柱塞举升系统设计

来源:用户上传      作者: 崔以刚

　　摘 要：本文分析了智能柱塞系统的工作原理、组成的主要部件、适用范围及优点。
　　关键词：柱塞举升系统 设计
　　
　　在天然气开采中，随着气藏压力和天然气流动速度的逐步降低，气藏中的产出水或凝析液不能随天然气流携带出井筒，从而滞留在井筒中。这些液体在一段时间内聚集于井底，形成液柱，对气藏造成额外的静水回压，导致气井自喷能量持续下降。通常，如果这种情况持续下去，井筒中聚集的液柱终会将气压死，导致气井停产。这种现象称为“气井积液”。排水采气是解决“气井积液”的有效方法，也是水驱气田生产中常见的采气工艺。目前现场应用多年的常规采气工艺包括优选管柱排水采气工艺、泡沫排水采气工艺、机抽排水采气工艺、电潜泵排水采气工艺等，取得了良好的经济效益和社会效益。智能化排水采气又称PCS柱塞举升排水采气，它是间歇气举的一种特殊形式，由于柱塞在举升气和采出液之间形成一机械面，所以减少了滑脱损失，可以有效地消除井底集液，减小对生产层的回压。
　　同一般的间歇气举相比，它能更有效地利用气体的膨胀能量，提高举升效率。在气井生产的初期，气流很容易将液体携带出来；当产量下降到临界流速以下时，气流无法克服液体的重力而将其携带出来，这样井底不断产生的积液对地层造成一定回压，从而降低产量。应用柱塞举升系统，可以有效地消除井底积液，减小对生产层的回压，是排水采气工艺中的一种有效方法。
　　智能柱塞气举是一种利用柱塞和井自身储层能量提高携液能力的“人工智能控制”间歇自喷排液采气新技术。它可使一些能量近于衰竭的井保持间喷生产，延长生产寿命。柱塞作为一种固体的密封界面，将举升的气体与被举升的液体分开，有效地减少了气体滑脱和液体的的回落，提高了举升效率。
　　柱塞举升的主要能量来源于地层气，当地层能量不足时，可以向井内注入一定的高压气，将柱塞及其上面的液体举升到井口，以达到排出井底积液的目的。柱塞举升是一种从低产井或气井中清除积液较受欢迎的方法，它可使一些能量近于衰竭的井保持间喷生产，延长生产寿命，适宜于产液量不大、井筒积液、有一定地层能量的产液气井或低产高气液比油井。它要求地层能量至少能够推动柱塞及液柱上行到井口。地层能量太低或能量恢复太慢的井，会因为无法举升而失效；高产、深井因柱塞下落时间太长而不适宜；大斜度井和水平井不适用。
　　
　　一、整体方案设计
　　
　　柱塞举升装置主要由井口装置、柱塞和井底装置组成，该装置既可以完全依靠储层能量实现间歇自喷生产，也可以用注气补充能量方式间歇举升；地层能量严重不足，衰减到不能驱动柱塞时，可下入举升管柱，人工注气补充能量推动柱塞举升积液，提高采收率。
　　智能柱塞举升系统正常工作由电子控制器按照井况条件编制好的方案程序设定，智能控制气动阀定时开、关井，控制柱塞周期性上行举升、下落恢复能量的循环往复运动，将井内液体举升出井口。柱塞举升系统在一个举升周期中分排液、续流和关井等3个阶段。
　　在关井阶段：气动阀关闭，柱塞上的阀已打开，防喷器上的捕爪松开，柱塞靠自身重力作用在油管气液柱中下沉，撞击管柱底部弹簧承接器后，柱塞上的阀关闭。关井期间，井底能量恢复，近井和油套环空油气聚集，从地层中产出的气体和液体存储在套管环空和油管内，其中，大多数气体存储在套管环空中，大部分液体则存储在油管内。在油管内液体上方存储有少量气体。油管内液面上升，油套压力回升。
　　在续流阶段：气体从套管环空中进入到油管内，套管压力降低。从地层中产出的气体和液体流入油管内。由于地层产生的气体不足以将液体举升到地面，所以从地层中产生的液体通常聚积在油管底部。在续流阶段，井口气动阀仍然是关闭的。
