新型双垫柱塞气举工艺在S209井区的应用

李晓芸，解永刚，李 耀，王 磊，武 浩，张玉华

（中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林 719000）

S209井区位于榆林气田南区西南部，主要产层为山西组山2段山23小层，构造为东高西低的单斜构造。北部、中部气层厚度大、物性较好、产能较高；中西－西南部普遍出现气水层和水层。该井区自2003年9月投产，生产过程中气藏边部靠近水体的几口生产井不同程度地产出地层水，个别井出水量大，严重影响了气井的产能。为了提高气田开发效率，有效地排除产水气井井底积液，在采取“内降外控”与“控水采气”措施的基础上，针对重点积液气井开展新型双垫柱塞气举工艺试验，保证气井连续生产，确保富水区气井产能充分发挥。

1 S209井区概况

1.1 气水层分布

榆林气田测井解释气层主要分布在东－东北部的构造高部位，海拔基本在-1 800 m以上，而水层及试气产水量较高的井多分布在紧邻气藏的西南部的北西-南东向的构造低洼位置（如陕1、陕2、陕3、榆1等），海拔一般都低于-1 800 m，叠加上山23层所有测井解释水层及部分井试气结果后，发现气水层的分布受区域地质构造的控制作用比较明显。

1.2 水质分析

通过控制压差生产减缓水体推进，同时加强生产气井水质监测，重点分析S209井区内部局部出水井点、产液变化情况，及时调整气井产量，控制地层出水，2012年S209井区气井氯根监测401井次，矿化度监测109井次，水质分析结果表明，氯根含量在16.32～114 483.12 mg/L，平均 8 817.44 mg/L，总矿化度在174.36～185 118.04 mg/L，平均为 15 393.43mg/L。全年该富水区气井整体保持稳定生产，平均水气比0.14 m3/104m3，控水采气效果良好。

为进一步提高S209井区积液气井排水采气效率，实现富水区低产气井连续排液，确保积液气井连续生产，通过开展排水采气工艺技术调研和攻关，2012年引进新型双垫柱塞气举排水采气工艺技术开展理论研究及现场试验。

2 新型双垫柱塞气举排水采气工艺技术

柱塞气举实质上是间歇气举的一种特殊形式，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。柱塞气体的举升能量来源于气体的膨胀能，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气井。

2.1 工艺原理

新型双垫柱塞气举是将活塞作为气液之间的机械界面，依靠气井自身能量，以一种循环的方式推动柱塞在油管内上下移动，减少了液体的回落，消除了气体穿透液体段塞的可能，达到了减少滑脱损失的目的。同一般的间歇气举相比，它能更有效的利用气体的膨胀能量，提高举升效率。在井底压力低于地层饱和压力后，地层产出液中的气相分离出来，形成游离气聚集在油套环空中，液体进入到油管里。随着产出液的聚集，环空中的天然气越来越多，导致环空压力上升。当环空压力即套压升高到一定值时，压力信号传递给地面的时间控制器，气动阀打开。由于井口油压低于套压，在压差作用下，环空内的气体进入油管并迅速膨胀，推动柱塞迅速向上运动，柱塞推动液柱到达井口时，液体全部产出；同时，柱塞到达传感器将柱塞到达地面的信号传递给地面的时间控制器，气动阀关闭。当柱塞撞击到井口防喷管内的弹簧后下落，柱塞下落到井下柱塞缓冲器上，重新聚集液体，套压达到一定值时，又开始下一个循环过程。

图1 柱塞举升原理图

2.2 结构组成

2.2.1 柱塞设计 柱塞作为举升循环中被举升液体和举升气体之间的固体密封界面，在整个举升循环中起至关重要的作用。本设备柱塞为PP-278L-2双垫柱塞。柱塞结构示意图（见图2）。

图2 亥姆赫兹哨结构示意图

PP-278L-2双垫柱塞，弹簧加载片直径扩张开为Ф63 mm，收拢为Ф59 mm，柱塞装置靠阀杆上下移动达到柱塞开关目的，柱塞密封受弹簧叶片及油管内径相对公差大小的影响。

2.2.2 防喷器设计 防喷器是柱塞装置的至关重要的一部分。防喷器帽配有一个承受向上里的弹簧，缓冲垫是柱塞和防喷器最初接触部位，柱塞通过与缓冲垫接触，触动阀杆打开柱塞阀。设计弹簧与缓冲垫的目的是

