基于柱塞举升技术的气田井排水采气操作模式优化

张翔 袁凯涛 李先军 闫训臣 陈喜东

摘 要：W氣田自开发以来，液体积聚现象加剧，亟需优化工作制度以增强柱塞举液性能。针对W气田的柱塞举液工作制度进行深入探讨，就W气田的生产动态进行分析，考察多种实验性柱塞设备，依托W气田现行柱塞抽采井的生产动态参数作为基准，进行了实验参数的设定与优化，并以此为基础开展柱塞装备的性能评价实验。制定出适合该气田条件的柱塞装备选型准则：对于井口流量低于8 m3/h的井场，推荐采用杆式柱塞技术；对于井口流量高于10 m3/h的井场，推荐采用球状柱塞技术。在现场应用过程中，对T11井的采气工作制度实施了细致的优化调整，与现行工作制度相比，日产气量增加了9.62%，日产液量增加了8.23%，确定了2 h开启与2 h关闭的工作制度，为W气田的柱塞举液工作制度的优化及提升W气田的柱塞举液效果提供了关键的理论和技术指导，对于提高W气田的柱塞举液井的开发效益具有实际价值。

关键词：柱塞举升；工作制度优化；柱塞工具优选实验；现场应用

中图分类号：TE319

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0137-04

Optimization of operation mode of drainage and production in gas field wells based on plunger lifting technology

ZHANG Xiang1，YUAN Kaitao2，LI Xianjun3，YAN Xunchen4，CHEN Xidong4

（1.Oil and Gas Exploration Company of Yanchang Petroleum （Group） Co.，Ltd.，Yanan 716000，Shaanxi China;

2.Dingbian Oil Production Plant of Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Yulin 718600，Shaanxi China;

3.Jiebetong Petroleum Technology Group Co.，Ltd.，Chengdu 610015，China;

4.Xian Alberta Assets and Environmental Analysis and Testing Technology Co.，Ltd.，Xian 710018，China

）

Abstract：Since the development of W gas field，the phenomenon of liquid accumulation has intensified，so it is urgent to optimize the working system to enhance the fluid lifting performance of the plunger.The plunger lifting system of W gas field was deeply discussed，the production dynamic of W gas field was analyzed，and a variety of experimental plunger equipment was investigated.The experimental parameters were set and optimized based on the production dynamic parameters of the current plunger pumping well in W gas field.Based on this，the performance evaluation experiment of the plunger equipment was carried out to develop the selection criteria of the plunger equipment suitable for the conditions of the gas field：for the well site with a wellhead flow rate of less than 8 m3/h，the rod plunger technology was recommended.Ball plunger technology was recommended for well sites with wellhead flow rates greater than 10 m3/h.In the field application process，the gas production working system of well T1 had been carefully optimized and adjusted.Compared with the current working system，the daily gas production had increased by 9.62% and the daily liquid production by 8.23%.The working system of 2 h on and 2 h off had been determined.It provided key theoretical and technical guidance for the optimization of the plunger lifting system of W gas field and the improvement of the plunger lifting effect of W gas field，and had practical value for improving the development benefit of the plunger lifting well of W gas field.

Key words：plunger lift;work system optimization;plunger tool optimization experiment;field application

在W气田，液体积聚问题愈发严峻。目前，5口井已实施柱塞举液技术以进行排水采气。其中，某些井在采用柱塞技术后，产量恢复良好并有效释放了产能;但另一些井仅有部分产量恢复，其产能释放不足，仍有进一步增产的潜力。因此，对柱塞举液的工作制度进行优化显得尤为重要，旨在进一步提升产量［1-3］。按照常规分类，柱塞举液可划分为开井和关井2阶段。开井阶段又可细分为套管内液体迁移到油管、柱塞与液柱上升至井口、井口控制阀进行排液和井口开放放喷4个子阶段［4-8］。典型的柱塞运行周期包括：在开井之后，柱塞上部的气体迅速释放，套管内气体迁移到油管，当环空液面降至油管鞋处，柱塞下部的气体推动柱塞及其上部的液体上升至井口，随后液体通过井口排放，柱塞被井口捕捉器捕获，继而进行放喷，至放喷结束，开始关井。在关井阶段，柱塞下降，并由地层气液积聚为下一周期做准备。近年来，随着数字模拟与计算机技术的普及，国际学界在柱塞举液参数设计、柱塞运行模拟等领域均取得了显著进展。然而，尽管研究方向已从单一的结构、模型设计扩展至整体系统研究，但仍然存在模型的局限性，并且缺乏对柱塞举液工作制度优化的系统方法及高效工艺研究。基于上述背景，本文对W气田的生产动态进行分析，研究柱塞设备的选型，并完成了W气田示范井的工作制度优化，对实际操作具有技术和经济价值。

