柱塞氣舉工藝主要影響因素分析

魯小東，趙義鵬，彭蔣偉

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

分析柱塞氣舉的影響因素，有利于對其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行判斷。雖然柱塞氣舉排水采氣工藝已經(jīng)廣泛運(yùn)用在石油天然氣行業(yè)，前人也有對其影響因素做了一些研究，中國石油大學(xué)何順利、吳志均等[1]將柱塞氣舉的影響因素分為動力因素、阻力因素、和體積因素。動力因素主要和氣液比、地層壓力有關(guān)；阻力因素主要和地面管線的尺寸、柱塞自身重力、舉升液量、井口分離器壓力以及井口節(jié)流閥大小有關(guān)；體積因素主要和卡定器下入井下的深度有關(guān)。上述3種影響因素又可以分成可控的因素與不可控的因素[2]，當(dāng)氣井生產(chǎn)條件發(fā)生變化時，各因素之間又在相互轉(zhuǎn)化。但是只對其進(jìn)行了單因素分析，沒有進(jìn)行多因素分析。

本文通過建立柱塞氣舉數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用控制變量法[3]，假設(shè)在某一時間段氣井的井況參數(shù)是恒定的，計算在各個因素變化下，對柱塞氣舉工藝產(chǎn)生的影響；最后對各種影響因素進(jìn)行多因素分析，當(dāng)各個因素綜合起來時，明確對柱塞氣舉產(chǎn)生的影響。柱塞氣舉的影響因素直接影響氣舉的效率，由于國內(nèi)外對柱塞影響因素的研究較少，所以只有做出定量的分析，才能具體分析柱塞氣舉的影響因素；通過建立合適的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定合適的工況，得出的結(jié)果才有直觀的參考價值。影響柱塞氣舉的因素有以下幾種，如圖1所示。

圖1 柱塞氣舉影響因素分類Fig.1 Classification of factorsaffectingplunger gas lift

1 柱塞氣舉的單因素分析

1.1 動力因素

（1）氣液比

通過氣液比的大小可以反映出氣井中產(chǎn)氣量與產(chǎn)液量所占的比例[4-6]。氣液比越高，井底氣體的能量越高，柱塞舉升過程更加容易。但是當(dāng)氣液比低于一定值時，柱塞氣舉將無法進(jìn)行。根據(jù)東海西湖氣田某氣井的基本井況參數(shù)，可以計算出在不同的氣液比條件下，對柱塞氣舉的影響，如表1所示。通過計算結(jié)果可以得：氣液比對周期舉升液量、日產(chǎn)氣量、循環(huán)時間的影響，隨著氣液比的增加，周期舉升液量減少，日產(chǎn)氣量也不斷增加，柱塞上行速度變快，循環(huán)時間減少。

表1 氣液比與柱塞氣舉參數(shù)的關(guān)系Tab.1 Relationship between gas-liquid ratioand plunger gaslift parameters

（2）地層壓力

地層壓力越大，地層能量也就越大[7-9]，越有利于進(jìn)行柱塞氣舉；當(dāng)?shù)貙訅毫Φ陀谝欢ㄖ禃r，柱塞舉升過程中動力偏低，柱塞舉升過程時間會變長，甚至有可能柱塞沒有辦法舉升液體到井口，無法實現(xiàn)柱塞氣舉的正常作業(yè)。

按步長1 MPa，設(shè)定不同的地層壓力，保持其他條件不變，可以得出柱塞氣舉在地層壓力變化下對各個氣舉參數(shù)的影響，計算結(jié)果如表2所示。通過計算可以得出地層壓力對周期舉升液量、日產(chǎn)氣量、循環(huán)時間的影響，隨著地層壓力的增加，柱塞舉升過程中動力增大，單次可以舉升更多的液量，周期舉升液量隨即增加；隨著地層壓力的增大，有益于排水采氣的進(jìn)行，因此日產(chǎn)氣量明顯增大；隨著地層壓力的變大，周期舉升液量增大，續(xù)流生產(chǎn)時間變長，因此柱塞氣舉的循環(huán)時間變長，循環(huán)次數(shù)反而會減少。

