分體式柱塞氣舉實驗模擬

張峰超++郝俊龍++董婧璇++張立++劉林

摘 要：為了進一步改進分體式柱塞的性能，使其排液能力更加顯著，我們在分析新型分體式柱塞氣舉原理的基礎上，我們自行設計并搭建了分體式柱塞的模擬實驗裝置，建立分體式柱塞氣舉模擬實驗，實驗模擬了分體式柱塞啟動、連續(xù)排液過程及卸載過程，對比分析了分體式柱塞氣舉和常規(guī)氣舉排液規(guī)律，對比分析了注液、氣量對柱塞上升、下落時間的影響規(guī)律。該實驗目的：首先通過觀察現(xiàn)場模擬實驗的實驗現(xiàn)象來了解分體式柱塞工作特點；然后分析這些影響分體式柱塞運行周期的因素，為研究出工作效率更高、更加適合現(xiàn)場油田環(huán)境的柱塞做準備工作。該實驗對完善及推廣柱塞氣舉工藝具有實際的意義。

關(guān)鍵詞：有水氣井 分體式柱塞 排水采氣 實驗

中圖分類號：TE3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0050-02

我國氣田逐漸進入開發(fā)中后期，含水上升，地層能量和產(chǎn)氣量下降，井筒氣體舉液過程液體滑脫現(xiàn)象日趨嚴重，這將增加井底回壓，降低地層生產(chǎn)壓差，致使造氣井產(chǎn)量進一步下降。常規(guī)柱塞舉升是解決低壓低產(chǎn)有水氣井液體滑脫損失嚴重的重要方法之一，其原理是利用柱塞在油管中氣體和液體之間形成固體界面，減少氣體竄流和液體回落，從而提高舉升效率。但常規(guī)柱塞排液采氣過程中，柱塞下落時間較長需要長時間關(guān)井，影響產(chǎn)量。德士古公司成功研制出一種不關(guān)井連續(xù)生產(chǎn)的分體式柱塞氣舉方式，并應用于德克薩斯州東部、南部和西部油田中十口井，增產(chǎn)效果明顯，與泡沫排液相比，還能節(jié)省化學藥品費用，降低生產(chǎn)成本。

該文在分析新型分體式柱塞氣舉原理的基礎上，建立分體式柱塞氣舉模擬實驗回路，實驗模擬了分體式柱塞啟動、連續(xù)排液過程及卸載過程，對完善及推廣柱塞氣舉工藝具有實際的意義。

1 實驗裝置

1.1 主要特性

分體式柱塞實驗裝置簡易流程如圖1所示，該裝置采用套管+油管的井筒管柱結(jié)構(gòu)；井筒部分采用透明的有機玻璃管，能實現(xiàn)實驗全程的可視化；實驗裝置底部及頂部均設計有柱塞運行緩沖部件；油管內(nèi)徑Ф40 mm（相當于API1.9"油管），垂直高度19 m；套管內(nèi)徑Ф120 mm（相當于API5 1/2"套管），垂直高度14 m；底部承重法蘭內(nèi)孔徑120 mm，外徑250 mm；底部支承管柱高127 cm，并沿承重法蘭圓周均布3根；底部氣液混合裝置及緩沖裝置免受其上部的油套管及其他部件承壓，既方便拆卸組裝，又延長其使用壽命。

1.2 實驗系統(tǒng)

分體式柱塞實驗系統(tǒng)由柱塞回路系統(tǒng)、氣回路及水回路組成。柱塞回路運行流程依次為底部緩沖裝置、井筒舉升管柱、頂部舉升裝置、井筒舉升管柱、底部緩沖裝置；氣流程較為復雜，空氣經(jīng)壓縮機壓縮成高壓氣體后進入儲氣罐，然后根據(jù)實驗的具體情況分別進入井筒井筒底部裝置與液體匯合。水路流程水流依次進入恒壓水箱、水計量儀表、井底進液裝置、井筒舉升管線、井口排液管線、氣液分離器、進入恒壓水箱，進入下一循環(huán)。