1 W气田概况

1.1 W气田生产动态分析

W气田自2008年启动，初始阶段包含120口生产井。然而，从开发的第5年开始，这些生产井逐步出现液体积聚问题；第7年，液体积聚问题进一步加剧，导致部分生产井暂停生产。图1展示了W气田2019年8月与2020年3月的生产井数量及其对应的平均日产气量分布区间；图2揭示了同一时期的日产液量分布区间。数据显示，2019年8月的生产井数量为74口，2020年3月减少至67口井；日产液量超过6 m3/d、日产气量超过1.5×104 m3/d的井数量有所减少，整体的日产气量和日产液量均呈下降态势。

随着区气田的开发进程，液体积聚问题日益严重。为此，部分气井采用了排水气举方法，特别是有5口气井采纳了柱塞泵采气技术。图3呈现了W气田中应用柱塞泵技术的5口气井在实施该技术前后日产量的对比分析。

由图3可以看出，T5井在实施柱塞举液后，其日产气和液量相较于实施前均有所下降，这表明柱塞举液技术可能不太适合该井。对于T8井，实施柱塞举液后的日产气量增加了0.99×104 m3/d，日产液量增加了3.5 m3/d。与实施技术前一年的数据相比，此项技术在T8井的效果显著，成功释放了井的潜在产能。对于T1、T3和T11井，实施柱塞举液后，它们的日产气量分别增加了0.04×104、0.15×104和1.05×104 m3/d，日产液量则分别增加了0.3、0.3和2.8 m3/d。这3口井在实施柱塞举液技术后均呈现出日产量的增长。但与其实施技术前一年的数据及T8井的表现相比，这3口井在实施技术后仅部分释放了其潜在产能，但产能恢复并不理想，这表明其工作制度有待进一步优化［9-12］。

1.2 柱塞工具选用

在当前阶段，该气田主要采用的是弹块柱塞。观察到在特定的气井中，柱塞的上升周期偏长，并且实际的举液量与预设设计值之间存在显著的差异。基于这些问题，本节的目的是通过物理模拟实验优化柱塞选型过程，以便为该气田的柱塞装备选配提供科学的决策支持。考虑到现场应用的柱塞类型多样性，实验启动前须进行严格筛选［13-14］。为此，本研究综合评估了国内外相关文献结果，汇总了120口井采用柱塞举升技术的生产数据，进一步分析了这些井的生产状况，具体结果如图4所示。

1.3 实验参数确定

由图4可知，W气田除了T5井以外，现行柱塞井的日产气量介于0.4×104～1.67×104 m3/d，日产液体量在1.7～5.7 m3/d。在受控的实验条件中，设置关闭井口的时间分别为30、60、90 s，基于这些参数，推算出的单次举液体积为590～5 937.5 mL。由于井筒内的气体处于带压状态，需要将其转化为井筒内的气体流量，以匹配实际操作条件。同时，当柱塞到达井口时，其气体膨胀能量最小，这是确保柱塞正常工作的基准值。理论上，超过这一基准值的气体膨胀都能确保柱塞的正常工作。因此，在研究中，采用了柱塞排液完成时刻的井口瞬时气量作為制订实验用气量参数的依据。图5呈现了在现场条件下，柱塞井中柱塞捕获瞬间的井口油压分布统计［15-17］。利用这些数据，计算了井口的气体流速，并将其转换成每小时的流量单位，据此确定实验所需气量为6.1～16.9 m3/d。最终的实验参数如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 实验现象

在实验中观察到3种现象：（1）当关井时间较短且气量较小时，井筒内累积的气体膨胀能量不足以驱动柱塞完成从井底到井口的液体排放过程。因此，井口没有液体产出，表明柱塞举升功能失效。（2）在柱塞进行井口排液的过程中，柱塞下方出现气窜，导致液体排放不完全，结果是井口只有部分液体产出。（3）当气体具备充分的膨胀能量时，井口的液体能够顺畅地被排出，且伴随的液体量几乎可实现全量排放。

