輪南、桑解油田連續(xù)清蠟柱塞氣舉新工藝

雷騰蛟 崔小虎 蘇洲 楊文明 王紅標(biāo) 段玉明

1. 中國(guó)石油塔里木油田分公司輪南油氣開(kāi)發(fā)部；2. 中國(guó)石油塔里木油田分公司監(jiān)督中心

輪南、桑解油田部分儲(chǔ)層存在產(chǎn)層深、氣液比高、地層能量較低、原油含蠟量高等特點(diǎn)［1-2］。投產(chǎn)初期油井具有一定自噴能力，但自噴生產(chǎn)一段時(shí)間后，易出現(xiàn)流體井筒滑脫造成積液停噴、且舉升過(guò)程中隨溫度降低井筒結(jié)蠟的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)前期研究，形成一套自生氣間歇柱塞氣舉工藝［3］。然而，一方面隨著油井地層能量的進(jìn)一步降低、含水持續(xù)升高，井筒積液加重；另一方面隨油井舉升液量逐步降低，井筒溫度進(jìn)一步下降，原油蠟質(zhì)析出更加嚴(yán)重，常規(guī)柱塞氣舉已無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。因此，在前期自生氣間歇柱塞氣舉工藝的基礎(chǔ)上，針對(duì)輪南、桑解油田具有一定自噴能力、高含蠟油井，設(shè)計(jì)出一套連續(xù)清蠟柱塞氣舉新工藝。該工藝具有高時(shí)率、防結(jié)蠟的特點(diǎn)，可確保油井高效生產(chǎn)。

1 現(xiàn)有柱塞氣舉工藝的局限性

(1)輪南、桑解油田大部分油井產(chǎn)層深達(dá)5 000 m，地層壓力55 MPa，投產(chǎn)初期地層能量充足，借助地層自身能量油井采用間歇柱塞氣舉能夠?qū)崿F(xiàn)正常舉升，但隨著地層能量的逐步降低、含水逐漸升高，井筒滑脫嚴(yán)重、積液加重，加之輪南、桑解油田地層水礦化度高達(dá)21×104mg/L且產(chǎn)層較深，易造成油井停噴。此時(shí)需要進(jìn)行制氮車高壓氣舉恢復(fù)油井生產(chǎn)，增大了生產(chǎn)費(fèi)用及安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)現(xiàn)有柱塞氣舉需要間歇關(guān)井恢復(fù)地層能量，再開(kāi)井舉升，該生產(chǎn)方式將降低生產(chǎn)時(shí)率。對(duì)于投產(chǎn)初期地層能量較充足油井采用柱塞氣舉舉升，理論上不需要關(guān)井進(jìn)行能量恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，但常規(guī)柱塞為實(shí)心設(shè)計(jì)，柱塞到達(dá)井口后必須泄壓使柱塞前后壓力一致，待壓差消失后柱塞才能回落，造成間歇生產(chǎn)，降低系統(tǒng)效率［4］。

(3)輪南、桑解油田部分層系原油含蠟量高達(dá)28%，油井生產(chǎn)過(guò)程中，隨井筒溫度的降低，油管壁結(jié)蠟嚴(yán)重，嚴(yán)重堵塞柱塞在井筒中運(yùn)行通道，而常規(guī)柱塞來(lái)回運(yùn)行過(guò)程中清蠟效果差，易被蠟質(zhì)糊住，無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)［5］。

2 連續(xù)清蠟柱塞結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)勢(shì)

2.1 柱塞內(nèi)部中空帶拉桿結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)勢(shì)

連續(xù)清蠟柱塞采用中空?qǐng)A柱葉片筒和活動(dòng)拉桿組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。上行階段，中空?qǐng)A柱葉片筒與活動(dòng)拉桿在井底形成密封狀態(tài)，井底氣體舉升液體至井口過(guò)程中，處于密封狀態(tài)下的柱塞可最大程度降低被舉升液體在井筒中的滑脫損失。下行階段，柱塞運(yùn)行至井口，拉桿碰撞井口緩沖裝置使柱塞中空通道打開(kāi)，平衡柱塞上下壓差，在重力作用下柱塞快速下落，并在井底承接器緩沖裝置處再次組合形成密封狀態(tài)，進(jìn)一步循環(huán)舉升液體［6］。