2 實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果分析

2.1 啟動過程

啟動過程：在分體式柱塞氣舉啟動過程中，先打開進液閥門，當液體進入井筒一定高度后再緩慢開啟進氣閥門。開啟進液閥門，水流慢慢進入井筒，井底壓力緩慢升高；開啟進氣閥門并不斷調(diào)節(jié)進氣流量，在此過程中由于氣體慢慢進入井筒，井底氣液兩相呈現(xiàn)攪動流狀態(tài)，并托舉著柱塞在氣液兩相流動中上下震蕩，但此時柱塞并不會到達井口井筒內(nèi)液體不會被排掉，由于井底積液量的累積及柱塞的上下震蕩導致井底壓力表現(xiàn)為波動起伏式升高；經(jīng)過前期對注氣量不斷的調(diào)試，柱塞同其上部的液柱能夠穩(wěn)定到達井口，液體被排出井口，柱塞在井口也能實現(xiàn)空心圓柱筒與球的分離并分別下落。至此，分體式柱塞已能實現(xiàn)不關(guān)井穩(wěn)定運行，由于前期井內(nèi)積液量較大，所以柱塞在最初幾次的舉升液量較多，井底壓力下降較快，井口壓力峰尖較高。此后隨著大量液體被排出，井筒內(nèi)積液慢慢減少，最后與井筒進液量達到平衡，在此過程中井底壓力及井口壓力起伏達到平衡。

2.2 卸載過程

卸載過程：先讓柱塞正常運行并舉升液體，當空心圓柱筒最后一次下落至井底時關(guān)閉進氣閥門，之前柱塞上升過程中漏失的液體也迅速回落至井底，此時還有液體繼續(xù)從進液閥門不斷進入井筒，因此，隨著井底壓力不斷上升，一段時間后關(guān)閉進液閥門，同時打開井底排液閥門，此時井筒內(nèi)積液迅速回落，井底壓力也隨之下降，至此，實驗卸載結(jié)束。

2.3 分體式柱塞氣舉與常規(guī)氣舉對比實驗

實驗過程如圖2所示。井底壓力相鄰兩個波峰或波谷之間為一個柱塞運行周期。井口壓力的峰值即為柱塞與其上部的液段達到井口的時刻。由圖2可以看出：（1）在0～120 s內(nèi)，分體式柱塞氣舉正常運行，井筒液體被帶出井口。（2）在121～220 s內(nèi)，此時井筒由分體式柱塞氣舉工藝變成常規(guī)連續(xù)氣舉工藝，可以明顯看出在此過程中，僅僅依靠氣體已無法將井筒內(nèi)積液全部帶至井口排出，隨著井筒進液量不斷增加，井筒內(nèi)積液越來越多，從而造成井底壓力顯著增大。（3）在221～500 s內(nèi)，此時井筒又由常規(guī)連續(xù)氣舉工藝恢復成分體式柱塞氣舉工藝，柱塞正常運行。

從本次試驗可以得出以下結(jié)論：分體式柱塞氣舉能將井筒內(nèi)液體幾乎全部帶出井口排出，而常規(guī)連續(xù)氣舉出現(xiàn)嚴重液體滑脫。說明分體式柱塞氣舉工藝比常規(guī)連續(xù)氣舉工藝在相同條件下更能有效排出井筒內(nèi)液體。

2.4 不同液流量對比實驗

如圖3是注液量分別為2、3.2、4.4 L/min，柱塞上升時間與注氣量的關(guān)系。由圖3可知，在不同液流量條件下柱塞上升時間與注氣量關(guān)系的規(guī)律一致，即在注氣量小于20 m3/h的條件下，柱塞平均上升時間隨注氣量的增加下降較快，但在注氣量大于20 m3/h時，柱塞平均上升時間隨注氣量的增加下降較為緩慢。并且隨著液流量越大這種趨勢越為明顯。

3 結(jié)論

（1）開展了分體式柱塞物理模擬實驗，實現(xiàn)了長期不關(guān)井條件下分體式柱塞在實驗井筒中穩(wěn)定帶液運行。

（2）進行了分體式柱塞氣舉和常規(guī)氣舉對比實驗，其測試結(jié)果表明：分體式柱塞氣舉工藝比常規(guī)連續(xù)氣舉工藝在相同條件下更能有效排出井筒內(nèi)液體；

（3）對比分析不同進液量和注氣量對井底壓力、井口壓力、柱塞上升時間、柱塞下落時間及柱塞運行周期等參數(shù)的影響，得到了在不同進液量條件下柱塞上升時間與注氣量的關(guān)系。

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