柱塞气举工艺技术研究

柱塞气举采油工艺技术研究
中国石化中原油田分公司新科力技术公司
二00二年六月
前言
柱塞气举实质上是间歇气举采油的一种特殊形式，由于在举升气体和被举升液载之间提供了一种固体的密封界面，减少了气体的窜流和液体的回落，从而能有效提高气体能量的举升效率，使井的产量大大提高。

柱塞气体的举升能量来源于气体的膨胀能（地层气或注入气），它可以充分利用地层的能量，所以尤其适用于高气液比的采油井。

在常规间歇气举效率不高、效果不明显的井，采用柱塞气举可以提高生产效率，避免气体的无效消耗。

柱塞气举在正常生产时，由于柱塞在油管内往复运动，所以可以起到清、防蜡除垢的作用，可以节约生产时间和生产费用。

柱塞气举井下工具的安装都非常简便，只需利用钢丝绳就可以完成安装和打捞工作，避免了修井作业，这样既可以减少作业对油层的污染，同时可以节约生产时间。

美国总部：5900 Ranchester Dr,Houston,TX,77036 Tel(Fax): （001）2814984603
北京代表处：北京市海淀区海淀路50号1435室 邮 编：100083 电 话：（010）62560343 西部代表处：陕西·西安市未央区迎宾大道113号雅荷花园A26-32 邮 编：710021 电话（传真）：（029）86510578 2 1、工具设备的研制
1．1 工作过程
柱塞气举装置的正常工作，由时间控制器定时控制气动切断阀的开关来完成，当气动切断阀关闭是，柱塞上的凡尔已被防喷管内的撞击杆顶开，这时，柱塞靠自身重量下落，柱塞撞击缓冲弹簧后凡尔关闭。

当柱塞上方积聚到设计要求的液量时，气动切断阀打开，高压气体经过气举凡尔进入油管，从而把柱塞举升到井口，完成一周期再开始下一循环。

1．2 工具设备的结构和技术参数
1、柱塞
为弹簧加载的扩张叶片式柱塞，弹簧加载片直径接近于油管内径，扩张开为Ф61，收拢为Ф56，中间有一靠外部顶杆完成开或关的阀，柱塞密封受弹簧叶片及油管内径相对公差大小的影响。

技术参数：
材 质： 合金钢 ，作防腐处理
长 度： 445mm
叶片扩张最大外径：Ф61mm
叶片收拢最小外径：Ф56mm
打捞颈： Ф35mm
质 量： 6Kg
工作过程：
上行状态：柱塞座在缓冲弹簧上后，阀杆与缓冲弹簧碰撞上移。

堵塞孔2，使孔1与孔2不连通。

而柱塞叶片在弹簧作用下处于扩张状态，故与油管间隙较小，在举升过程滑脱损失小。

下行状态：柱塞上行，把液体举出井筒后，阀杆与井口防喷盒碰撞下
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使井筒中流体（主要是气体）能通过通道，柱塞依靠自重下落。

2、卡定器
停卡在2 7/8"油管（内径Ф62mm ）接箍的凹槽内，用钢丝投捞的方法投
放和捞出。

技术参数：
材 质：45#钢，经防腐处理。

打捞颈：45mm
最大尺寸：64mm
伸 长：345mm
质 量：1.5kg
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用投捞工具把卡定器送入油管内设计深度以下10m 处，然后上提工具串至油管接箍位置时，释放弹簧的钢丝头卡入接箍凹槽，弹开，使卡爪释放。

然后下放工具串，卡爪卡入接箍凹槽。

需要起出时，上提工具串，使卡爪回缩，即可提出。

3、缓冲弹簧：
放在卡定器上，当柱塞下落到底部时起缓冲及关闭柱塞下部阀的作用，上端有Ф35mm 的打捞颈，可以用钢丝打捞。

技术参数：
长 度： 850mm
最大外径： Ф58.5mm
材 质： 60Si 2Mn ，经防腐处理
质 量： 6.5Kg
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技术参数：
长： 170mm
高： 420mm
宽： 140mm
通径： Ф55mm
工作压力： 16MPa
耐压强度： 30MPa
工作介质： 天然气
最小开启所需压力0.2MPa
使用方法：
按流向箭头装在注气管线上,为常闭阀，由时间控制器发出指令信号，操纵阀的打开或关闭，阀上装有指示打开或关闭的标尺，以便于地面观察和控制两端为ZG2"—12牙/英寸母扣。

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功能：将高压天然气减压阀调整到下游切断阀动作所需压力（约0.35~0.5Mpa ），进口压力可达16MPa ，出口压力可任意调节直到零，连接扣型为ZG 1/4"~19牙/英寸。