圖1 連續(xù)清蠟柱塞結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of continuous paraffin removal plunger

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于柱塞舉升井液至井口后，通過(guò)碰撞拉桿形成中空通道實(shí)現(xiàn)快速平衡柱塞上下壓差，柱塞快速下落至承接器形成密封，再次舉升井液，確保整個(gè)過(guò)程不間斷，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，大幅降低被舉升井液的滑脫損失，提高了生產(chǎn)效率，增加油井產(chǎn)量，同時(shí)避免井筒積液壓死油井，導(dǎo)致油井停噴。

2.2 柱塞外部密封帶刮蠟片結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)勢(shì)

連續(xù)清蠟柱塞采取外部密封帶刮蠟片的工藝設(shè)計(jì)，如圖2所示。柱塞外部設(shè)計(jì)浮動(dòng)活塞瓦，在彈簧作用下始終貼附于油管內(nèi)壁，起到防止柱塞上部液體向下滑脫的目的［7］；柱塞外部設(shè)計(jì)刮蠟片，在柱塞上下運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)連續(xù)刮除油管內(nèi)壁結(jié)蠟，刮落蠟質(zhì)隨井液帶出井口，且柱塞頂端設(shè)計(jì)通道口，柱塞到達(dá)井口，拉桿下移打開(kāi)中空通道泄壓時(shí)，柱塞下部流體在壓差作用下通過(guò)通道口高速?zèng)_洗殘留于柱塞頂部蠟質(zhì)，避免流體的流通通道堵塞［8］。

圖2 連續(xù)清蠟柱塞工況狀態(tài)Fig. 2 Working condition of continuous paraffin removal plunger

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于柱塞在舉升井液過(guò)程中，能有效降低滑脫損失，且在舉升井液的同時(shí)進(jìn)行油管壁刮蠟，避免結(jié)蠟堵塞油氣流動(dòng)通道，該結(jié)構(gòu)解決了高含蠟自噴油井油管結(jié)蠟堵塞運(yùn)行通道的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了該類油井高效連續(xù)生產(chǎn)。

3 連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝原理及設(shè)計(jì)

3.1 工藝原理

連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝采用內(nèi)部中空帶拉桿結(jié)構(gòu)、外部密封帶刮蠟片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［9］，實(shí)現(xiàn)了柱塞連續(xù)舉升井筒井液的同時(shí)，完成井筒刮蠟作業(yè)(圖3)。一方面，閉合后的柱塞作為舉升氣體和被舉升液體的密封界面，實(shí)現(xiàn)氣體舉升液體至井口，最大程度降低被舉升液體的滑脫程度；當(dāng)柱塞到達(dá)井口，拉桿撞擊緩沖裝置后，拉桿與柱塞外筒分離平衡柱塞上下壓差，在重力作用下，柱塞快速下落至安裝于油管內(nèi)部的承接器緩沖裝置上，實(shí)現(xiàn)拉桿與柱塞外筒的再次密封，在地層能量的推動(dòng)下，柱塞再次舉升井筒液體至井口，完成一個(gè)舉升過(guò)程［10］。另一方面，柱塞外部刮蠟片設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)柱塞來(lái)回運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行井筒清蠟，刮除油管內(nèi)壁石蠟，疏通油氣流通通道，確保安全生產(chǎn)。

圖3 連續(xù)氣舉示意圖Fig. 3 Schematic diagram of continuous gas lift

3.2 工藝設(shè)計(jì)