表2 地層壓力與柱塞氣舉參數(shù)的關(guān)系Tab.2 Relationship between formation pressure and plunger gas lift parameters

1.2 阻力因素

（1）井斜角

井斜角是某一口井的中軸線與地球鉛垂線之間的夾角，在水平井和定向井中，需要控制井斜角在一定的范圍之內(nèi)，否則會影響柱塞運(yùn)行的速度以及排液效果[10-11]，是非常重要的一個參數(shù)。根據(jù)氣井的基本井況數(shù)據(jù)，可以計算出在不同井斜角變化下，柱塞氣舉各個參數(shù)的變化情況如表3所示。

表3 井斜角與柱塞氣舉參數(shù)的關(guān)系Tab.3 Relationship between well inclination and plunger gaslift parameters

通過計算可以得出井斜角對周期舉升液量、日產(chǎn)氣量、日循環(huán)次數(shù)的影響，當(dāng)井斜角不斷增大時，周期舉升液量也會逐漸變大，井筒垂深減小，柱塞整體的受力會在垂直于井筒方向增大，井筒軸向的壓力反而減小，柱塞上行過程阻力減小，因此舉升液量會增大；井斜角增大時，柱塞舉升過程中阻力減小，有利于柱塞上升，日產(chǎn)氣量變大；當(dāng)井斜角增大時，柱塞上升過程中阻力變小，舉升液量變大，循環(huán)次數(shù)減小。（2）產(chǎn)液指數(shù)

產(chǎn)液指數(shù)舉液反映氣井產(chǎn)液量的大小，產(chǎn)業(yè)指數(shù)增大時，產(chǎn)液量也會增大[12]，產(chǎn)液量增大，氣井中積液高度增大，柱塞在下行過程中，穿過積液的時間越長；柱塞舉升的液量增大，則對柱塞上行的阻力越大，上行時間也會變長。所以產(chǎn)液指數(shù)的增大不利于氣井進(jìn)行柱塞氣舉，產(chǎn)液指數(shù)應(yīng)越小越好。

通過計算在不同的產(chǎn)業(yè)指數(shù)下，對柱塞氣舉各參數(shù)的影響，得到如表4所示結(jié)果。

表4 產(chǎn)液指數(shù)與柱塞氣舉參數(shù)的關(guān)系Tab.4 Relationship between liquid production index and plunger gas lift parameters

通過計算可以得出產(chǎn)液指數(shù)對周期舉升液量、日產(chǎn)氣量、循環(huán)時間的影響，當(dāng)產(chǎn)液指數(shù)增大時，單次舉升的液量也會增大，產(chǎn)業(yè)指數(shù)與日產(chǎn)氣量成反比，產(chǎn)業(yè)指數(shù)增大時，日產(chǎn)氣量反而會減??；產(chǎn)業(yè)指數(shù)與周期循環(huán)時間成正比，產(chǎn)業(yè)指數(shù)越大，周期循環(huán)時間越長。

（3）分離器壓力

當(dāng)柱塞舉升積液上行到井口的過程中[13-14]，柱塞上端的氣體壓力、液柱重力、摩擦阻力等會成為柱塞上行過程中的阻力，柱塞上端氣體壓力取決于分離器壓力、地面管線的長度和內(nèi)徑、井口氣嘴大小以及集氣站氣嘴大小。隨著一口氣井的確定，地面管線隨之確定，氣嘴的大小由薄膜閥的型號而確定，集氣站的大小也是根據(jù)相應(yīng)配套的針型閥大規(guī)格而確定的。因此，只有分離器壓力（輸氣管線壓力）可以控制，進(jìn)而控制柱塞上行過程中的阻力。