作用：把井筒气体减压到（0.14—0.42MPa ），作为气动切断截止阀动作的动力气体。

技术参数：
进口压力：<16MPa
出口压力：0—0.525MPa
连接类型：ZG 1/4"
调压范围：0—0.525MPa
总高度：150mm 质 量： 1.5Kg
图 1-4 减压调压阀
1—壳体；2—弹簧罩；3—堵塞；4—调节阀；5—阀头；6—密封垫；7—膜片；
8—弹簧支撑；9—减压弹簧；10—调整螺钉；11—锁紧螺帽；12—连接螺钉；13—弹簧。

6、过滤器：
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技术参数：
通径： Ф60mm
耐压： 16MPa
总长： 262mm
体积： Ф50×150mm
材质： 合金钢
连接扣型： ZG 1/4"～19牙/英寸
图1-5 过滤器
1、2、3、4—排污阀；5—壳体；6—锁紧帽；7—垫片；8—过滤罩；
9—中心管；10--；11—出气孔；12--上盖。

7、防喷管总成
主要由防喷管、可取式压帽、缓冲弹簧和撞击杆组成，安装在三通之上。

连接扣型 ： 2 7/8"—8牙/英寸
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质 量 ： 25Kg
耐 压 ： 35MPa
防喷管内的缓冲弹簧用以吸收柱塞上行到井口防喷管时的刚性冲击，起减振作用。

防喷管顶部的压帽有一内孔，起导向作用，保证撞击杆对中，使它能完全进入上升的柱塞内，把阀顶开，打开旁通。

捕捉器可捕捉住柱塞，缓冲板使柱塞底部阀门撞击等。

8、三通总成
三通总成安装在采油树（或总闸门）的顶部，上部与放喷管连接。

三通一侧装有弹簧加载于钢球的手动捕捉器，用来捕捉柱塞，以便于对柱塞进行检查。

2 柱塞气举的动态模拟
2．1 柱塞气举中柱塞运动分析
当油井井底压力很低，以至在用间歇气举举升油井产出液的过程中，从油层进入油管内的液体高度还不足以防止气体窜过液柱，或为了提高间歇气举的举升效率时，人们往往把间歇气举与柱塞举升组合成柱塞气举。

准确分析柱塞气举中柱塞的运动规律，对于正确地设计柱塞气举装置、合理确定气举的循环周期和注入气的气量等均有密切的联系。

本节拟对柱塞运动作一准确的力学运动规律的分析。

2．1．1气举柱塞运动微分方程的建立
本节拟分析的柱塞气举装置的示意图如图2-1所示。

在柱塞上行的分析中所采用的坐标系的原点放在环空气体注入处,Y轴铅直向上。

注气循环开始时，柱塞的下底面位于坐标原点处。

设柱塞上行举升产出液的过程中的任意时刻ｔ，柱塞的下底面的位置为ｙ，图2-1中其余符号的意义参见本文后面的符号说明。

分析情况的确定：
为了简化分析，我们对所分析的柱塞运动作如下约定：
1、假定在柱塞作上下循环运动的过程中保持油管井口压力Ｐwh和环空地面注气压力Ｐso不变；
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2、认为柱塞循环上行的过程中油管内气体和被举升液体的运动速度均与柱塞运动速度相同；且环空中注入气体的速度可按不可压缩流体连续性方程计算；
3、不计柱塞上部液体的回落和气体沿柱塞边缘间隙的漏失。

这是由于在气举柱塞上行的过程中, 作用于柱塞下底面上的举升气体向上的压力大于作用在柱塞上顶面上的压力（若仅以柱塞为对象分析，则柱塞上顶面上的压力由油管井口压力、柱塞上部液体、液体上部的气体重和气液与油管间的摩阻作用构成），且由于柱塞与油管间的间隙中的气体可以阻止上部液体回落，故柱塞上部液体的漏失可予忽略；同时，由于柱塞上部液体的良好密封性，使得柱塞下部气体经柱塞与油管之间的间隙上逸的量大大减少，故本分析亦不计气体量的损失；
4、将柱塞循环过程中的地层液体的流入按稳定流处理；
5、油、套管中的气体和液体的温度按线性分布考虑。

2．1．2 柱塞向上运动的微分方程
现将柱塞和其上的待举升液柱作为一整体进行研究。

如前所述，则柱塞上行至坐标y 处时，作用于柱塞-液柱上的力有：
作用在液柱上表面的气体压力，P tsplugu ，方向向下；作用在柱塞下表面上的气体的向上压力，P tsplugd ；柱塞及其上液柱的重力W t ；液柱和柱塞侧面与油管壁间的摩阻力F f 。

