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柱塞气举采油工艺技术研究 中国石化中原油田分公司新科力技术公司二00二年六月前 言柱塞气举实质上是间歇气举采油的一种特殊形式，由于在举升气体和被举升液载之间提供了一种固体的密封界面，减少了气体的窜流和液体的回落，从而能有效提高气体能量的举升效率，使井的产量大大提高。柱塞气体的举升能量来源于气体的膨胀能（地层气或注入气），它可以充分利用地层的能量，所以尤其适用于高气液比的采油井。在常规间歇气举效率不高、效果不明显的井，采用柱塞气举可以提高生产效率，避免气体的无效消耗。柱塞气举在正常生产时，由于柱塞在油管内往复运动，所以可以起到清、防蜡除垢的作用，可以节约生产时间和生产费用。柱塞气举井下工具的安装都非常简便，只需利用钢丝绳就可以完成安装和打捞工作，避免了修井作业，这样既可以减少作业对油层的污染，同时可以节约生产时间。柱塞气举采油管柱示意图如下：1、工具设备的研制11 工作过程柱塞气举装置的正常工作，由时间控制器定时控制气动切断阀的开关来完成，当气动切断阀关闭是，柱塞上的凡尔已被防喷管内的撞击杆顶开，这时，柱塞靠自身重量下落，柱塞撞击缓冲弹簧后凡尔关闭。当柱塞上方积聚到设计要求的液量时，气动切断阀打开，高压气体经过气举凡尔进入油管，从而把柱塞举升到井口，完成一周期再开始下一循环。12 工具设备的结构和技术参数1、柱塞为弹簧加载的扩张叶片式柱塞，弹簧加载片直径接近于油管内径，扩张开为61，收拢为56，中间有一靠外部顶杆完成开或关的阀，柱塞密封受弹簧叶片及油管内径相对公差大小的影响。技术参数：材 质： 合金钢 ，作防腐处理长 度： 445mm叶片扩张最大外径：61mm叶片收拢最小外径：56mm打捞颈： 35mm质 量： 6Kg工作过程： 上行状态：柱塞座在缓冲弹簧上后，阀杆与缓冲弹簧碰撞上移。堵塞孔2，使孔1与孔2不连通。而柱塞叶片在弹簧作用下处于扩张状态，故与油管间隙较小，在举升过程滑脱损失小。 下行状态：柱塞上行，把液体举出井筒后，阀杆与井口防喷盒碰撞下移，孔2与孔1连通。使井筒中流体（主要是气体）能通过通道，柱塞依靠自重下落。图1-1 1、阀体 2、滑瓦 3、阀杆 4、锁紧螺钉 5、阀盒 6、弹簧 7、钢球 8、支撑弹簧2、卡定器停卡在2 7/8油管（内径62mm）接箍的凹槽内，用钢丝投捞的方法投放和捞出。技术参数：材 质：45#钢，经防腐处理。打捞颈：45mm最大尺寸：64mm伸 长：345mm质 量：1.5kg图1-2 1、扩张式短节 2、套爪 3、圆柱销4、释放弹簧 工作原理：当释放弹簧卡定圆柱销后，在释放弹簧作用下，卡爪紧缩（直径由70mm缩至55mm）。用投捞工具把卡定器送入油管内设计深度以下10m处，然后上提工具串至油管接箍位置时，释放弹簧的钢丝头卡入接箍凹槽，弹开，使卡爪释放。然后下放工具串，卡爪卡入接箍凹槽。需要起出时，上提工具串，使卡爪回缩，即可提出。 3、缓冲弹簧： 放在卡定器上，当柱塞下落到底部时起缓冲及关闭柱塞下部阀的作用，上端有35mm的打捞颈，可以用钢丝打捞。技术参数：长 度： 850mm最大外径： 58.5mm材 质： 60Si2Mn ，经防腐处理 质 量： 6.5Kg图1-3 1、接头 2、弹簧4、气动切断阀 由时间控制器的压力信号控制打开或关闭。 技术参数：长： 170mm高： 420mm宽： 140mm通径： 55mm工作压力： 16MPa耐压强度： 30MPa工作介质： 天然气最小开启所需压力0.2MPa 使用方法： 按流向箭头装在注气管线上,为常闭阀，由时间控制器发出指令信号，操纵阀的打开或关闭，阀上装有指示打开或关闭的标尺，以便于地面观察和控制两端为ZG212牙/英寸母扣。5、减压调压阀 功能：将高压天然气减压阀调整到下游切断阀动作所需压力（约0.350.5Mpa），进口压力可达16MPa，出口压力可任意调节直到零，连接扣型为ZG 1/419牙/英寸。 作用：把井筒气体减压到（0.140.42MPa），作为气动切断截止阀动作的动力气体。技术参数： 进口压力：145.6秒附近，压力变化曲线存在一个明显的转折点。正是由于停止注气后的气体迅速膨胀、推动柱塞上行，导致了柱塞下部的压力迅速减小。