翟中波：智能柱塞瞬时运行速度研究与应用

翟中波

（斯伦贝谢长和油田工程有限公司）

X井区位于延安市以北、鄂尔多斯盆地天然气富集区的南缘，属于致密气项目。产水气井在生产一段时间后，近井筒地带地层压力逐渐减小，生产压差随即降低，造成气量下降，在低于临界携液气量时天然气不能正常携液，使得液滴在井筒下部不断积聚，增大井底流压，最终减小气产量，造成气井积液甚至水淹不能生产 ^［1-3］ 。

X井区部分积液井井身结构为 Æ 139.7 mm套管＋ Æ 73.02 mm油管。针对带环空的积液气井，柱塞作为一种排水采气措施，使用广泛，具有无需改变井身结构、无需外界能量、无储层伤害、作业简单、经济性好、见效快的优点。柱塞，顾名思义，为柱状塞子，是依靠气井自身能量将柱塞和其上液体上推至地面的一种排水采气工具 ^［4-5］ 。柱塞在举升气体和被举升液体间形成“封隔” ^［6-7］ ，但是上行过程需要使速度达到一定值才能起到气液封隔的作用，即所谓的“速度密封”，但如果柱塞上行速度太大，到达地面快速撞击防喷管，容易损坏地面压力控制设备或管道，造成油气泄漏，发生安全环保事故。同样，柱塞下行的速度也要根据气井压力恢复及安全要求进行调试，过快或者过慢都有不利影响。

关于柱塞上行速度，Lynn ^［8］ 描述的行业推荐值为2.54～5.08 m/s，最优值为3.81 m/s；党晓峰等 ^［9］ 认为柱塞上行速度在3.81～5.08 m/s时气举效率最高；中国石油天然气集团有限公司《柱塞气举技术规范》中推荐上行速度为3.3～5 m/s。在实际应用过程中，常规柱塞仅通过井下限位器安装深度和开井后柱塞由井底到达地面防喷管的时长简单计算柱塞上行平均速度。Foss和Gaul ^［10］ 通过24口井的实际数据测得柱塞平均上行速度为5.08 m/s，Lynn测得了10口井上行速度，平均值为4.84 m/s。关于柱塞下行速度，Acosta ^［11］ 自制简易装置对竖直井中不同介质条件下的柱塞下行速度进行了研究，但是由于其试验装置下行行程较短，速度值没有很好的参考意义，仅用于研究柱塞在不同介质中的下行速度之间的数量关系。Foss和Gaul测得：在天然气中，柱塞下行速度为4.58～15.27 m/s，最优值10.28 m/s；在密度为875 kg/m ³ 的原油中，柱塞下行速度为0.874 m/s。

上述所有研究仅针对竖直井整个柱塞行程测得平均速度，对于其他S型井、水平井等井型没有做出研究，并且不能确定不同深度对应的柱塞速度，液体滑脱情况就无从判断。另外，常规柱塞通过气动薄膜阀的开关井控制柱塞的上行下落，易造成井筒激动和液体滑脱，降低柱塞效率。且运行过程中无法监测速度、压力、温度等参数，属于粗放式排水采气。为此，X井区引进智能柱塞。智能柱塞可依托内置的加速度传感器结合井身结构得到上行过程中沿井筒的速度分布，及时调整参数确保柱塞高效运行。结合井身结构和生产数据，生产工程师能精确监控气井生产状况，并对柱塞运行制度进行优化，降低油套压差，提高气液产量、采气时率和最终采收率。

图1  智能柱塞小流量动态液柱举升周期示意图

图2  智能柱塞和传统柱塞单周期气量对比

图7为柱塞上行过程中在直井+造斜段（降斜段）和25°稳斜段的受力示意图。以柱塞和液体整体作为研究对象，其主要受到重力 G 、液体段塞和柱塞的摩擦阻力 、上下压差力 ，见式 （3）。

式中： ——柱塞上下端面的压差力，N； ——液体段塞和柱塞的摩擦阻力，N；——重力，N； G ——柱塞和液体段塞质量，kg。

刚开井瞬间，在降斜段（3 153～3 009 m），柱塞所受合力向上，具有向上的加速度，柱塞携水开始上移。在降斜段上行过程中，由于气体流速低，湍流密封效果不明显，部分液体从柱塞与油管内壁间隙内回落，重力 G 不断减小，柱塞之上的气体不断释放，导致上下压差力 增大，造成合力增大，加速度增大。从图5中3 009～2 864 m的速度曲线图可以印证。随即柱塞进入25°稳斜段（2 864～825 m），由于重力作用，柱塞紧贴油管下侧，压力降低，气体流速增大，湍流密封效果增强，液体滑脱减少，且4个主要力的合力大致为0，加速度为0，柱塞在稳斜段保持匀速运动。继续上行至直井+造斜段（825～0 m），柱塞上部压力释放完全，下部压力由于膨胀减小，导致上下压差力 减小，合力向下，加速度向下，作用结果为柱塞减速，到地面时柱塞速度减为0。

以柱塞作为研究对象，主要受到重力 G 、柱塞的摩擦阻力 和上下压差力 ，具体计算公式如下：       

式中： k ——阻力系数，无因次； ——流体密度，kg/m ³ ； v ——流体速度，m/s。

刚调小流量瞬间，在直井+造斜段（0～828 m），柱塞所受合力向下，具有向下的加速度，柱塞下移。另外，公式（3）柱塞的摩擦阻力 与柱塞的速度有关，速度越大，摩擦阻力越大，最终直井+造斜段合力大约为0，基本保持匀速下行。进入稳斜段（828～2 800 m）后，由于重力作用，柱塞紧贴油管下侧，气流从上侧溢出，导致 减小，而 （ 为井斜，取值25°，重力 G 沿井筒分量基本不变，合力继续沿着井筒向下，且加速度更大。 这也是828 m处有台阶的原因，在稳斜段由于 管壁的摩擦阻力作用，柱塞速度逐渐减小。 进入降斜段（2 800～3 153 m），流体（气体或者含水混相）密度增大，由公式（3） ^［14］ 可知 增大，合力向上，产生向上的加速度，柱塞减速。 进入水中之后，这种效应更加明显，速度迅速降为0。