由上述受力分析，可得到柱塞-液柱的运动方程：
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W
y g W F W A P P
t t f t t tsplugu tsplugd
=''=
---* …………….…….. (2-1) 式（2-1）中：
y a ''=——为柱塞和液柱运动的加速度；
A t ——油管过流面积；
W t ——柱塞和被举升液体的重量； F f ——柱塞和液柱的摩阻力。

式（2-1）中各量的求法如下：
1、柱塞下底面处的气体向上压力P tsplugd 该量的计算须按两种不同的情况分别予以处理： （1） 、环空注入气体的过程中
P tsplugd 可从环空地面注气压力P so 开始，计入环空内注入气体的自重、环空气体摩阻、注入气过注气凡尔的压降、油管内柱塞下部气体自重和摩阻，以及从地层产出液的影响。

于是，可得到下述算式：
()
new
l ti
gtd
gtd gtd v c to ci inj
gc
gc inj gc so tsplugd gl y d y
gy
p v d d z gz p p ρρλρρλρ-'--∆---+=22
22……………..(2-2)
式(2-2)中
gc ρ ——环空气体的平均密度； gc λ——环空气体运动的平均摩阻系数；
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c A A y v '
=
——环空气体运动速度; A c ，A t 。

——分别为环空和油管的过流面积；
dt
dy
y =
'——柱塞和液柱的运动速度； gtd ρ——油管内柱塞下部气体的平均密度； gtd λ——油管内柱塞下部气体运动的平均摩阻系数；
v p ∆——过注气阀的压降；
l ρ——产出液密度
new l ——注气点以上油管内的新积液高度； ci d ，to d ——分别为套管内径和油管外径；
ti d ——油管内径。

(2)、 注气停止后
注气停止后，凡尔已关闭，此时柱塞下底面的压力按气体膨胀由气体的状态方程计算得出。

2、液柱上表面的压力，P tsplugu
油管内液柱上表面的气体的向下压力应综合考虑油管井口压力、油管内液柱上部的气体自重和气体摩阻而构成，即：
()22y d l y z l y z g p p ti
sp
inj gtu
gtu sp inj gtu wh tsplugu '--+--+=ρλρ …………….. (2-3)
式中，
wh p ——油管井口压力；
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gtu λ——油管内柱塞上部气体运动的平均摩阻系数；
sp l ——柱塞和液柱的总长度； 其余符号的意义同前。

3、自重W t 的计算
当被举升的液柱顶面未到达井口时，自重W t 由柱塞自重和被举升的液柱重量两部分组成。

其中，柱塞自重按其形成的压力计算；当被举升液柱已到达井口后，液柱逐渐减小，相应的液柱重量亦同步减小。

4、液柱与柱塞的摩阻F f 的计算
鉴于油管内壁与柱塞之间有液膜存在，且柱塞长度远小于液柱长度，故这一摩阻力统一按液柱摩阻计算。

综合上述各关系式，可得： {[P so+inj gc gz ρ-2'2
2
)(2y A A d d Z c t to ci inj
gc gc -λρ-v P ∆-gy gtd ρ-2
'2y d y ti
gtd
gtd λρ-t ρ
-[P wh+g gtu ρ(z inj -y-sp l )+2
'2y d l y Z ti
sp
inj gtu
gtu --λρ]]A t -W t -2'2y d l ti
sp l
l λρA=
"y g
W t
-------------------------------------------------(2-4)
式（2-4）经合并整理，可得到下述形式的二阶常常微分方程：
432221A y A y A y y A y ++'+'='' -------------------------------------------------(2-5) （2-5）式为一非线性的二阶常微分方程，除了方程右边第一、二项表现出非线性特征外，在各项系数中，由于摩阻系数、气体密度均由相应的平
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因此，方程（2-5）只能用数值方法求解。

（2-5）式的初始条件可取柱塞未启动的位移和速度为零。

于是，组成了如下定解问题：
⎪⎩
⎪
⎨⎧=------='=------=++'+'=''时当时
当0000432221t y t y A y A y A y y A y -------------------------------------------------------(2-6) 2.1.3 柱塞向下运动的微分方程
柱塞从油管井口出发，先是在油管中的气体里下落，随后在新进入油管内的地层产出液里下落。

