程度產水，產氣量遠低于臨界攜液流量，因此井筒內液體滑脫損失嚴重，井筒內積液越來越多、產量下降越來越快，最后導致間歇式生產甚至關井停產。柱塞氣舉是目前公認解決此類氣井嚴重液體滑脫損失、無法連續生產問題的重要工藝措施。在北美地區，對于中低產水量氣井以機械排水為主，柱塞排水技術應用廣泛，美國俄亥俄州Mi11ersbrg的Products公司研究的柱塞舉升技術，可確保從安裝有油管的任意井中舉升液體，以低成本產生可重復利用的氮氣提供舉升氣壓，實現柱塞連續排液[1-2]。但常規柱塞氣舉比較明顯的缺點是柱塞下落時間長，需要較長的關井時間，以使柱塞回落到井底，因此生產效率較低[3-4]；同時，如果井內積液較多，較長的關井時間不僅會影響氣井生產時率，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”，嚴重影響氣藏采收率。為此，需要設計新型柱塞，通過改進柱塞結構，在滿足柱塞舉升排液基本作用的前提下，大幅減少柱塞關井下落時間，提高開井時率，實現不關井連續排水。

1 連續排水型柱塞工作原理

1.1 常規柱塞排水采氣工藝原理

常規柱塞排水工藝是依靠氣井自身產出的氣體作為工作能源，柱塞作為整個生產管柱內上下運動的活塞。在舉升過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]。常規柱塞運行過程是先關閉生產管線，柱塞穿過油管內氣液下落，柱塞下落至柱塞緩沖器處，柱塞下方氣體得到能量開始恢復，地面控制器打開控制閥，環空液面下降，天然氣推動柱塞及其上方的液體上行，液體舉升出井口后，柱塞依靠井內的壓力停留在井口的捕捉器中，生產一段時間后，井下產出一定的液體，控制器指令控制閥關閉，柱塞依靠自身重力下落。整個過程循環往復，實現排出井底積液，恢復氣井產能的目的[9-13]。

1.2 連續生產型柱塞系統組成

相較于常規柱塞，連續生產型柱塞系統主要包括：井口緩沖裝置及撞擊桿，連續排水型柱塞和井下緩沖裝置。其中連續排水型柱塞主要由柱塞套、強磁環、球座、球座外套和密封圈組成。

1.3 連續生產型柱塞排水采氣工藝原理

連續生產型柱塞是依靠強磁吸附原理將有中心通道的柱塞套與鋼球吸合，吸合成一體后帶動其上部液體段塞運行至井口，完成上行排液過程。到達井口時，利用撞擊桿撞擊實現柱塞套與鋼球分離，分別先后下落，在下落過程中井筒中的氣液兩相流能夠通過鋼球周圍和有中心通道的柱塞套向上流動，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，關井時間縮短，為增加氣井產量創造條件。下落至井下緩沖裝置重新吸合，完成一個循環舉液周期（圖1）。

1.4 強磁吸附結構設計及材質優選

圖1 連續排水型柱塞工作原理示意圖

強磁吸附結構是連續排水型柱塞的核心部件。在設計過程中重點考慮了材質選型和結構優化的問題。

在材質選型方面，重點分析了井下工況對材質磁性的影響：①高溫環境（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用，例如井下強磁打撈器，而常規燒結釹鐵硼永磁材料的熱穩定性較差，當溫度超過80℃時，磁性相應減弱，為適應井下高溫環境，優選了高矯頑力系列的燒結釹鐵硼永磁材料，其工作溫度上限可達150℃，制備工藝主要是采用晶粒細化技術和晶界擴散與摻雜技術來提高其矯頑力，從而提高磁體高溫磁性能；②井下腐蝕環境，由于釹鐵硼中稀土元素釹的性質活潑，導致合金的耐蝕性能差，在濕熱環境中極易生銹腐蝕，縮短了磁體壽命，為提高其防腐性能，在磁體表面鍍一層鎳，從而達到防腐要求。

在結構優化設計方面，重點考慮吸合與分離整個工藝過程，要保證吸得住、分得開。由此設計了捅桿分離機構，配套設計的強磁吸附環型結構，在強磁環下部設計導磁球座，增大與鋼球的接觸面積，實現吸得住；當柱塞運行到井口時，捅桿對鋼球軸線上部集中施加瞬間撞擊力，實現了可分離。