此曲线的最后一段的压力变化虽又有些加快，但不像柱塞上行速度曲线那样那么激烈。由此可以得出，第三阶段的柱塞迅速加速主要是由于液段到达井口之后液柱高度迅速减小，使柱塞-液段的自重迅速减小引起的。 图2-5中的下部的一条曲线为柱上压力变化曲线，其变化平稳。在液段未到达井口之前，两条曲线间的距离越大，表示推动柱塞向上的力越大，因而此时柱塞向上运行的速度也就越高。图2-6表示当地层与油管内柱塞运行时协调时，新进入油管内的液柱高度与时间的关系。 图2-7为柱塞上行时从油管井口排出的气体总量与时间的关系。它是一条累积量的曲线，呈平稳递增的形式。 图2-8为柱塞上行时从油管内排出气体的流量随时间变化的情况，从图中可以看出，排气速度是不断下降的，并且在停止注气点附近变化，这也是在该处柱塞运行速度发生了迅速减慢的结果。222 柱塞气举敏感参数分析 在井深h=2743.2m、注气深度zinj=2643.2m、含水率fw=0.15、地层压力pr=20.6839MPa、饱和压力pb=17.9261MPa、井口压力pwh=0.6895MPa和产液特性均保持上述基本取值的前提下，计算考察了注气压力、井口压力、产液指数、含水率对柱塞气举特性的影响。1、注气压力对柱塞气举特性的影响计算表明，在柱塞不等待的条件下，随着注气压力的增加，每次循环的举升液量是下降的，如图2-9所示。事实上，随着注气压力的提高，井底流压亦相应增大，在采液指数不变时，每一循环的产液量，亦即举升液量会逐渐下降。 图2-10为柱塞上行时间、下行时间和一个循环周期的时间随地面注气压力变化的情况。计算表明，随着地面注气压力的提高，柱塞和液柱上行的速度增大，致使柱塞上行时间随着地面注气压力的增高而减小；而当柱塞下行时，油井内的情况除了在不同地面注入压力下的井内积液量略有差别外，其它条件均相同。 由于柱塞下行时的井内积液量随地面注气压力增大而略有减少，故柱塞的下行间随着注气压力的增大而略有减小，在图2-10中表现为一条近乎平行于x轴的直线。综合柱塞上行时间和下行时间，即为柱塞运动的循环时间，由图2-10可以看出，随着注气压力的提高，柱塞循环的时间也是逐渐减少的。 图2-11为每一循环中举升柱塞和液柱所需的注入气量随地面注气压力变化的情况。从图中可以看到，随着注气压力的提高，每次循环所需的注入气量是逐渐下降的。这是因为在本算法中，注入气量主要取决于油管井口压力和每一循环所举升的液量。此时，井口压力保持不变，而每一循环所举升的液量是随地面注气压力的提高而减少的，故随着注气压力的提高，每一循环所需的气量是逐渐减小的。2、井口油压对柱塞气举特性的影响图2-12为每一循环的举升液量随井口油压变化的情况。从图2-12可以看到，在其它条件保持不变的情况下，随着井口压力的提高， 每次循环的举升液量略有下降。井口压力的提高无疑加大了柱塞下行期间的井底流压，致使进入循环之中的地层产液，即每一循环的举升液量略有下降。 图2-13为井口压力变化对柱塞运行的上行时间、下行时间和循环时间的影响。从图2-13可以看出，随着井口油压的提高，柱塞运动的上、下行时间和循环时间都是下降的。这一现象似乎与提高井口油压会导致柱塞运行速度下降，从而应使柱塞运动的上行时间加长的直观判断相悖。事实上，计算表明，在井口压力较小时，同样在柱塞不等待的条件下，每一循环所举升的液量较大，此时过注气凡尔的压降也较井口油压大时的过凡尔压降要大。因此，此时柱塞下底面上的向上的举力减小，结果柱塞向上运行的平均速度在本报告计算之中的井口压力变化的范围内几乎无变化，故图2-13中的柱塞上行时间几乎是一条平行于X轴的直线。而柱塞下行时，它在气体之中下落的速度远远大于在液体之中的速度。一般而言， 每一循环的举升液量越大，柱塞下行时井内的地层产液积聚越多，柱塞下行的时间也就越长。综合而言，由于随着井口压力的提高，每一循环的举升液量是下降的，故出现循环时间随着井口压力的增加而下降。图2-14为注入气量随井口压力变化的情况。图2-14表明，随着井口压力的提高，注入气量亦随之增加，二者几乎成正比的线性关系变化。这是由于每一循环所需的注入气量取决于注气点以上用于储气的油管长度和这一体积内的平均压力和平均温度。