智能柱塞瞬時運行速度研究與應用

翟中波*

（斯倫貝謝長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，屬于致密氣項目。產水氣井在生產一段時間后，近井筒地帶地層壓力逐漸減小，生產壓差隨即降低，造成氣量下降，在低于臨界攜液氣量時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，最終減小氣產量，造成氣井積液甚至水淹不能生產[1-3]。

X井區(qū)部分積液井井身結構為?139.7 mm套管＋?73.02 mm油管。針對帶環(huán)空的積液氣井，柱塞作為一種排水采氣措施，使用廣泛，具有無需改變井身結構、無需外界能量、無儲層傷害、作業(yè)簡單、經(jīng)濟性好、見效快的優(yōu)點。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]，但是上行過程需要使速度達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，到達地面快速撞擊防噴管，容易損壞地面壓力控制設備或管道，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)氣井壓力恢復及安全要求進行調試，過快或者過慢都有不利影響。

關于柱塞上行速度，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]認為柱塞上行速度在 3.81～5.08 m/s時氣舉效率最高；中國石油天然氣集團有限公司《柱塞氣舉技術規(guī)范》中推薦上行速度為 3.3～5 m/s。在實際應用過程中，常規(guī)柱塞僅通過井下限位器安裝深度和開井后柱塞由井底到達地面防噴管的時長簡單計算柱塞上行平均速度。Foss和Gaul[10]通過24口井的實際數(shù)據(jù)測得柱塞平均上行速度為5.08 m/s，Lynn測得了10口井上行速度，平均值為4.84 m/s。關于柱塞下行速度，Acosta[11]自制簡易裝置對豎直井中不同介質條件下的柱塞下行速度進行了研究，但是由于其試驗裝置下行行程較短，速度值沒有很好的參考意義，僅用于研究柱塞在不同介質中的下行速度之間的數(shù)量關系。Foss和Gaul測得：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。

上述所有研究僅針對豎直井整個柱塞行程測得平均速度，對于其他S型井、水平井等井型沒有做出研究，并且不能確定不同深度對應的柱塞速度，液體滑脫情況就無從判斷。另外，常規(guī)柱塞通過氣動薄膜閥的開關井控制柱塞的上行下落，易造成井筒激動和液體滑脫，降低柱塞效率。且運行過程中無法監(jiān)測速度、壓力、溫度等參數(shù)，屬于粗放式排水采氣。為此，X井區(qū)引進智能柱塞。智能柱塞可依托內置的加速度傳感器結合井身結構得到上行過程中沿井筒的速度分布，及時調整參數(shù)確保柱塞高效運行。結合井身結構和生產數(shù)據(jù)，生產工程師能精確監(jiān)控氣井生產狀況，并對柱塞運行制度進行優(yōu)化，降低油套壓差，提高氣液產量、采氣時率和最終采收率。

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井復壓、開井氣舉、連續(xù)生產3個階段。智能柱塞和常規(guī)柱塞原理相同，包含井口裝置、井內設備、遠程控制系統(tǒng)3個部分。與常規(guī)柱塞不同之處包括3個方面。①智能柱塞中內置了加速度、溫度和壓力傳感器，獲取的數(shù)據(jù)儲存于柱塞的存儲單元，柱塞上行至井口被捕捉后，人工將此柱塞每個工藝循環(huán)中收集的信息（溫度、壓力、加速度）導出，遠程發(fā)送到云服務器和客戶端?？蛻舳诉h程控制平臺可以根據(jù)氣井參數(shù)遠程調大調小節(jié)流閥來實現(xiàn)柱塞上行下行，控制模式有定時開關、定壓開關、人工開關等方式。②智能柱塞改造采氣樹結構使其內通徑和生產油管一致，避免柱塞到達井口后由于流道變大造成液體滑脫下落，柱塞不能進入防噴管而節(jié)流造成排水采氣效果差。③智能柱塞可以按照設定的壓力和時間自動遠程調節(jié)針閥開度（開度范圍 0～999），柱塞運行的整個過程中氣井始終保持生產狀態(tài)。