柱塞在油管中下落，有别于柱塞在无限空间中的下落，柱塞下落计算的关键是柱塞所受的阻力的确定。

下面拟分成在气体中下落和在液体中下落两种情况予以考虑：
1、柱塞在气体中下落
在讨论柱塞下落时，我们把Y 轴的正向向下，并将坐标原点置于井口。

此时，柱塞受其自重、浮力和与管壁间的摩擦力的作用，其力平衡方程为：
d plug
fg plug g plug y g
W F gV W ''=
--ρ--------------------------------------(2-7)
式中，W plug ——柱塞自重
g ρ——柱塞下行时油管上部气体的平均密度
V plug ——柱塞体积
F fg ——柱塞在气体中下行时与油管间的摩擦力 2、柱塞在液体中下落
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d plug
fl plug l plug y g
W F gV W ''=
--ρ----------------------------------------(2-8)
式中左边第二项为浮力，第三项为柱塞在油管内液体段所受阻力。

式(2-7)和式(2-8) 的关键是确定柱塞在油管中气体段和液体段中下行时的摩阻力F fg 和F fl 。

鉴于油管边壁上存在着液膜和柱塞与油管间间隙较小，可以认为在柱塞和油管的微小间隙中的流动为层流，故F fg 的计算可以由下式算出：
d
plug
di l fg y e
l d F '=π
μ-------------------------------------------------------(2-9) 而F fl 的计算与F fg 类似。

综合上述各式，可得到下述形式的定解问题：
⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=='==+'+'=''时当时当0 t 0 0 t 032
21d d d d d y y A y A y A y ----------------------------------------------(2-10)
式(2-10) 也是一个变系数的二阶常微分方程，同样需要用数值方法求解。

2．1．4柱塞运动微分方程的求解
前述柱塞上行和下行的这类变系数的二阶常微分方程，可采用哈明(Ham-ming) 法求解，该法所需的头三层的出发值由龙格–库塔法求出。

前述待求解的运动方程及其初始条件均可记为：
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⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=='=='=''时当时当 0 t 0 0 t 0,,y y t y y f y ----------------------------------------------------(2-11) 2．2 算例及计算结果
一拟采用柱塞气举的油井资料如下：
油井深度2.2743=h mm 油管内径673.50=ti d mm 油管外径325.60=to d mm 套管内径824.115=co d mm 油管井口压力MPa p wh 6895.0= 井口温度15=wh t ℃ 地面注气压力MPa p so 8597.8=(绝对) 井底温度65=wb t ℃ 初始产液量BBL0=0.5m 3/c 原油相对密度8762.0=o γ 柱塞自重压力MPa p wtplug 034474.0= 气体相对密度65.0=g γ 原始地层压力MPa p r 6842.20= 含水率15.0=w f 采液指数d MPa m index //75.43= 原油饱和压力a MP p b 9263.17=
为了考察柱塞运动特性和柱塞气举特性，本报告以上述油井参数为基础，进行了计算，现将计算结果分述如下。

2.2.1 柱塞运动特牲
利用上述数据所进行的实例计算结果绘于图2-2至图2-9之中。

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图2-2为柱塞-液段的下底面位置随时间的变化，图2-3为柱塞-液段上行时的运行速度与时间的关系曲线，图2-4为柱塞和液段上行的加速度随时间变化的情况。

从图2-2和图2-3可以清晰地看出，柱塞上行大约分成三个阶段。

第一阶段是柱塞-液段的起动加速阶段。

这一阶段历时很短，在本算例中大约只需数秒的时间，柱塞-液段就可以从静止迅速加速到最高速度。

第二阶段为
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运行之中，由于柱塞下底面的向上压力逐渐减小，特别是停止注气之后，这一压力下降得更快，使得柱塞上行的速度更快地下降。

正因为如此，这一缓慢减速阶段又可以停止注气时间划分成两个小阶段。

在前一小段内，即本算例中在t=145.6秒之前，注气一直持续进行，柱塞运动的速度下降得比较慢。

停止注气后，柱塞-液段上行完全靠注入在柱塞以下的油管中的气体膨胀维持。

因此，柱塞-液段的上行速度下降加快。

第三阶段为液段逐渐从油井产出的阶段。

由于液段长度不断地减小，举升的重量逐渐减小，故柱塞和液段逐渐加速，柱塞到达井口的速度相当高。

这一点在柱塞防止撞击的设计中必须认真对待。

图2-5为柱塞-液段上行时作用在柱塞下底面的向上压力和作用在被举升的液段顶面的向下压力随时间变化的情况。

图中上面的一条曲线就是柱塞下底面上的压力变化曲线。

此曲线所反映的压力变化与前述的速度变化
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对应柱塞迅速启动加速阶段的压力变化很快，在数秒时间内
就完成了。