其中，平均压力主要取决于油管井口压力和刚抵达井口的液柱长度及柱塞自重。井口压力的增大，势必加大这一平均压力，从而使所需的注入气量增加。3、产液指数对柱塞气举特性的影响图2-15为产液指数变化时对每一循环的举升液量的影响。从图2-15可以看出，在其它条件不变的情况下，随着油井供液能力的提高，柱塞气举每一循环的举升液量亦随着增大，二者几乎是同比例增加的。这也是很显然的，只要注入气体有足够的力量举升液体，油井供液能力强的必然会有更多的产液被举升上来。图2-16为产液指数变化对柱塞运行时间的影响。从图2-16可以看出，随着产液指数的增大，柱塞上、下行时间和循环时间都是增大的。这是由于产液指数的增大，每次循环举升液量加大，在注气压力保持不变时，柱塞上行的速度会减慢，导致柱塞上行时间增加。同样地，随着产液指数增大，柱塞下行时油井下部聚集的产液深度也必然增大，从而使柱塞下行的时间也加长。综合起来就出现循环时间随着产液指数增大而加长的结果。 图2-17为产液指数变化对注入气量的影响情况。从图2-17可以看出，随着产液指数的增大，一次循环所需的注入气量也相应增大。这主要是由于每次循环的注入气量与所举升的液柱在井口所形成的压力大小有关。故随着产液指数的增大，每一循环举升的液量增大，必然导致对所需注入气量的增加。4含水率对柱塞气举特性的影响 图2-18为含水率变化对每一循环举升液量的影响。从图中可以看出，随着含水率的上升，每一循环的举升液量略有提高。图2-19表示含水率对柱塞运行时间的影响很小，随着含水率的上升，每一循环的所需时间略有增加。图2-20则表明含水率对每一循环的注入气量的影响亦不大。23柱塞气举优化设计231 参数设计及方程 所谓组合式柱塞气举优化设计，就是研究在现有注气能力下，使注气量最少，且满足产量及产气量要求的设计。在对国外柱塞气举设计理论理解的基础上，经推演产生柱塞气举参数设计方程如下： 2英寸油管 qlc=(J.Pr-J.(1+CLt).(0.99Pwh106+148.7Lt+430700)-Ql/86400)/A A=J.(1+CLt)(2577Lt+3198000) （2-12） GLR=(0.0001Lt/qlc).(0.003018Lt+1.04310-5.Pwh+26)+117.6 （2-13） Pcomax=Pwh106+3.376106.qlc+187.5.Lt+2577qlc.Lt+464800 .（2-14） Pcomin=Pcomax-(354500.qlc+77.61.Lt+0.02.Pwh106+68270) （2-15） 2.5英寸油管 qlc=(J.Pr-J.(1+CLt).(0.975Pwh106+25.35Lt+781000)-Ql/86400)/A A=J.(1+CLt)(1582Lt+67100) （2-16） GLR=(0.0001Lt/qlc).(0.01457Lt+0.994.Pwh+23.6)+71.39 （2-17） Pcomax=Pwh106+0.1494106.qlc+130.7.Lt+1582qlc.Lt+630300 .（2-18） Pcomin=Pcomax-(164700.qlc+210.71.Lt+0.0051.Pwh106+301400).（2-19） 参数解释： qlc： 周期产液量 m3/c J： 采液指数m3/s.Pa Pr： 地层静压 Mpa Lt： 柱塞下入深度m Pwh： 井口油压 MPa Ql： 日产液量 m3/d Pcomax： 最大所需井口套压MPa Pcomin： 最小所需井口套压 MPa GIR： 所需注入气液比m3/m3 232参数设计步骤 1）、获取现场所能提供的注气量及注气压力，以及配产量、地层气液比 2）、求注入气液比 GIR=Qg/Ql3）、求柱塞总气液比，GTR=GFR+GIR GTR=GFR+GIR由方程2-13或2-17求出周期产液量qlc 4）、求柱塞运动周期数 N=Qg/qlc 5）、求周期注气量 qgc=Qg/N 6）、根据方程2-14或2-18求所需最大井口注气压力 7）、求气举阀深度分布及调试压力 8）、调整参数，下井作业、生产 开始输入数据大于柱塞运动最大周期产量？