當(dāng)分離器壓力（輸氣管線壓力）增大時，柱塞到達(dá)井口時間、關(guān)井時壓力恢復(fù)時間都會增大，導(dǎo)致柱塞氣舉循環(huán)時間增大，氣井的日產(chǎn)氣量有所下降。隨著分離器壓力增加到一定程度時，柱塞氣舉失去作用，無法進(jìn)行正常的排水采氣工作。所以，合適的控制分離器壓力有利于延長柱塞工作時間，排水采氣效果更加明顯。

1.3 體積因素

氣井深度越深，柱塞舉升液體上行距離越長，油套環(huán)空需要更大的膨脹能[15]。假設(shè)氣井的其他參數(shù)保持不變，通過控制氣井深度變化，分析對柱塞氣舉產(chǎn)生的影響。當(dāng)氣井深度增大時，卡定器下入深度也會隨之增大，因此可以通過控制卡定器下入深度來分析對柱塞氣舉產(chǎn)生的影響。

表5 卡定器深度和柱塞氣舉的關(guān)系Tab.5 The relationship between the depth of the retainer and thegaslift of theplunger

可以得出，當(dāng)卡定器下入深度增大時，周期舉升的液量以及日產(chǎn)氣量都會增大；卡定器下入深度增大，柱塞運(yùn)行距離增大，則柱塞的運(yùn)行時間也會變長，即周期循環(huán)時間變長；卡定器下入深度太大時，柱塞無法達(dá)到井口的最小舉升套壓，因此需要控制卡定器下入深度在一定范圍內(nèi)，否則對地層壓力的要求會更高。

2 柱塞氣舉的多因素分析

對柱塞氣舉的影響因素進(jìn)行多因素分析，氣井日產(chǎn)氣量受到不同種因素影響時，其產(chǎn)氣量會發(fā)生變化[16]。

如圖2所示，在不同氣液比下，地層壓力越大，日產(chǎn)氣量越高；地層壓力保持不變，氣液比越大，氣井日產(chǎn)氣量越大。如圖3所示，在井斜角和地層壓力共同影響下，井斜角越大，氣井日產(chǎn)氣量越高；井斜角保持不變時，地層壓力越大，氣井日產(chǎn)氣量越高，但是在此過程中，井斜角不能越大越好，根據(jù)柱塞以及井下工具的通過性，井斜有其最大值。

圖2 卡定器下入深度與周期舉升液量的關(guān)系Fig.2 The relationship between the depth of the stopper entry and the periodic liftingfluid volume

圖3 卡定器下入深度與日產(chǎn)氣量的關(guān)系Fig.3 The relationship between the depth of the stopper and the daily gasproduction

氣井日產(chǎn)氣量在卡定器與地層壓力共同作用下的結(jié)果如圖4所示，地層壓力保持不變時，卡定器下入深度越大，氣井日產(chǎn)氣量越大；卡定器下入深度保持不變時，地層壓力越大，氣井日產(chǎn)氣量越高。但是，卡定器深度不能一直增大，當(dāng)卡定器深度超過設(shè)定值時，井口壓力難以恢復(fù)，反而會影響柱塞氣舉。

圖4 卡定器下入深度與日產(chǎn)氣量的關(guān)系Fig.4 The relationship between the depth of the stopper and thedaily gasproduction

3 結(jié)束語

本文通過建立柱塞的動態(tài)模型，計算各個因素變化下柱塞氣舉其他各參數(shù)的變化，從單因素分析可以得出氣液比、地層壓力與周期舉升液量、日產(chǎn)氣量、循環(huán)時間成正比，與周期舉升液量成反比；井斜角與周期舉升液量；產(chǎn)業(yè)指數(shù)、分離器壓力與日產(chǎn)氣量成反比。

從多因素方面分析對柱塞氣舉的影響，可以得到為了讓柱塞氣舉正常運(yùn)行，氣液比和地層壓力須高出最小值，氣井深度和分離器壓力不能超過某一最大值，只有對柱塞氣舉的多種因素綜合考慮，才能保證柱塞氣舉正常運(yùn)行，并且根據(jù)不同時刻下參數(shù)變化，及時調(diào)整柱塞運(yùn)行制度，可以延長柱塞工作時間和氣井的成產(chǎn)壽命。