2.2 实验结果分析

考虑到实验设置了多个不同的单次举升液体体积参数，直接基于排放液体量的比较并不恰当。因此，引入“柱塞举液效率”这一指标进行分析和评估：

举液效率=出液量进液量（1）

图6展示了在不同的关闭井口时间和气体注入量条件下，单次提升的液量与柱塞提升效率之间的关系，以5、12 m3/h的气量为例。

由图6可知，存在部分数据点显示柱塞提升效率为零。这表明，在一定的液体体积和井深条件下，液柱上升至井口需要最小限度的气体膨胀动能。实验中记录到柱塞提升效率为零的数据点反映了在相应的注气量和井关闭时长条件下，井内气体膨胀的动能不足以完成单次液体提升作业，致使柱塞无法达到井口，导致提升过程失败，井口无液体排出。从图6还可发现，无论注气量的大小和柱塞的提升效率高低，随着单次提升液量的增大均呈现出线性下降的趋势。进一步针对5、12 m3/h的注气量条件下的数据进行探讨，可以观察到，在其他变量不变的情况下，在注气量为5 m3/h时，杆式柱塞的提升效率高于弹簧式柱塞；在注气量为12 m3/h时，情况则反转，即弹簧式柱塞的提升效率超过杆式柱塞。这表明，在不同类型的柱塞之间的提升效率比较可能存在一个与注气量相关的转折点或临界值，而此临界值与单次提升液量似乎没有直接的相关性。

图7展示了在不同关井时间和单次举升液量条件下，进气量与柱塞举液效率的关系。

由图7可知，在较低注气量条件下，棒状柱塞展现出比弹块柱塞更高的提升效率，并且弹块柱塞更易于遭遇提升失败的情况。随着注气量的增加，弹块柱塞的提升效率则开始超越棒状柱塞。这一现象主要是由于弹块柱塞与油管内壁之间的接触接近无间隙，导致其在运行过程中产生的摩擦阻力较大。因此，在气体膨胀能量较低时，气体膨胀能量在摩擦中的消耗占比增加，导致棒状柱塞在低注气量环境下具有较高的提升效率。但当注气量提高时，摩擦力导致的能量损耗占比下降，使得弹块柱塞的优良密封特性能得到更有效的利用，从而其提升效率超过了棒状柱塞。

通过对图7数据点的分析，可推测在所设定的实验参数下，棒状柱塞与弹块柱塞针对提升效率相对表现在8～10 m3/h的注气量内达到转折点。据此，在W气田的应用中，对于井口气体流速低于8 m3/h的井宜采纳棒状柱塞技术；对于井口气体流速超过10 m3/h的井则推荐使用弹块柱塞。

3 现场应用

由于T11井已采用柱塞并固定了卡定器位置，为避免再次调整卡定器，针对井筒压力管理和周期性井开启/关闭操作的优化，进行了井口开启压力与开关井周期的调整。目前，T11井采用的作业模式为1 h开井1次，持续2 h的关闭井周期。现场监测数据指出，将关闭井周期延长至3 h，可以将开井时的井口压力从6.03 MPa提升至6.88 MPa，同时井口套压也由5.05 MPa增长至5.7 MPa。这表明，延长关闭井周期有助于显著提高井口开启时的压力，并且这种压力提升在连续多个周期中可以维持稳定。

与1 h开井1次，2 h关闭井周期相比，延长至3 h的关闭井周期能使单个周期的累积产气量增至2 520 m3，相较于2 h周期的1 958 m3增加了562 m3。尽管如此，由于关闭井周期延长导致的循环次数减少，将单周期产气量转换为日产气量时，发现日产气量从关闭井2 h的1.58×104 m3/h降至关闭井3 h的1.50×104 m3/h，表明日产气量有所减少。

此外，无论是关闭井1 h还是2 h的作业模式，井口油压的变化模式保持一致，2种模式下井口油压变化范围的误差均在0.2 MPa以内，平均油压差也在0.3 MPa以内，这验证了延长开井周期的可行性，因为油压完全能满足生产过程中延长关闭井周期的要求。

4 结语

（1）基于W气田柱塞提升井的生产动态数据分析，本研究制定了针对W气田的柱塞工具选型标准：对于日井口气体产量不超过8 m3的井，推荐应用棒状柱塞技术。对于日井口气体产量超过10 m3的井宜采用弹块式柱塞技术；

（2）针对T11井进行操作模式的优化，发现对于现行1 h执行一次的开井作业模式进行调整，将其延长至每2 h执行一次开井，期间井口油压变化的误差严格控制在0.2 MPa以内，井口套压变化的误差同样严格控制在0.1 MPa以内。经过此类调整后，预计能够实现日产气量的增长达到9.62%，同时日产液体量的增长亦可达到8.23%。因此，确定了优化后的操作模式为每2 h开井、每2 h关井。

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收稿日期：2022-06-15；修回日期：2023-09-20

作者简介：张 翔（1983-），男，硕士，高级工程师，主要从事石油天然气勘探开发研究；E-mail：shunn595233@163.com。

基金项目：国家科技重大专项（项目编号：2019ZX0506）。

引文格式：张 翔，袁凯涛，李先军，等.天然气井柱塞举升排水采气工艺优化研究［J］.粘接，2023，50（11）：137-140.