新型雙墊柱塞氣舉工藝在S209井區(qū)的應(yīng)用

李曉蕓，解永剛，李 耀，王 磊，武 浩，張玉華

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

S209井區(qū)位于榆林氣田南區(qū)西南部，主要產(chǎn)層為山西組山2段山23小層，構(gòu)造為東高西低的單斜構(gòu)造。北部、中部氣層厚度大、物性較好、產(chǎn)能較高；中西－西南部普遍出現(xiàn)氣水層和水層。該井區(qū)自2003年9月投產(chǎn)，生產(chǎn)過程中氣藏邊部靠近水體的幾口生產(chǎn)井不同程度地產(chǎn)出地層水，個別井出水量大，嚴(yán)重影響了氣井的產(chǎn)能。為了提高氣田開發(fā)效率，有效地排除產(chǎn)水氣井井底積液，在采取“內(nèi)降外控”與“控水采氣”措施的基礎(chǔ)上，針對重點積液氣井開展新型雙墊柱塞氣舉工藝試驗，保證氣井連續(xù)生產(chǎn)，確保富水區(qū)氣井產(chǎn)能充分發(fā)揮。

1 S209井區(qū)概況

1.1 氣水層分布

榆林氣田測井解釋氣層主要分布在東－東北部的構(gòu)造高部位，海拔基本在-1 800 m以上，而水層及試氣產(chǎn)水量較高的井多分布在緊鄰氣藏的西南部的北西-南東向的構(gòu)造低洼位置（如陜1、陜2、陜3、榆1等），海拔一般都低于-1 800 m，疊加上山23層所有測井解釋水層及部分井試氣結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)氣水層的分布受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的控制作用比較明顯。

1.2 水質(zhì)分析

通過控制壓差生產(chǎn)減緩水體推進(jìn)，同時加強(qiáng)生產(chǎn)氣井水質(zhì)監(jiān)測，重點分析S209井區(qū)內(nèi)部局部出水井點、產(chǎn)液變化情況，及時調(diào)整氣井產(chǎn)量，控制地層出水，2012年S209井區(qū)氣井氯根監(jiān)測401井次，礦化度監(jiān)測109井次，水質(zhì)分析結(jié)果表明，氯根含量在16.32～114 483.12 mg/L，平均 8 817.44 mg/L，總礦化度在174.36～185 118.04 mg/L，平均為 15 393.43mg/L。全年該富水區(qū)氣井整體保持穩(wěn)定生產(chǎn)，平均水氣比0.14 m3/104m3，控水采氣效果良好。

為進(jìn)一步提高S209井區(qū)積液氣井排水采氣效率，實現(xiàn)富水區(qū)低產(chǎn)氣井連續(xù)排液，確保積液氣井連續(xù)生產(chǎn)，通過開展排水采氣工藝技術(shù)調(diào)研和攻關(guān)，2012年引進(jìn)新型雙墊柱塞氣舉排水采氣工藝技術(shù)開展理論研究及現(xiàn)場試驗。

2 新型雙墊柱塞氣舉排水采氣工藝技術(shù)

柱塞氣舉實質(zhì)上是間歇氣舉的一種特殊形式，由于在舉升氣體和被舉升液載之間提供了一種固體的密封界面，減少了氣體的竄流和液體的回落，從而能有效提高氣體能量的舉升效率。柱塞氣體的舉升能量來源于氣體的膨脹能，它可以充分利用地層的能量，所以尤其適用于高氣液比的采氣井。

2.1 工藝原理

新型雙墊柱塞氣舉是將活塞作為氣液之間的機(jī)械界面，依靠氣井自身能量，以一種循環(huán)的方式推動柱塞在油管內(nèi)上下移動，減少了液體的回落，消除了氣體穿透液體段塞的可能，達(dá)到了減少滑脫損失的目的。同一般的間歇氣舉相比，它能更有效的利用氣體的膨脹能量，提高舉升效率。在井底壓力低于地層飽和壓力后，地層產(chǎn)出液中的氣相分離出來，形成游離氣聚集在油套環(huán)空中，液體進(jìn)入到油管里。隨著產(chǎn)出液的聚集，環(huán)空中的天然氣越來越多，導(dǎo)致環(huán)空壓力上升。當(dāng)環(huán)空壓力即套壓升高到一定值時，壓力信號傳遞給地面的時間控制器，氣動閥打開。由于井口油壓低于套壓，在壓差作用下，環(huán)空內(nèi)的氣體進(jìn)入油管并迅速膨脹，推動柱塞迅速向上運(yùn)動，柱塞推動液柱到達(dá)井口時，液體全部產(chǎn)出；同時，柱塞到達(dá)傳感器將柱塞到達(dá)地面的信號傳遞給地面的時間控制器，氣動閥關(guān)閉。當(dāng)柱塞撞擊到井口防噴管內(nèi)的彈簧后下落，柱塞下落到井下柱塞緩沖器上，重新聚集液體，套壓達(dá)到一定值時，又開始下一個循環(huán)過程。

圖1 柱塞舉升原理圖

2.2 結(jié)構(gòu)組成

2.2.1 柱塞設(shè)計 柱塞作為舉升循環(huán)中被舉升液體和舉升氣體之間的固體密封界面，在整個舉升循環(huán)中起至關(guān)重要的作用。本設(shè)備柱塞為PP-278L-2雙墊柱塞。柱塞結(jié)構(gòu)示意圖（見圖2）。

圖2 亥姆赫茲哨結(jié)構(gòu)示意圖

PP-278L-2雙墊柱塞，彈簧加載片直徑擴(kuò)張開為Ф63 mm，收攏為Ф59 mm，柱塞裝置靠閥桿上下移動達(dá)到柱塞開關(guān)目的，柱塞密封受彈簧葉片及油管內(nèi)徑相對公差大小的影響。