　　在排液阶段：气动阀打开，油管内的气体流入低压出油管线内，柱塞和液体上方的压力降低。当柱塞底部的压力大于地面气体压力、柱塞上方液柱压力、柱塞质量和柱塞摩擦力的总和时，柱塞及其上方的液体被举升到地面，实现排液。在柱塞及其上方液体段塞向上举升时，地面压力降低，地层连续产液和产气，流体聚积在底部油管内。液体被举出井口后，若地层气量充足，柱塞下部天然气要放喷一段时间，完成一个举升过程。柱塞在到达地面时与防喷管内的缓冲垫撞击，将柱塞阀再次打开，形成一个通道。当排液完成，气动阀再次关闭，柱塞在自身重力作用下下落，开始下一循环。
　　
　　二、柱塞主要部件的功能
　　
　　(1)自动控制器
　　①设置及时开关井或压力循环程序，具有设计简单和可靠的记忆功能；
　　②设有滚动的LCD直读功能；
　　③为天然气流动或关井向控制器传送已设定好的相应模式信号；
　　④接收由到位传感器传送柱塞到达地面的信号。
　　(2)柱塞
　　①在井下天然气恢复压力的作用；
　　②作为液柱和举升天然气之间的隔离面；
　　③防止在油管内壁形成盐结晶、结蜡或结垢；
　　④连续清除井内集液，增加天然气产量。
　　(3)缓冲弹簧
　　(4)防喷管
　　①具有为检查柱塞而设置的腔室和柱塞捕捉器；
　　②含有弹簧加载可拆卸帽盖及防止柱塞冲击的缓冲器；
　　③设有可选择的双向或单向的流体导出口。
　　(5)到位传感器
　　(6)气动阀门
　　①含有对油或天然气实施开启或关断的气动薄膜阀；
　　②实现关井，便于向井内投掷柱塞。
　　
　　三、适用范围
　　
　　若生产井存在下述任意情况（一项或多项情况），都可以使用自动控制柱塞举升系统。
　　（1）清除天然气井中的井底集液
　　绝大部分气井在其自喷开采期就带有一定数量的液体，只是气体在油管中保持足够的流动速度，以多相流的方式把液体携带至地面。如果气体在油管中的流动速度低于某一极限速度，液体就逐渐在井底聚集，如此继续下去，气井自喷可能转入间喷生产。如果再不采取措施，井就会停喷。在产水气井中，采用柱塞举升工艺可有效清除井底积液，延长井的自喷生产期。
　　（2）高气油比的油井
　　高气油比油井的柱塞举升机理与气井相同，只是地面控制方式有所变化。无论是高气液比油井还是气井，举升柱塞及其上部液体段塞的能量都是由地层所产天然气提供，不同的是装置的最终产品，一个是油，另一个是气。
　　（3）防止形成蜡、盐结晶或结垢的油井
　　通常，当温度低于原油的析蜡温度时，蜡就会呈微细的薄片析出，并逐渐附着在油管内壁上。如果不定时清除积蜡，任其发展下去，会给生产带来不便和损失。在高气液比的油井中，气体膨胀所产生的冷却效应更会加速蜡的析出。柱塞在油管结蜡深度以下至井口这段油管内的上下往复运动，起到了擦洗油管内壁的作用，可以清除结蜡并防止蜡在油管内壁的沉积，使管壁保持清洁。因此高气液比的油井和高压油井都可用柱塞举升系统解决积蜡问题。
　　（4）间歇自喷的高气油比的井
　　（5）高压低渗井
　　（6）边缘高气油比井
　　（7）能满足每305m深度的范围内生产气油比大于72(m3/m3)的油井。
　　
　　四、优点
　　
　　①维修保养费用低廉；
　　②大大增加了生产井的自身举升效率；
　　③极易在装有座落接头的生产井内进行安装作业；
　　④消减了为清除结蜡对原油加热或注入化学药剂的费用；
　　⑤消减了清除生产井结蜡、结晶盐或结垢的操作费用；
　　⑥不需要额外的能源，即节省了附加能源费用；
　　⑦使大多数已衰竭的井重新恢复生产，延长生产井的生产周期；
　　⑧可以替代大多数天然气生产井为清除井下液体的泵送装置。

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