圖1所示為智能柱塞的3個周期。①關井復壓階段。常規(guī)柱塞關井直接截斷關井。本智能柱塞采用流量調節(jié)閥（針閥開度 200/999），保持小流量生產，一方面減小液體滑脫，提升單次排水效率；另一方面避免全開全關氣井減小井筒激動，從而避免地面設備甚至儲層的傷害。②開井氣舉階段。根據(jù)單次排液量和柱塞上行速度實測值，調節(jié)針閥開度（600/999～750/999），實現(xiàn)精準調控。③連續(xù)生產階段。該階段在氣井自主排液結束之后開始，此時針閥開度調至最大（999/999），保持全開狀態(tài)，提高單次采氣效率。

圖1 智能柱塞小流量動態(tài)液柱舉升周期示意圖

圖2為單周期內常規(guī)柱塞與智能柱塞的氣量對比（2021-04-06的數(shù)據(jù)為例），可以看出：常規(guī)柱塞在關井復壓階段氣量降為 0，井筒內的液滴會逐漸回落，滑脫效應增大；智能柱塞由于關井復壓階段自動針閥仍然保持 200/999的開度，氣井保持2 300 m3/d的氣量生產，在降低井筒激動的同時減小液體滑脫，最終提升柱塞效率，從這個角度上講也稱作小流量動態(tài)液柱舉升柱塞。

圖2 智能柱塞和傳統(tǒng)柱塞單周期氣量對比

2 智能柱塞速度測量原理

通過內置程序，運用微積分思想，將柱塞的上行下行的運行行程劃分為一定數(shù)值的小段行程，智能柱塞內置加速度傳感器得到此小段行程的加速度值。在柱塞過程中，時刻測量并記錄加速度值。利用式（1）和式（2）在此小段行程范圍內積分，即可得到柱塞運行的速度和對應的行程（即氣井斜深）。

式中：V——柱塞速度，m/s；a——加速度，m/s2；t——時間，s；S——井深，m。

3 智能柱塞運行速度分析

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3 242～3 245 m（斜深）深度的山23儲層進行了壓裂施工，隨后采用?73.02 mm生產管柱進行返排測試，采用?10 mm油嘴求產測試，井口油壓為4.6 MPa，穩(wěn)定氣產量為1.09×104m3/d，穩(wěn)產期間無水；采用“一點法”計算該井的絕對無阻流量為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圖?？梢钥闯?，整個井筒按照井斜的變化可分為3個部分：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開始造斜，到813 m達到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圖

圖4 Y4-3井閉合距沿著井斜深的變化趨勢圖

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月放入柱塞并調試；12月初柱塞運行正常至今。柱塞安裝并調試運行正常之后，每次柱塞運行至井口時，便可通過自動發(fā)射裝置將采集到的速度、壓力、溫度等數(shù)據(jù)通過無線信號發(fā)送至生產辦公室的遠程接收裝置，對柱塞運行狀態(tài)進行實時分析。

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個周期柱塞的上行速度有很強相似性。調大針閥開度后，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，對柱塞的沖擊力小，在2 722 m到387 m深度范圍內柱塞速度保持大于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，對柱塞的推動作用減弱，柱塞的上行速度逐漸減小，直至運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（生產油管外徑73.02 mm，內徑62 mm），智能排液效果良好。這是因為在柱塞從井底剛開始啟動和到達井口時速度過低拉低了平均值。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 智能柱塞運行油套壓變化曲線