25英寸油管2英寸油管根据方程求参数:qlc ,qgc,N,Pco气举阀分布及调试压力计算输出结束233软件运行框图 不 是 134典型井设计 输入的数据 套管外径：5.5in ； 油管内径：2.5in 地层压力：12 MPa ； 井口油压：1MPa 含水： 20% ； 油 比 重：0.8 气比重： 0.7 ； 水比重：1 产量：15m3/d ； 地层气液比 80m3/m3 提供注气量 5000m3/d ； 井口供气压力 9MPa 压井液梯度：1.04/100m ； 井口温度：25 井底温度：90 ； 油层深度： 3000m 阀型：套压波纹管阀 ； 气举阀孔：3/16in 柱塞下入深度：2600m设计结果如表1-表2表1周期产量(m3/c)周期注气量(m3/c)周期数所需注气压力(MPa)0.54180274.30 表2 ：气举阀分布及调试参数阀序阀深m调试压力psi17301270213601225319501190425101160526004503 常规式柱塞气举动态模拟及优化设计31气举柱塞运动微分方程的建立本节拟分析的柱塞气举装置的示意图如图10所示。在柱塞向上运动时，以柱塞和柱塞上面的液体段塞为研究对象，根据在垂直方向上的受力模型，得出柱塞在油管任一位置时的速度和加速度，从而可以确定出柱塞上行程的总时间。柱塞向上运动时，作用在柱塞和液体段塞上的受力如图10所示。应用牛顿第二定律可得： - （3-1）式中，柱塞下部压力；等于柱塞所在深度处的套压值减去柱塞以下的油管长度内气流摩擦损失。 为液柱上部压力，等于井口流压加液柱上部至井口的气柱所造成的压力和该段气体在上升过程中与油管的摩擦力。Fl和Fp分别为液柱和柱塞与油管内壁之间的摩擦力。wl为液柱的重力wp柱塞的重力。 A 液柱和柱塞的加速度。 Pc Pu hi 注 Fl+Fp 气 hs wl+ wp H Pd L0 图3-1 柱塞受力示意图(上行) 将方程中的各项分别写出，通过简化可以得出： b-cv2=a - (3-2)其中： 把油管平均分为若干段，每段长度为dh，假定该段内气体的温度、压力、密度、压缩因子都为定值（本设计中取为平均值），假定计算段内柱塞和液体段塞所受的力为定值，故在该计算段内柱塞和液体段塞做匀加速运动。取计算段内柱塞的速度为平均值： - （3-3）对方程（3-6）解关于t的方程可得： - （3-4） 取柱塞的起始速度等于零为边界条件，逐段计算，便可求出每段内所需要的时间，通过迭加，便可确定出柱塞上行程的总时间。 柱塞下行时，假定柱塞中心线与油管中心线重合，根据流过油管和柱塞之间的间隙的液体流量等于单位时间内柱塞抽排出的液体体积，由斯托克斯公式可得柱塞在油中的下落速度：- (3-5）柱塞在气体中下落时，下落速度借鉴Fosst 和Gaul从现场得出的数据，取为10.2m/s。需气量的计算方法：柱塞气举时所需要的气量，等于当柱塞-液段的上顶面刚上升到井口时，在井口回压和柱塞-液段重力作用下，积聚在油管内的气体体积。在油井工作时，有部分气通过柱塞与油管内壁间隙逸出。因此，在实际计算时，通常取比计算需气量大15%的安全系数。 我们，采用FosstGaul公式来确定每一循环周期所需的气量： - (3-6)32常规式柱塞气举参数优化设计221参数设计及方程 常规式柱塞气举就是油井自身产气足可以推动柱塞运动的柱塞举升方式。所谓优化就是研究油井在现有产气及产液能力下，使油井满足正常生产需要而进行的参数设计，设计方程与组合式相同。 322参数设计步骤 1）、提出配产量及配产气量 2）、求产出气液比 GIR=Qg/Ql3）、求周期产液qlc4）、求柱塞运动周期数 N=Qg/qlc 5）、求周期注气量 qgc=Qg/N 6）、根据方程或求所需最大井口注气压力Pcomax 7）、求气举阀深度分布及调试压力 8）、调整参数，下井作业、生产323 参数关系分析通过参数分析其目的在于了解柱塞运动的制约因素，从而更好地管理好常规柱塞气举的生产。