为了防止柱塞在举升到井口时，由于柱塞的速度很高，与井口采气树阀门发生碰撞，损坏柱塞和阀门。弹簧和缓冲垫可以给柱塞一个缓冲的环节，保护柱塞。

2.2.3 井下弹簧缓冲器 它是一种防止柱塞在没有液体运行时冲击油管底部的保护装置，可以通过钢丝作业在油管内安装。用以缓冲柱塞下落冲击油管底部的力，防止柱塞下落硬性冲击油管内的坐落接头。

图3 井下缓冲器结构图

2.2.4 控制系统 PCS柱塞气举装置的正常工作由时间-周期控制器定时地控制气动阀的开关来完成。当气动阀关闭时，柱塞上的阀已被防喷管内的撞击杆顶开，打开旁通，柱塞自行下落。柱塞撞击井下缓冲器后阀关闭，同时油管中液面不断上升。当油套环空压力恢复到足以突破油管鞋举升柱塞以上液体时，气动阀打开，气体迅速从套管进入油管，与地层流入井底的气一起推动柱塞及其上部液体升向井口，直到把柱塞上部的液体举升至地面，柱塞撞击防喷管内的顶杆后，阀再次打开，气动阀关闭，柱塞下落，开始下一次工作循环。

2.3 柱塞气举方程

2.3.1 最小套压 当柱塞和液体段塞到达井口时，套压达到最小值，其表达式如下：

式中：PL-柱塞举升所需要的压力，MPa；P1-举升1 m3液体以及克服摩擦力所需的压力，MPa；S-柱塞以上的液体段塞体积，m3；K-柱塞以下气体的摩擦系数；D-柱塞的长度；m。

当液体段塞和柱塞到达井口油管时，液体段塞和柱塞的重力、柱塞在油管中的摩擦力、液体段塞在油管中的摩擦力以及井口油压等之和，即为最小套压[1]。

2.3.2 最大套压 最大套压可用下式表示：

式中：A环-流经套管和油管之间环空的截面积；A油-流经油管的截面积。

该方法假设最大套压等于套管中使柱塞到达井口的气体膨胀能，计算比较保守，可以通过柱塞到达井口的采出气量进行校正。另一个假设是，当套管中的气体膨胀进入油管时，井口套压立即降至最小套压[1]。

3 现场试验及应用效果评价

为提高S209井区积液气井排液效果和开井时率，进一步验证柱塞气举排水采气工艺在榆林气田富水区的适用性，现场选取1口气井开展新型双垫柱塞气举试验。试验数据（见表1）。

表1 S1井安装新型双垫柱塞气举装置前后对比表

该气井自安装新型双垫柱塞气举装置后，油套压稳定，油套压差明显减小，日产气量、日产液量均明显增加，无需再采取泡排措施，生产平稳。现场试验表明，通过应用新型双垫柱塞气举工艺，有效地排出了气井井筒积液，气井产能得到了恢复，试验效果明显。

4 结论与认识

（1）针对φ73 mm油管的气井，只要气井有足够的能量举升柱塞和积液，应用柱塞系统可以很好地解决井底积液问题。

（2）新型双垫柱塞气举工艺是利用气井自身能量推动油管内的柱塞举水，不需其它动力设备、生产成本低，是一种新型、简单、高效的排水采气技术。

（3）随着S209井区开发时间的不断延长，积液气井逐渐增多，结合S209气井产水特征，建议下步继续深入开展理论研究和现场试验，摸索柱塞合理运行周期，推广应用该技术。

[1]詹姆斯·利，亨利·尼肯斯，迈克尔·韦尔斯.气井排水采气技术[J］.石油工业出版社，2009，3（1）:168-169.

[2]韩勇，宋志军，白建文，宋汉华，薛媛.柱塞气举排水采气工艺在苏里格气田的应用研究[J］.内蒙古石油化工，2011，（4）：71-74.

[3]张荣军，乔康.柱塞气举排水采气工艺技术在苏里格气田的应用[J］.钻采工艺，2009，（6）：118-119.

[4]于蓉.对柱塞气举排水采气工艺的几点认识[J］.钻采工艺，1994，17（2）:82-84.