圖7為柱塞上行過程中在直井+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，見式（3）。

圖7 柱塞上行過程受力示意圖

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——柱塞和液體段塞質量，kg。

剛開井瞬間，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，柱塞攜水開始上移。在降斜段上行過程中，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壁間隙內回落，重力G不斷減小，柱塞之上的氣體不斷釋放，導致上下壓差力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。隨即柱塞進入25°穩(wěn)斜段（2 864～825 m），由于重力作用，柱塞緊貼油管下側，壓力降低，氣體流速增大，湍流密封效果增強，液體滑脫減少，且4個主要力的合力大致為0，加速度為0，柱塞在穩(wěn)斜段保持勻速運動。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，導致上下壓差力FΔp減小，合力向下，加速度向下，作用結果為柱塞減速，到地面時柱塞速度減為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，調小針閥開度之后，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后進入穩(wěn)斜段，柱塞速度有個增長臺階隨后緩慢下降；到達2 800 m位置時，進入降斜段，速度有個減小臺階并逐漸減小，進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致其加速度產生變化，進而改變其速度值，呈現(xiàn)結果為柱塞運行時瞬時速度的變化。圖9為柱塞下行過程中在直井+造斜段（或降斜段）和 25°穩(wěn)斜段的受力示意圖。

圖9 柱塞下行過程受力示意圖

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

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

剛調小流量瞬間，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，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。進入穩(wěn)斜段（828～2 800 m）后，由于重力作用，柱塞緊貼油管下側，氣流從上側溢出，導致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，產生向上的加速度，柱塞減速。進入水中之后，這種效應更加明顯，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、柱塞類型、流體類型、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，分析并結合氣井生產數(shù)據(jù)（油套壓、溫度、氣量）等即可對氣井的生產動態(tài)做出診斷，如果速度不合適，可以通過調整開井套壓、針閥開度、柱塞外徑、柱塞種類等進行優(yōu)化，使其達到最優(yōu)的排水采氣效果。

4 泡沫排液提高柱塞運行效果分析

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）時的油套壓曲線。不同柱塞上行速度時的生產參數(shù)及排液量見表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，且開井前油套壓差較大，氣井逐漸積液，開井之后柱塞的上行時間分別為 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；為了增大開井時柱塞的上行速度從而增強柱塞氣舉效果，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），同時延長關井時間。從環(huán)空注入泡排劑后，泡排劑沿著油管外壁或套管內壁下行至環(huán)空積液位置，氣流擾動形成低密度含水泡沫，泡沫液密度可降低為原來液體密度的 1/5[1]。泡排后關井恢復時油壓比積液時增大，油套壓差減小。6月 1日晚上開井，由于積液較多，導致環(huán)空氣體膨脹做功受限，并且柱塞之上液柱較多，導致柱塞舉升困難。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）同時正常帶液（綠圈），排液量為323 L；6月2日再次開井前，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的生產參數(shù)及排液量

圖10 不同柱塞上行速度時的油套壓曲線

研究井區(qū)其他柱塞井，發(fā)現(xiàn)具有相同排液規(guī)律，由此得出結論：①柱塞速度對排液效果影響較大，速度大時液體滑脫減小，單次舉升液體更多，但是要注意評估柱塞速度過大對防噴管的影響；②泡排可以極大增強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%）時仍能正常排液。

5 結論

智能柱塞可依托內置的加速度傳感器，結合井身結構，得到上行過程中沿井筒的速度分布，及時調整參數(shù)確保柱塞高效運行。結合井身結構和生產數(shù)據(jù)，生產工程師能精確監(jiān)控智能柱塞氣井生產狀況，并對柱塞運行速度進行優(yōu)化。

根據(jù)井斜角的不同，將此S型井柱塞運行路徑大致分為：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型井上行下行過程中并不是勻速運動，通過智能柱塞得到的速度曲線可知：整個運動過程呈現(xiàn)變速運動特征，主要受井斜和氣流量的影響，柱塞所受合力變化導致加速度變化進而引起速度變化，并且呈現(xiàn)出一定規(guī)律性；柱塞上行速度對排液效果影響較大，速度大于2.5 m/s時，具有良好的氣舉排液效果；泡排可以增強柱塞氣舉排液的效果，使柱塞在速度較低時仍然能夠正常排液。