連續(xù)柱塞氣舉工藝設(shè)計(jì)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(kāi)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(kāi)井自噴生產(chǎn)約一周后又進(jìn)入關(guān)井周期；且開(kāi)井周期逐步縮短，關(guān)井周期延長(zhǎng)，無(wú)有效排液采氣技術(shù)可用，于是，設(shè)計(jì)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(wú)控制部分，只安裝防噴管、柱塞到位器檢測(cè)器、捕捉器和減震器，用于柱塞防撞和捕捉、檢查柱塞；柱塞無(wú)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(yùn)行，達(dá)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(gè)活動(dòng)的中心桿和一個(gè)中空的彈片柱塞組成，柱塞下落到承接器后，活動(dòng)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(gè)傳統(tǒng)彈片柱塞，柱塞中心流體通道自動(dòng)關(guān)閉，依靠柱塞下部聚集的氣柱能量推動(dòng)柱塞上行[1]；柱塞到達(dá)采油樹(shù)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(kāi)，井內(nèi)流體經(jīng)過(guò)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(kāi)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(kāi)始進(jìn)入新的舉升周期[3]；該工藝設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)，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(shí)率。

圖1 連續(xù)柱塞開(kāi)關(guān)狀態(tài)示意圖

二、連續(xù)柱塞的設(shè)計(jì)

柱塞舉升系統(tǒng)是利用關(guān)井期間儲(chǔ)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(shí)，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(yùn)動(dòng)到接近地面時(shí)，這些作用在柱塞橫截面上的力，可以用式(1)計(jì)算；在接近地面時(shí)，氣體的膨脹能量處于最弱的時(shí)候[6]。 公式(1)為最小套壓的計(jì)算公式。

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

(1)

一旦計(jì)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(guò)式(2)、式(3)進(jìn)行計(jì)算：

pcavg=[1+(At/(2Aa)]×pcmin

(2)

pcmax=[(At+Aa)/Aa]×pcmin

(3)

每周循環(huán)所需要?dú)怏w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(jìn)行計(jì)算；Abercrombie認(rèn)為這個(gè)速度對(duì)一般情況是偏高，并在他的計(jì)算中使用了5 m/s；實(shí)際上，如果使用可膨脹緩沖墊型柱塞、擺動(dòng)墊圈型柱塞或刮削型柱塞時(shí)，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(guò)程中中間的泄流通道打開(kāi)，柱塞下行浮力減小，柱塞下行速度增加，下行速度可以達(dá)到10 m/s甚至更高；設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)程中柱塞中間的泄流通道打開(kāi)，柱塞下行阻力減小，下行速度增加；且下行過(guò)程未關(guān)井停產(chǎn)，油管內(nèi)仍有流體產(chǎn)出，對(duì)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(jì)時(shí)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(diǎn)是可能會(huì)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(gè)較低的水平，使油藏壓降達(dá)到最大，達(dá)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(rèn)為上行速度可以減緩到1～2.5 m/s，設(shè)計(jì)選擇1.7 m/s。

四、柱塞的循環(huán)時(shí)間

設(shè)定M(續(xù)流時(shí)間)和N(純套壓恢復(fù)時(shí)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(shí)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(jì)算承接器的下入深度D；為了得到一個(gè)完整循環(huán)所需要的時(shí)間，應(yīng)保守地估計(jì)柱塞上升與下降的速度；連續(xù)柱塞工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是柱塞在氣體和液體中上行和下行速度的測(cè)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(chǎng)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(kāi)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(jìn)行計(jì)算，可計(jì)算出A井連續(xù)柱塞氣舉設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 A井柱塞氣舉設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 A井連續(xù)柱塞氣舉設(shè)計(jì)結(jié)果

由于該井原生產(chǎn)管柱為帶3級(jí)氣舉閥的開(kāi)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(dòng)連續(xù)柱塞生產(chǎn)，柱塞運(yùn)行周期為柱塞上行30 min、柱塞下行 60 min，滯后時(shí)間為0，日運(yùn)行16周，實(shí)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(duì)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(yùn)行16周，運(yùn)行、生產(chǎn)參數(shù)平穩(wěn)，最高日產(chǎn)液達(dá)到90 m3/d；打破了常規(guī)柱塞氣舉需長(zhǎng)時(shí)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(jì)，對(duì)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(shí)，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(yùn)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(yán)的風(fēng)險(xiǎn)，在此類井應(yīng)慎用。