2 連續排水型柱塞室內原理性試驗

2.1 可視化模擬試驗裝置

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

2.2 試驗過程

用臺秤對連續排水型柱塞稱重后，在模擬試驗裝置內裝入連續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。先打開進液閥，當柱塞頂部液柱高度為0.5 m時，停止進液。再打開進氣閥，逐漸增大氣體流量，當柱塞開始上行時，穩定氣體流量，并記錄啟動氣體流量、氣體壓力和柱塞上行時間。觀察鋼球與柱塞套的分離情況。當分體式柱塞開始下行時，記錄鋼球下落時間，柱塞套下落時間。關閉進氣閥，觀察鋼球與柱塞本體的吸合情況，測量柱塞一個行程后液柱的高度。

2.3 試驗結論及效果分析

1）試驗結論：通過原理性試驗驗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工藝過程的可行性，連續排水型柱塞系統可實現不關井連續舉液。同時柱塞與密封件強磁結合的設計保證了上行舉液過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柱塞進行捕捉，便于檢修。

2）試驗中暴露的問題：①連續排水型柱塞啟動壓力高，上行運動不穩定，有氣竄現象；②試驗結束后發現連續排水型柱塞內強磁環碎裂；③連續排水型柱塞上行至頂部遇卡，不能下落。

3 連續排水型柱塞結構優化設計

根據原理性實驗暴露出的問題，對連續排水型柱塞結構進行了優化改進。

1）分析連續排水型柱塞啟動壓力高、上行運動不穩定、氣竄現象的主要原因是由柱塞外部結構與管壁之間的密封性不好引起氣竄，從而導致舉升壓力損失。

為了提高柱塞密封性，對柱塞外部環形槽結構進行了優化。連續排水型柱塞外部環形槽作用是實現動密封，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。應用數值模擬軟件，對外部環形槽結構進行初步模擬，分析不同環槽結構參數對動密封效果的影響規律。通過建立不同溝槽數，溝槽深的柱塞物理模型（圖2），考慮重力影響和水滴破碎、聚合等過程，選用離散相模型，采用非結構化網格，網格劃分總數超過300×104（圖3）。選取出口段氣相速度和湍流強度作為密封性的評價指標[14-16]。初步模擬結果表明：增加槽數、槽深有利于提升柱塞與管壁密封性（圖4）。因此，將柱塞長度增加40 mm，槽數相應增加，槽深增加3 mm。

圖2 柱塞物理模型示意圖

圖3 柱塞模型網格劃分圖

2）試驗結束后，拆卸連續排水型柱塞，發現柱塞內強磁環碎裂，影響磁力和吸附能力。

通過分析主要原因有2個：①材質本身的性質，燒結釹鐵硼永磁材料硬度高但韌性差，較脆易碎裂；②柱塞下落與球結合撞擊力大，球座將力傳導給強磁環，導致強磁環碎裂，由于燒結釹鐵硼永磁材料性質不易改變，為此改進了柱塞內部結構，在強磁環與球座之間增加緩沖機構（緩沖膠墊），同時采用嵌套的方式，設計鋼環保護套，強磁環套在鋼環保護套外面，撞擊時鋼環受力，而強磁環不直接承受球的沖擊力，可有效避免強磁環損壞（圖5）。

3）針對連續排水型柱塞上行至頂部遇卡，不能下落這一問題。分析主要原因是撞擊桿不居中，連續排水型柱塞內通道窄。為了解決這一問題，將連續生產型柱塞最小內通徑增大10 mm，同時設計了撞擊桿扶正器，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卡阻。

圖4 不同結構柱塞數值模擬分析結果示意圖

圖5 連續生產型柱塞內部結構改進前后對比圖

4 改進后的連續排水型柱塞室內模擬排水試驗

對改進后連續排水型柱塞進行室內模擬試驗驗證，室內模擬試驗結果表明：①連續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壓力，提高了柱塞密封性；②連續排水型柱塞與鋼球多次碰撞吸合，強磁環完好未損壞，柱塞內部結構的改進有效避免了強磁環因撞擊損壞；③連續排水型柱塞整個運動過程穩定，流暢，未發生遇卡現象。

5 結論

1）連續排水型柱塞工作方式可實現不關井連續排液，大幅縮短了柱塞下落時間，提高了柱塞排水效率。

2） 通過數值模擬分析與室內試驗相結合的方式對連續排水型柱塞的內外部結構進行了優化，改進后的連續排水型柱塞密封性良好，工作可靠性高，可延長氣井生產壽命、改善氣田開發效果。