2.2.2 防噴器設(shè)計 防噴器是柱塞裝置的至關(guān)重要的一部分。防噴器帽配有一個承受向上里的彈簧，緩沖墊是柱塞和防噴器最初接觸部位，柱塞通過與緩沖墊接觸，觸動閥桿打開柱塞閥。設(shè)計彈簧與緩沖墊的目的是

為了防止柱塞在舉升到井口時，由于柱塞的速度很高，與井口采氣樹閥門發(fā)生碰撞，損壞柱塞和閥門。彈簧和緩沖墊可以給柱塞一個緩沖的環(huán)節(jié)，保護(hù)柱塞。

2.2.3 井下彈簧緩沖器 它是一種防止柱塞在沒有液體運(yùn)行時沖擊油管底部的保護(hù)裝置，可以通過鋼絲作業(yè)在油管內(nèi)安裝。用以緩沖柱塞下落沖擊油管底部的力，防止柱塞下落硬性沖擊油管內(nèi)的坐落接頭。

圖3 井下緩沖器結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 控制系統(tǒng) PCS柱塞氣舉裝置的正常工作由時間-周期控制器定時地控制氣動閥的開關(guān)來完成。當(dāng)氣動閥關(guān)閉時，柱塞上的閥已被防噴管內(nèi)的撞擊桿頂開，打開旁通，柱塞自行下落。柱塞撞擊井下緩沖器后閥關(guān)閉，同時油管中液面不斷上升。當(dāng)油套環(huán)空壓力恢復(fù)到足以突破油管鞋舉升柱塞以上液體時，氣動閥打開，氣體迅速從套管進(jìn)入油管，與地層流入井底的氣一起推動柱塞及其上部液體升向井口，直到把柱塞上部的液體舉升至地面，柱塞撞擊防噴管內(nèi)的頂桿后，閥再次打開，氣動閥關(guān)閉，柱塞下落，開始下一次工作循環(huán)。

2.3 柱塞氣舉方程

2.3.1 最小套壓 當(dāng)柱塞和液體段塞到達(dá)井口時，套壓達(dá)到最小值，其表達(dá)式如下：

式中：PL-柱塞舉升所需要的壓力，MPa；P1-舉升1 m3液體以及克服摩擦力所需的壓力，MPa；S-柱塞以上的液體段塞體積，m3；K-柱塞以下氣體的摩擦系數(shù)；D-柱塞的長度；m。

當(dāng)液體段塞和柱塞到達(dá)井口油管時，液體段塞和柱塞的重力、柱塞在油管中的摩擦力、液體段塞在油管中的摩擦力以及井口油壓等之和，即為最小套壓[1]。

2.3.2 最大套壓 最大套壓可用下式表示：

式中：A環(huán)-流經(jīng)套管和油管之間環(huán)空的截面積；A油-流經(jīng)油管的截面積。

該方法假設(shè)最大套壓等于套管中使柱塞到達(dá)井口的氣體膨脹能，計算比較保守，可以通過柱塞到達(dá)井口的采出氣量進(jìn)行校正。另一個假設(shè)是，當(dāng)套管中的氣體膨脹進(jìn)入油管時，井口套壓立即降至最小套壓[1]。

3 現(xiàn)場試驗及應(yīng)用效果評價

為提高S209井區(qū)積液氣井排液效果和開井時率，進(jìn)一步驗證柱塞氣舉排水采氣工藝在榆林氣田富水區(qū)的適用性，現(xiàn)場選取1口氣井開展新型雙墊柱塞氣舉試驗。試驗數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 S1井安裝新型雙墊柱塞氣舉裝置前后對比表

該氣井自安裝新型雙墊柱塞氣舉裝置后，油套壓穩(wěn)定，油套壓差明顯減小，日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)液量均明顯增加，無需再采取泡排措施，生產(chǎn)平穩(wěn)。現(xiàn)場試驗表明，通過應(yīng)用新型雙墊柱塞氣舉工藝，有效地排出了氣井井筒積液，氣井產(chǎn)能得到了恢復(fù)，試驗效果明顯。

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）針對φ73 mm油管的氣井，只要氣井有足夠的能量舉升柱塞和積液，應(yīng)用柱塞系統(tǒng)可以很好地解決井底積液問題。

（2）新型雙墊柱塞氣舉工藝是利用氣井自身能量推動油管內(nèi)的柱塞舉水，不需其它動力設(shè)備、生產(chǎn)成本低，是一種新型、簡單、高效的排水采氣技術(shù)。

（3）隨著S209井區(qū)開發(fā)時間的不斷延長，積液氣井逐漸增多，結(jié)合S209氣井產(chǎn)水特征，建議下步繼續(xù)深入開展理論研究和現(xiàn)場試驗，摸索柱塞合理運(yùn)行周期，推廣應(yīng)用該技術(shù)。

[1]詹姆斯·利，亨利·尼肯斯，邁克爾·韋爾斯.氣井排水采氣技術(shù)[J］.石油工業(yè)出版社，2009，3（1）:168-169.

[2]韓勇，宋志軍，白建文，宋漢華，薛媛.柱塞氣舉排水采氣工藝在蘇里格氣田的應(yīng)用研究[J］.內(nèi)蒙古石油化工，2011，（4）：71-74.

[3]張榮軍，喬康.柱塞氣舉排水采氣工藝技術(shù)在蘇里格氣田的應(yīng)用[J］.鉆采工藝，2009，（6）：118-119.

[4]于蓉.對柱塞氣舉排水采氣工藝的幾點認(rèn)識[J］.鉆采工藝，1994，17（2）:82-84.