智能柱塞瞬時(shí)運(yùn)行速度研究與應(yīng)用

翟中波*

（斯倫貝謝長(zhǎng)和油田工程有限公司）

0 引言

X井區(qū)位于延安市以北、鄂爾多斯盆地天然氣富集區(qū)的南緣，屬于致密氣項(xiàng)目。產(chǎn)水氣井在生產(chǎn)一段時(shí)間后，近井筒地帶地層壓力逐漸減小，生產(chǎn)壓差隨即降低，造成氣量下降，在低于臨界攜液氣量時(shí)天然氣不能正常攜液，使得液滴在井筒下部不斷積聚，增大井底流壓，最終減小氣產(chǎn)量，造成氣井積液甚至水淹不能生產(chǎn)[1-3]。

X井區(qū)部分積液井井身結(jié)構(gòu)為?139.7 mm套管＋?73.02 mm油管。針對(duì)帶環(huán)空的積液氣井，柱塞作為一種排水采氣措施，使用廣泛，具有無(wú)需改變井身結(jié)構(gòu)、無(wú)需外界能量、無(wú)儲(chǔ)層傷害、作業(yè)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)。柱塞，顧名思義，為柱狀塞子，是依靠氣井自身能量將柱塞和其上液體上推至地面的一種排水采氣工具[4-5]。柱塞在舉升氣體和被舉升液體間形成“封隔”[6-7]，但是上行過(guò)程需要使速度達(dá)到一定值才能起到氣液封隔的作用，即所謂的“速度密封”，但如果柱塞上行速度太大，到達(dá)地面快速撞擊防噴管，容易損壞地面壓力控制設(shè)備或管道，造成油氣泄漏，發(fā)生安全環(huán)保事故。同樣，柱塞下行的速度也要根據(jù)氣井壓力恢復(fù)及安全要求進(jìn)行調(diào)試，過(guò)快或者過(guò)慢都有不利影響。

關(guān)于柱塞上行速度，Lynn[8]描述的行業(yè)推薦值為2.54～5.08 m/s，最優(yōu)值為3.81 m/s；黨曉峰等[9]認(rèn)為柱塞上行速度在 3.81～5.08 m/s時(shí)氣舉效率最高；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司《柱塞氣舉技術(shù)規(guī)范》中推薦上行速度為 3.3～5 m/s。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，常規(guī)柱塞僅通過(guò)井下限位器安裝深度和開(kāi)井后柱塞由井底到達(dá)地面防噴管的時(shí)長(zhǎng)簡(jiǎn)單計(jì)算柱塞上行平均速度。Foss和Gaul[10]通過(guò)24口井的實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)得柱塞平均上行速度為5.08 m/s，Lynn測(cè)得了10口井上行速度，平均值為4.84 m/s。關(guān)于柱塞下行速度，Acosta[11]自制簡(jiǎn)易裝置對(duì)豎直井中不同介質(zhì)條件下的柱塞下行速度進(jìn)行了研究，但是由于其試驗(yàn)裝置下行行程較短，速度值沒(méi)有很好的參考意義，僅用于研究柱塞在不同介質(zhì)中的下行速度之間的數(shù)量關(guān)系。Foss和Gaul測(cè)得：在天然氣中，柱塞下行速度為4.58～15.27 m/s，最優(yōu)值10.28 m/s；在密度為 875 kg/m3的原油中，柱塞下行速度為0.874 m/s。

上述所有研究?jī)H針對(duì)豎直井整個(gè)柱塞行程測(cè)得平均速度，對(duì)于其他S型井、水平井等井型沒(méi)有做出研究，并且不能確定不同深度對(duì)應(yīng)的柱塞速度，液體滑脫情況就無(wú)從判斷。另外，常規(guī)柱塞通過(guò)氣動(dòng)薄膜閥的開(kāi)關(guān)井控制柱塞的上行下落，易造成井筒激動(dòng)和液體滑脫，降低柱塞效率。且運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法監(jiān)測(cè)速度、壓力、溫度等參數(shù)，屬于粗放式排水采氣。為此，X井區(qū)引進(jìn)智能柱塞。智能柱塞可依托內(nèi)置的加速度傳感器結(jié)合井身結(jié)構(gòu)得到上行過(guò)程中沿井筒的速度分布，及時(shí)調(diào)整參數(shù)確保柱塞高效運(yùn)行。結(jié)合井身結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)工程師能精確監(jiān)控氣井生產(chǎn)狀況，并對(duì)柱塞運(yùn)行制度進(jìn)行優(yōu)化，降低油套壓差，提高氣液產(chǎn)量、采氣時(shí)率和最終采收率。