在速度缓慢减速阶段，与运行速度变化一样，以停止注气时间为界，在未停止注气之前，柱塞下底面上的压力的变化不及停止注气后那样迅速。

在大约t>145.6秒附近，压力变化曲线存在一个明显的转折点。

正是由于停止注气后的气体迅速膨胀、推动柱塞上行，导致了柱塞下部的压力迅速减小。

此曲线的最后一段的压力变化虽又有些加快，但不像柱塞上行速度曲线那样那么激烈。

由此可以得出，第三阶段的柱塞迅速加速主要是由于液段到达井口之后液柱高度迅速减小，使柱塞-液段的自重迅速减小引起的。

图2-5中的下部的一条曲线为柱上压力变化曲线，其变化平稳。

在液段未到达井口之前，两条曲线间的距离越大，表示推动柱塞向上的力越大，因而此时柱塞向上运行的速度也就越高。

图2-6表示当地层与油管内柱塞运行时协调时，新进入油管内的液柱高度与时间的关系。

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图
2-7为柱塞上行时从油管井口排出的气体总量与时间的关系。

它是一
条累积量的曲线，呈平稳递增的形式。

图2-8为柱塞上行时从油管内排出气体的流量随时间变化的情况，从图
中可以看出，排气速度是不断下降的，并且在停止注气点附近变化，这也是在该处柱塞运行速度发生了迅速减慢的结果。

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2．2．2 柱塞气举敏感参数分析
在井深h=2743.2m 、注气深度z inj =2643.2m 、含水率f w =0.15、地层压力
p r =20.6839MPa 、饱和压力p b =17.9261MPa 、井口压力p wh =0.6895MPa 和产液特性均保持上述基本取值的前提下，计算考察了注气压力、井口压力、产液指数、含水率对柱塞气举特性的影响。

1、注气压力对柱塞气举特性的影响
计算表明，在柱塞不等待的条件下，随着注气压力的增加，每次循环的举升液量是下降的，如图2-9所示。

事实上，随着注气压力的提高，井底流压亦相应增大，在采液指数不变时，每一循环的产液量，亦即举升液量会逐渐下降。

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图2-10为柱塞上行时间、下行时间和一个循环周期的时间随地面注气压力变化的情况。

计算表明，随着地面注气压力的提高，柱塞和液柱上行的速度增大，致使柱塞上行时间随着地面注气压力的增高而减小；而当柱塞下行时，油井内的情况除了在不同地面注入压力下的井内积液量略有差别外，其它条件均相同。

由于柱塞下行时的井内积液量随地面注气压力增大而略有减少，故柱
塞的下行间随着注气压力的增大而略有减小，在图2-10中表现为一条近乎平行于x轴的直线。

综合柱塞上行时间和下行时间，即为柱塞运动的循环时间，由图2-10可以看出，随着注气压力的提高，柱塞循环的时间也是逐渐减少的。

图2-11为每一循环中举升柱塞和液柱所需的注入气量随地面注气压力变化的情况。

从图中可以看到，随着注气压力的提高，每次循环所需的注入气量是逐渐下降的。

这是因为在本算法中，注入气量主要取决于油管井口压力和每一循环所举升的液量。

此时，井口压力保持不变，而每一循环所举升的液量是随地面注气压力的提高而减少的，故随着注气压力的提高，每一循环所需的气量是逐渐减小的。

2、井口油压对柱塞气举特性的影响
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图2-12为每一循环的举升液量随井口油压变化的情况。

从图2-12可以看到，在其它条件保持不变的情况下，随着井口压力的提高， 每次循环的举升液量略有下降。

井口压力的提高无疑加大了柱塞下行期间的井底流压，致使进入循环之中的地层产液，即每一循环的举升液量略有下降。

图
2-13为井口压力变化对柱塞运行的上行时间、下行时间和循环时间
的影响。

从图2-13可以看出，随着井口油压的提高，柱塞运动的上、下行时间和循环时间都是下降的。

这一现象似乎与提高井口油压会导致柱塞运行速度下降，从而应使柱塞运动的上行时间加长的直观判断相悖。

事实上，计算表明，在井口压力较小时，同样在柱塞不等待的条件下，每一循环所举升的液量较大，此时过注气凡尔的压降也较井口油压大时的过凡尔压降要大。

因此，此时柱塞下底面上的向上的举力减小，结果柱塞向上运行的平均速度在本报告计算之中的井口压力变化的范围内几乎无变化，故图2-13中的柱塞上行时间几乎是一条平行于X 轴的直线。

而柱塞下行时，它。