對(duì)連續(xù)清蠟柱塞氣舉過(guò)程中柱塞運(yùn)行周期、產(chǎn)液量等相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，主要通過(guò)建立柱塞氣舉動(dòng)力學(xué)模型，利用數(shù)值計(jì)算方法求解。由于連續(xù)清蠟柱塞在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)柱塞不同，柱塞工作過(guò)程中受力也存在一定差異，若不考慮液體回落，在上行過(guò)程中連續(xù)清蠟柱塞和常規(guī)柱塞受力是相同的。當(dāng)連續(xù)清蠟柱塞上行至井口后，拉桿與緩沖裝置撞擊，拉桿與柱塞外筒分離，柱塞下落過(guò)程中，柱塞下部的氣體和液體將沿著拉桿與柱塞外筒之間的中空通道相對(duì)于柱塞向上流動(dòng)，而常規(guī)柱塞下行過(guò)程中柱塞下部的氣體和液體是沿著柱塞與油管之間的間隙相對(duì)于柱塞向上流動(dòng)［11］。因此，兩種柱塞在下行過(guò)程中所受的浮力和摩擦力不同，進(jìn)而影響柱塞氣舉工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。

王崎生等人建立了常規(guī)柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)模型［12］，模型中將柱塞上下行過(guò)程中柱塞與油管壁之間的摩阻簡(jiǎn)化為舉升液體與油管之間的摩阻。由于連續(xù)清蠟柱塞與常規(guī)柱塞結(jié)構(gòu)不同，上下行過(guò)程中柱塞受力也存在一定差異。連續(xù)清蠟柱塞氣舉過(guò)程中，柱塞上行時(shí)柱塞長(zhǎng)度相比于柱塞上部液體段長(zhǎng)較小，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將柱塞與油管壁之間的摩阻簡(jiǎn)化為舉升液體與油管之間的摩阻；柱塞下行過(guò)程中柱塞與油管間的摩阻采用有桿泵舉升工藝中柱塞在泵筒中運(yùn)動(dòng)受力模型進(jìn)行描述；柱塞下行接觸到油管內(nèi)液面之后，井液將通過(guò)連續(xù)清蠟柱塞中部進(jìn)入到柱塞上部，井液與柱塞中部之間將產(chǎn)生流動(dòng)摩阻，流體在狹窄環(huán)形空間流動(dòng)時(shí)，與管壁接觸面積大小對(duì)流動(dòng)阻力影響較大，因此在常規(guī)柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)模型中引入了水力半徑R，建立了連續(xù)清蠟柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)模型。

式中，S為過(guò)流面積，mm2;C為濕周，mm；針對(duì)常規(guī)柱塞，D0為油管內(nèi)徑，mm；Di為柱塞外徑，mm；針對(duì)連續(xù)清蠟柱塞，D0為柱塞內(nèi)徑，mm；Di為拉桿外徑，mm。

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)可知，水力半徑R愈大，流體的流動(dòng)阻力愈小，水力半徑R愈小，流體的流動(dòng)阻力愈大。在過(guò)流面積相當(dāng)?shù)那闆r下，連續(xù)清蠟柱塞氣舉相比于常規(guī)柱塞氣舉濕周更小，水力半徑更大，所受流動(dòng)阻力越小。同時(shí)，連續(xù)清蠟柱塞底部截面積相比于常規(guī)柱塞更小(圖4)，所受浮力更小，因此更有利于縮短間歇?dú)馀e間歇時(shí)間。

為了設(shè)計(jì)連續(xù)清蠟柱塞氣舉過(guò)程中柱塞運(yùn)行周期、產(chǎn)液量等相關(guān)參數(shù)，利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)建立的連續(xù)清蠟柱塞氣舉運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行求解。通過(guò)輸入相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)(表1)，可計(jì)算出JFA井套壓為23 MPa時(shí)，該井循環(huán)周期為70 min，日循環(huán)次數(shù)為21次，日產(chǎn)液量為57 m3。

圖4 常規(guī)柱塞（左）與連續(xù)清蠟柱塞（右）截面示意圖Fig. 4 Sectional area diagram of conventional plunger (left) and continuous paraffin removal plunger (right)