1 智能柱塞排水采氣

常規(guī)柱塞氣舉排水采氣周期分為關(guān)井復(fù)壓、開(kāi)井氣舉、連續(xù)生產(chǎn)3個(gè)階段。智能柱塞和常規(guī)柱塞原理相同，包含井口裝置、井內(nèi)設(shè)備、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)3個(gè)部分。與常規(guī)柱塞不同之處包括3個(gè)方面。①智能柱塞中內(nèi)置了加速度、溫度和壓力傳感器，獲取的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于柱塞的存儲(chǔ)單元，柱塞上行至井口被捕捉后，人工將此柱塞每個(gè)工藝循環(huán)中收集的信息（溫度、壓力、加速度）導(dǎo)出，遠(yuǎn)程發(fā)送到云服務(wù)器和客戶(hù)端?？蛻?hù)端遠(yuǎn)程控制平臺(tái)可以根據(jù)氣井參數(shù)遠(yuǎn)程調(diào)大調(diào)小節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)柱塞上行下行，控制模式有定時(shí)開(kāi)關(guān)、定壓開(kāi)關(guān)、人工開(kāi)關(guān)等方式。②智能柱塞改造采氣樹(shù)結(jié)構(gòu)使其內(nèi)通徑和生產(chǎn)油管一致，避免柱塞到達(dá)井口后由于流道變大造成液體滑脫下落，柱塞不能進(jìn)入防噴管而節(jié)流造成排水采氣效果差。③智能柱塞可以按照設(shè)定的壓力和時(shí)間自動(dòng)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)針閥開(kāi)度（開(kāi)度范圍 0～999），柱塞運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中氣井始終保持生產(chǎn)狀態(tài)。

圖1所示為智能柱塞的3個(gè)周期。①關(guān)井復(fù)壓階段。常規(guī)柱塞關(guān)井直接截?cái)嚓P(guān)井。本智能柱塞采用流量調(diào)節(jié)閥（針閥開(kāi)度 200/999），保持小流量生產(chǎn)，一方面減小液體滑脫，提升單次排水效率；另一方面避免全開(kāi)全關(guān)氣井減小井筒激動(dòng)，從而避免地面設(shè)備甚至儲(chǔ)層的傷害。②開(kāi)井氣舉階段。根據(jù)單次排液量和柱塞上行速度實(shí)測(cè)值，調(diào)節(jié)針閥開(kāi)度（600/999～750/999），實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。③連續(xù)生產(chǎn)階段。該階段在氣井自主排液結(jié)束之后開(kāi)始，此時(shí)針閥開(kāi)度調(diào)至最大（999/999），保持全開(kāi)狀態(tài)，提高單次采氣效率。

圖1 智能柱塞小流量動(dòng)態(tài)液柱舉升周期示意圖

圖2為單周期內(nèi)常規(guī)柱塞與智能柱塞的氣量對(duì)比（2021-04-06的數(shù)據(jù)為例），可以看出：常規(guī)柱塞在關(guān)井復(fù)壓階段氣量降為 0，井筒內(nèi)的液滴會(huì)逐漸回落，滑脫效應(yīng)增大；智能柱塞由于關(guān)井復(fù)壓階段自動(dòng)針閥仍然保持 200/999的開(kāi)度，氣井保持2 300 m3/d的氣量生產(chǎn)，在降低井筒激動(dòng)的同時(shí)減小液體滑脫，最終提升柱塞效率，從這個(gè)角度上講也稱(chēng)作小流量動(dòng)態(tài)液柱舉升柱塞。

圖2 智能柱塞和傳統(tǒng)柱塞單周期氣量對(duì)比

2 智能柱塞速度測(cè)量原理

通過(guò)內(nèi)置程序，運(yùn)用微積分思想，將柱塞的上行下行的運(yùn)行行程劃分為一定數(shù)值的小段行程，智能柱塞內(nèi)置加速度傳感器得到此小段行程的加速度值。在柱塞過(guò)程中，時(shí)刻測(cè)量并記錄加速度值。利用式（1）和式（2）在此小段行程范圍內(nèi)積分，即可得到柱塞運(yùn)行的速度和對(duì)應(yīng)的行程（即氣井斜深）。