其参数关系如表3-3表3-10所示： 表3-3基础参数油管尺寸：2.5英寸； 产量：15m3/d ； 产气量：5000m3/d 含 水：20%； 地层静压：12MPa ；采液指数：1m3/d.MPa ； 井口油压：1MPa 柱塞下入深度(m)周期产液(m3/c)周期产气(m3/c)周期数井口所需套压(MPa)18000.41136363.1020000.47159313.5022000.55183274.0024000.62209234.4226000.70236215.0028000.79264185.632900*（不能举升）*3000*表3-4基础参数油管尺寸：2.5英寸；产 量：15m3/d ； 产 气 量：8000m3/d 含水：20%；地层静压：12MPa ； 采液指数：1m3/d.MPa ； 井口油压：1MPa 柱塞下入深度(m)周期产液(m3/c)周期产气(m3/c)周期数井口所需套压(MPa)18000.23124642.5620000.27144552.8022000.31166483.0524000.35189423.3426000.40214373.7028000.45240334.0529000.47253314.3030000.50267294.5034000.61326245.5036000.67357226.0040000.79424187.304200*表3-5基础参数油管尺寸：2.5英寸； 产 量：10m3/d ； 产气量：5000m3/d；含 水：20%； 地层静压：12MPa ；采液指数：1m3/d.MPa ；井口油压：1MPa 柱塞下入深度(m)周期产液(m3/c)周期产气(m3/c)周期数井口所需套压(MPa)18000.25125392.6120000.29146342.8622000.33168293.1324000.36191263.4526000.43216233.8128000.48242204.2130000.54270184.6632000.59299165.1634000.65329155.7036000.72361136.3238000.78394127.004000*4200*表3-6基础参数油管尺寸：2.0英寸； 产 量：10m3/d ； 产气量：5000m3/d 含 水：20%； 地层静压：12MPa ； 采液指数：1m3/d.MPa ； 井口油压：1MPa 柱塞下入深度(m)周期产液(m3/c)周期产气(m3/c)周期数井口所需套压(MPa)18000.1998503.3720000.22116453.7322000.24123404.1124000.27136364.5326000.30150335.0028000.32164305.5030000.35178286.0032000.38192256.5334000.41207247.1336000.44222227.763800*4000*表3-7基础参数：油管尺寸：2.0英寸； 产 量：10m3/d ； 产 气 量：8000m3/d ； 含 水：20%； 地层静压：12MPa ； 采液指数：1m3/d.MPa ； 井口油压：1MPa 柱塞下入深度(m)周期产液(m3/c)周期产气(m3/c)周期数井口所需套压(MPa)18000.1188902.6820000.1299802.6122000.13110723.1324000.15122653.3826000.16134593.6428000.18147543.9330000.19159504.2432000.21172464.5734000.23185434.7836000.24199405.3040000.28227356.0950000.37301268.50表3-8基础参数：油管尺寸：2.0英寸；产量：15m3/d ；产气量：8000m3/d 含水：20%；地层静压：12MPa ；采液指数：1m3/d.MPa ；井口油压：1MPa 柱塞下入深度(m)周期产液(m3/c)周期产气(m3/c)周期数井口所需套压(MPa)18000.1896823.2520000.20108733.5722000.22121653.9324000.25134594.3226000.27147544.7328000.30160495.1830000.32174455.6632000.35188426.1834000.38203396.7136000.40218367.3138000.4323