表1 JFA井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of Well JFA

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

JFA井于2019年1月20日自噴投產(chǎn)TⅡ油組，日產(chǎn)液38 t，日產(chǎn)油28 t，日產(chǎn)氣0.6×104m3，油壓12 MPa，含水率26.32%，2月6日因井筒積液停噴；2月12日制氮車氣舉舉活后于2月21日再次停噴；2月27日制氮車再次舉活并投連續(xù)清蠟柱塞，日產(chǎn)液62 t，日產(chǎn)油38 t，日產(chǎn)氣1.1×104m3，含水率38.71%，油井工況穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。截至2019年12月該井已連續(xù)生產(chǎn)302 d，累計(jì)增油7 681 t、增氣203.5×104m3。連續(xù)柱塞通過(guò)活動(dòng)拉桿碰撞井口打開(kāi)中空通道，實(shí)現(xiàn)連續(xù)柱塞在不關(guān)井的條件下快速泄壓回落至井底，再次進(jìn)行舉升井液，實(shí)現(xiàn)了柱塞對(duì)井液的連續(xù)舉升，最大程度降低了井筒積液造成油井停噴的風(fēng)險(xiǎn)，大幅降低制氮車氣舉作業(yè)頻次，節(jié)約生產(chǎn)成本。

LNC井為氣舉采油井，日產(chǎn)液19 t，日產(chǎn)油18 t，日產(chǎn)氣1.2×104m3，含水率5.26%，該井井筒結(jié)蠟嚴(yán)重需定期進(jìn)行機(jī)械清蠟，清蠟周期為7 d。該井于2019年9月19日投連續(xù)清蠟柱塞，日產(chǎn)液30 t，日產(chǎn)油29 t，日產(chǎn)氣2.1×104m3，不再進(jìn)行機(jī)械清蠟。截至2020年7月該井在未進(jìn)行機(jī)械清蠟的前提下連續(xù)生產(chǎn)310 d，累計(jì)增油5 981 t、增氣471.8×104m3。該工藝實(shí)現(xiàn)了柱塞在舉升井液過(guò)程中對(duì)井筒進(jìn)行刮蠟，避免蠟質(zhì)堵塞井筒，確保了井筒的正常舉升，實(shí)現(xiàn)了高凝油井持續(xù)高效生產(chǎn)，節(jié)約機(jī)械清蠟成本的同時(shí)，大幅提高油井生產(chǎn)效率。

截至2020年7月連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝在輪南、桑解油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用6 井次，減少制氮車氣舉作業(yè)73 井次，減少機(jī)械清蠟作業(yè)122 井次，大幅降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了油井生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)累增油量25 416 t、累增氣1 403×104m3，節(jié)約作業(yè)費(fèi)用119 萬(wàn)元，連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果明顯(表2)。新工藝不僅大大降低了油井井筒堵塞、油井停噴次數(shù)，降低了機(jī)械清蠟、制氮車氣舉作業(yè)頻次，降低了生產(chǎn)成本，而且實(shí)現(xiàn)了油井連續(xù)生產(chǎn)，提高油井舉升效率，大幅提高油井產(chǎn)量，極大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

表2 連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝應(yīng)用井統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical application wells of continuous paraffin removal plunger gas lift process

5 結(jié)論

(1) “柱塞內(nèi)部中空帶拉桿結(jié)構(gòu)+柱塞外部密封帶刮蠟片結(jié)構(gòu)”一體化連續(xù)清蠟柱塞同時(shí)實(shí)現(xiàn)了柱塞連續(xù)舉升和快速清蠟的雙重功能，大幅降低了井筒積液壓死油層的概率，并且減輕了高凝油井井筒結(jié)蠟程度，實(shí)現(xiàn)油井連續(xù)高效生產(chǎn)。

(2) 針對(duì)地層能量較弱處于臨界停噴狀態(tài)的油井、自噴或處于臨界停噴狀態(tài)的高凝油井以及排水采氣氣井，采用連續(xù)清蠟柱塞氣舉工藝，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果明顯，不僅降低了制氮車氣舉、機(jī)械清蠟作業(yè)的頻次，還大幅度提高了油井產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)低成本、高效益生產(chǎn)。