式中：V——柱塞速度，m/s；a——加速度，m/s2；t——時(shí)間，s；S——井深，m。

3 智能柱塞運(yùn)行速度分析

3.1 智能柱塞氣舉井井況

Y4-3井是X井區(qū)的一口定向井（S型），于2017年9月對(duì)3 242～3 245 m（斜深）深度的山23儲(chǔ)層進(jìn)行了壓裂施工，隨后采用?73.02 mm生產(chǎn)管柱進(jìn)行返排測(cè)試，采用?10 mm油嘴求產(chǎn)測(cè)試，井口油壓為4.6 MPa，穩(wěn)定氣產(chǎn)量為1.09×104m3/d，穩(wěn)產(chǎn)期間無(wú)水；采用“一點(diǎn)法”計(jì)算該井的絕對(duì)無(wú)阻流量為1.28×104m3/d。

圖3和圖4為S型井Y4-3井井斜角和閉合距沿著井斜深的變化趨勢(shì)圖?？梢钥闯?，整個(gè)井筒按照井斜的變化可分為3個(gè)部分：①0～813 m直井+造斜段，井斜角小于25°；②813～2 807 m穩(wěn)斜段（井斜角25°），從500 m開(kāi)始造斜，到813 m達(dá)到25°最大井斜角并一直保持25°井斜；③2 807～3 368 m降斜段，井斜由25°逐漸減小至11.5°，井斜角25°～11.5°。

圖3 Y4-3井井斜角沿井斜深的變化趨勢(shì)圖

圖4 Y4-3井閉合距沿著井斜深的變化趨勢(shì)圖

3.2 智能柱塞速度分析與研究

2019年5月，在Y4-3井安裝智能柱塞，井底卡定器深度3 155 m（位于短節(jié)之上20 m）；同年10月放入柱塞并調(diào)試；12月初柱塞運(yùn)行正常至今。柱塞安裝并調(diào)試運(yùn)行正常之后，每次柱塞運(yùn)行至井口時(shí)，便可通過(guò)自動(dòng)發(fā)射裝置將采集到的速度、壓力、溫度等數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)送至生產(chǎn)辦公室的遠(yuǎn)程接收裝置，對(duì)柱塞運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

3.2.1 上行速度分析與研究

圖5為不同日期智能柱塞的上行速度曲線，可以看出這3個(gè)周期柱塞的上行速度有很強(qiáng)相似性。調(diào)大針閥開(kāi)度后，柱塞受到氣流沖擊迅速具有上行速度，從井底卡定器到2 722 m，由于井底壓力大，一定氣量的情況下，氣體流速較小，對(duì)柱塞的沖擊力小，在2 722 m到387 m深度范圍內(nèi)柱塞速度保持大于2.5 m/s上行；在387 m到地面，由于柱塞上移的過(guò)程中，環(huán)空天然氣膨脹做功[12-13]，柱塞之下的天然氣壓力逐漸減小，對(duì)柱塞的推動(dòng)作用減弱，柱塞的上行速度逐漸減小，直至運(yùn)行至防噴管位置撞擊緩沖彈簧速度降為 0。按照傳統(tǒng)柱塞的平均速度計(jì)算方法，28 min柱塞由井底卡定器位置上行至井口行程3 153 m，柱塞上行速度為1.88 m/s，此速度不足以攜液。但下面的分析證明此柱塞的攜液效果良好。

圖5 柱塞上行速度曲線

智能柱塞排液時(shí)油壓變化可以反映排液量的大小。排液前后，油壓差值越大，排液量越大，排液效果越好。圖6為智能柱塞運(yùn)行油套壓變化曲線，從油壓變化可以看出，此速度下柱塞每次能舉升出大約50 m液柱，即150 L液體（生產(chǎn)油管外徑73.02 mm，內(nèi)徑62 mm），智能排液效果良好。這是因?yàn)樵谥麖木讋傞_(kāi)始啟動(dòng)和到達(dá)井口時(shí)速度過(guò)低拉低了平均值。從圖5可以看出，絕大多數(shù)行程柱塞的上行速度都大于2.5 m/s，此速度下柱塞具有較好的液體舉升能力。

圖6 智能柱塞運(yùn)行油套壓變化曲線

圖7為柱塞上行過(guò)程中在直井+造斜段（降斜段）和25°穩(wěn)斜段的受力示意圖。以柱塞和液體整體作為研究對(duì)象，其主要受到重力G、液體段塞和柱塞的摩擦阻力Ff、上下壓差力FΔp，見(jiàn)式（3）。

圖7 柱塞上行過(guò)程受力示意圖

式中：FΔp——柱塞上下端面的壓差力，N；Ff——液體段塞和柱塞的摩擦阻力，N；G——重力，N；m——柱塞和液體段塞質(zhì)量，kg。

剛開(kāi)井瞬間，在降斜段（3 153～3 009 m），柱塞所受合力向上，具有向上的加速度，柱塞攜水開(kāi)始上移。在降斜段上行過(guò)程中，由于氣體流速低，湍流密封效果不明顯，部分液體從柱塞與油管內(nèi)壁間隙內(nèi)回落，重力G不斷減小，柱塞之上的氣體不斷釋放，導(dǎo)致上下壓差力FΔp增大，造成合力增大，加速度增大。從圖5中3 009～2 864 m的速度曲線圖可以印證。隨即柱塞進(jìn)入25°穩(wěn)斜段（2 864～825 m），由于重力作用，柱塞緊貼油管下側(cè)，壓力降低，氣體流速增大，湍流密封效果增強(qiáng)，液體滑脫減少，且4個(gè)主要力的合力大致為0，加速度為0，柱塞在穩(wěn)斜段保持勻速運(yùn)動(dòng)。繼續(xù)上行至直井+造斜段（825～0 m），柱塞上部壓力釋放完全，下部壓力由于膨脹減小，導(dǎo)致上下壓差力FΔp減小，合力向下，加速度向下，作用結(jié)果為柱塞減速，到地面時(shí)柱塞速度減為0。

3.2.2 下行速度分析與研究

圖8為柱塞在 Y4-3井下行速度曲線，可以看出，調(diào)小針閥開(kāi)度之后，柱塞受到氣流沖擊減小，在重力作用下迅速具有下行速度。從井口到828 m，柱塞下行速度穩(wěn)定；828 m后進(jìn)入穩(wěn)斜段，柱塞速度有個(gè)增長(zhǎng)臺(tái)階隨后緩慢下降；到達(dá)2 800 m位置時(shí)，進(jìn)入降斜段，速度有個(gè)減小臺(tái)階并逐漸減小，進(jìn)入井底積液之后速度迅速降為0。

圖8 柱塞下行速度曲線

柱塞在不同深度所受分力及合力的方向和大小不同導(dǎo)致其加速度產(chǎn)生變化，進(jìn)而改變其速度值，呈現(xiàn)結(jié)果為柱塞運(yùn)行時(shí)瞬時(shí)速度的變化。圖9為柱塞下行過(guò)程中在直井+造斜段（或降斜段）和 25°穩(wěn)斜段的受力示意圖。

圖9 柱塞下行過(guò)程受力示意圖

以柱塞作為研究對(duì)象，主要受到重力G、柱塞的摩擦阻力Ff和上下壓差力FΔp，具體計(jì)算公式如下：

式中：k——阻力系數(shù)，無(wú)因次；ρ——流體密度，kg/m3；v——流體速度，m/s。

剛調(diào)小流量瞬間，在直井+造斜段（0～828 m），柱塞所受合力向下，具有向下的加速度，柱塞下移。另外，公式（3）柱塞的摩擦阻力Ff與柱塞的速度有關(guān)，速度越大，摩擦阻力越大，最終直井+造斜段合力大約為 0，基本保持勻速下行。進(jìn)入穩(wěn)斜段（828～2 800 m）后，由于重力作用，柱塞緊貼油管下側(cè)，氣流從上側(cè)溢出，導(dǎo)致FΔp減小，而G· cosθ= 0 .91G（θ為井斜，取值25°，重力G沿井筒分量基本不變，合力繼續(xù)沿著井筒向下，且加速度更大。這也是828 m處有臺(tái)階的原因，在穩(wěn)斜段由于管壁的摩擦阻力作用，柱塞速度逐漸減小。進(jìn)入降斜段（2 800～3 153 m），流體（氣體或者含水混相）密度增大，由公式（3）[14]可知FΔp增大，合力向上，產(chǎn)生向上的加速度，柱塞減速。進(jìn)入水中之后，這種效應(yīng)更加明顯，速度迅速降為0。

總之，柱塞速度受到管壁粗糙度、管壁液膜厚度、井斜角、柱塞類(lèi)型、流體類(lèi)型、流量大小等各種因素的影響，忽略次要因素，得到柱塞的下行上行速度后，分析并結(jié)合氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)（油套壓、溫度、氣量）等即可對(duì)氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)做出診斷，如果速度不合適，可以通過(guò)調(diào)整開(kāi)井套壓、針閥開(kāi)度、柱塞外徑、柱塞種類(lèi)等進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到最優(yōu)的排水采氣效果。

4 泡沫排液提高柱塞運(yùn)行效果分析

Y6-8井為定向S型井，柱塞卡定器深度為3 000 m。圖10為Y6-8井柱塞上行速度偏?。t圈）和正常（綠圈）時(shí)的油套壓曲線。不同柱塞上行速度時(shí)的生產(chǎn)參數(shù)及排液量見(jiàn)表1。從圖10和表1可以看出，在2021年5月30日和31日，套壓稍微有升高的趨勢(shì)，且開(kāi)井前油套壓差較大，氣井逐漸積液，開(kāi)井之后柱塞的上行時(shí)間分別為 23分 17秒和 26分43秒，柱塞平均速度為2.15 m/s和1.87 m/s，速度小于2.5 m/s導(dǎo)致排液效果不理想（紅圈），排出液體分別為112 L和86 L；為了增大開(kāi)井時(shí)柱塞的上行速度從而增強(qiáng)柱塞氣舉效果，于2021年6月1日環(huán)空注泡排劑20 L（孚吉UT-7，原液與清水的體積比為1:4），同時(shí)延長(zhǎng)關(guān)井時(shí)間。從環(huán)空注入泡排劑后，泡排劑沿著油管外壁或套管內(nèi)壁下行至環(huán)空積液位置，氣流擾動(dòng)形成低密度含水泡沫，泡沫液密度可降低為原來(lái)液體密度的 1/5[1]。泡排后關(guān)井恢復(fù)時(shí)油壓比積液時(shí)增大，油套壓差減小。6月 1日晚上開(kāi)井，由于積液較多，導(dǎo)致環(huán)空氣體膨脹做功受限，并且柱塞之上液柱較多，導(dǎo)致柱塞舉升困難。由于泡排降低液體密度和減少液體滑脫的雙重效果，柱塞能夠上行（速度很慢，為 1.07 m/s）同時(shí)正常帶液（綠圈），排液量為323 L；6月2日再次開(kāi)井前，油套壓接近，積液少，加上剩余泡排劑的效果，柱塞上行速度很快，為 6.67 m/s，排液效果明顯（綠圈），排液465 L。

表1 不同柱塞上行速度時(shí)的生產(chǎn)參數(shù)及排液量

圖10 不同柱塞上行速度時(shí)的油套壓曲線

研究井區(qū)其他柱塞井，發(fā)現(xiàn)具有相同排液規(guī)律，由此得出結(jié)論：①柱塞速度對(duì)排液效果影響較大，速度大時(shí)液體滑脫減小，單次舉升液體更多，但是要注意評(píng)估柱塞速度過(guò)大對(duì)防噴管的影響；②泡排可以極大增強(qiáng)柱塞氣舉排液的效果，泡排之后柱塞速度為1.07 m/s（為2.5 m/s的42.8%）時(shí)仍能正常排液。

5 結(jié)論

智能柱塞可依托內(nèi)置的加速度傳感器，結(jié)合井身結(jié)構(gòu)，得到上行過(guò)程中沿井筒的速度分布，及時(shí)調(diào)整參數(shù)確保柱塞高效運(yùn)行。結(jié)合井身結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)工程師能精確監(jiān)控智能柱塞氣井生產(chǎn)狀況，并對(duì)柱塞運(yùn)行速度進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)井斜角的不同，將此S型井柱塞運(yùn)行路徑大致分為：①0～813 m直井+造斜段，井斜角小于25°；②813～2 807 m穩(wěn)斜段（井斜角25°）；③2 807～3 368 m降斜段，井斜角25°～11.5°。柱塞在不同井段受力不同。柱塞在S型井上行下行過(guò)程中并不是勻速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)智能柱塞得到的速度曲線可知：整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程呈現(xiàn)變速運(yùn)動(dòng)特征，主要受井斜和氣流量的影響，柱塞所受合力變化導(dǎo)致加速度變化進(jìn)而引起速度變化，并且呈現(xiàn)出一定規(guī)律性；柱塞上行速度對(duì)排液效果影響較大，速度大于2.5 m/s時(shí)，具有良好的氣舉排液效果；泡排可以增強(qiáng)柱塞氣舉排液的效果，使柱塞在速度較低時(shí)仍然能夠正常排液。