分体式柱塞气举实验模拟

摘 要：为了进一步改进分体式柱塞的性能，使其排液能力更加显著，我们在分析新型分体式柱塞气举原理的基础上，我们自行设计并搭建了分体式柱塞的模拟实验装置，建立分体式柱塞气举模拟实验，实验模拟了分体式柱塞启动、连续排液过程及卸载过程，对比分析了分体式柱塞气举和常规气举排液规律，对比分析了注液、气量对柱塞上升、下落时间的影响规律。该实验目的：首先通过观察现场模拟实验的实验现象来了解分体式柱塞工作特点；然后分析这些影响分体式柱塞运行周期的因素，为研究出工作效率更高、更加适合现场油田环境的柱塞做准备工作。该实验对完善及推广柱塞气举工艺具有实际的意义。

关键词：有水气井 分体式柱塞 排水采气 实验

中图分类号：TE3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（a）-0050-02

我国气田逐渐进入开发中后期，含水上升，地层能量和产气量下降，井筒气体举液过程液体滑脱现象日趋严重，这将增加井底回压，降低地层生产压差，致使造气井产量进一步下降。常规柱塞举升是解决低压低产有水气井液体滑脱损失严重的重要方法之一，其原理是利用柱塞在油管中气体和液体之间形成固体界面，减少气体窜流和液体回落，从而提高举升效率。但常规柱塞排液采气过程中，柱塞下落时间较长需要长时间关井，影响产量。德士古公司成功研制出一种不关井连续生产的分体式柱塞气举方式，并应用于德克萨斯州东部、南部和西部油田中十口井，增产效果明显，与泡沫排液相比，还能节省化学药品费用，降低生产成本。

该文在分析新型分体式柱塞气举原理的基础上，建立分体式柱塞气举模拟实验回路，实验模拟了分体式柱塞启动、连续排液过程及卸载过程，对完善及推广柱塞气举工艺具有实际的意义。

1 实验装置

1.1 主要特性

分体式柱塞实验装置简易流程如图1所示，该装置采用套管+油管的井筒管柱结构；井筒部分采用透明的有机玻璃管，能实现实验全程的可视化；实验装置底部及顶部均设计有柱塞运行缓冲部件；油管内径Ф40 mm（相当于API1.9"油管），垂直高度19 m；套管内径Ф120 mm（相当于API5 1/2"套管），垂直高度14 m；底部承重法兰内孔径120 mm，外径250 mm；底部支承管柱高127 cm，并沿承重法兰圆周均布3根；底部气液混合装置及缓冲装置免受其上部的油套管及其他部件承压，既方便拆卸组装，又延长其使用寿命。

1.2 实验系统

分体式柱塞实验系统由柱塞回路系统、气回路及水回路组成。柱塞回路运行流程依次为底部缓冲装置、井筒举升管柱、顶部举升装置、井筒举升管柱、底部缓冲装置；气流程较为复杂，空气经压缩机压缩成高压气体后进入储气罐，然后根据实验的具体情况分别进入井筒井筒底部装置与液体汇合。水路流程水流依次进入恒压水箱、水计量仪表、井底进液装置、井筒举升管线、井口排液管线、气液分离器、进入恒压水箱，进入下一循环。

2 实验现象和实验结果分析

2.1 启动过程

启动过程：在分体式柱塞气举启动过程中，先打开进液阀门，当液体进入井筒一定高度后再缓慢开启进气阀门。开启进液阀门，水流慢慢进入井筒，井底压力缓慢升高；开启进气阀门并不断调节进气流量，在此过程中由于气体慢慢进入井筒，井底气液两相呈现搅动流状态，并托举着柱塞在气液两相流动中上下震荡，但此时柱塞并不会到达井口井筒内液体不会被排掉，由于井底积液量的累积及柱塞的上下震荡导致井底压力表现为波动起伏式升高；经过前期对注气量不断的调试，柱塞同其上部的液柱能够稳定到达井口，液体被排出井口，柱塞在井口也能实现空心圆柱筒与球的分离并分别下落。至此，分体式柱塞已能实现不关井稳定运行，由于前期井内积液量较大，所以柱塞在最初几次的举升液量较多，井底压力下降较快，井口压力峰尖较高。此后随着大量液体被排出，井筒内积液慢慢减少，最后与井筒进液量达到平衡，在此过程中井底压力及井口压力起伏达到平衡。

2.2 卸载过程

卸载过程：先让柱塞正常运行并举升液体，当空心圆柱筒最后一次下落至井底时关闭进气阀门，之前柱塞上升过程中漏失的液体也迅速回落至井底，此时还有液体继续从进液阀门不断进入井筒，因此，随着井底压力不断上升，一段时间后关闭进液阀门，同时打开井底排液阀门，此时井筒内积液迅速回落，井底压力也随之下降，至此，实验卸载结束。

2.3 分体式柱塞气举与常规气举对比实验

实验过程如图2所示。井底压力相邻两个波峰或波谷之间为一个柱塞运行周期。井口压力的峰值即为柱塞与其上部的液段达到井口的时刻。由图2可以看出：（1）在0～120 s内，分体式柱塞气举正常运行，井筒液体被带出井口。（2）在121～220 s内，此时井筒由分体式柱塞气举工艺变成常规连续气举工艺，可以明显看出在此过程中，仅仅依靠气体已无法将井筒内积液全部带至井口排出，随着井筒进液量不断增加，井筒内积液越来越多，从而造成井底压力显著增大。（3）在221～500 s内，此时井筒又由常规连续气举工艺恢复成分体式柱塞气举工艺，柱塞正常运行。

从本次试验可以得出以下结论：分体式柱塞气举能将井筒内液体几乎全部带出井口排出，而常规连续气举出现严重液体滑脱。说明分体式柱塞气举工艺比常规连续气举工艺在相同条件下更能有效排出井筒内液体。

2.4 不同液流量对比实验

如图3是注液量分别为2、3.2、4.4 L/min，柱塞上升时间与注气量的关系。由图3可知，在不同液流量条件下柱塞上升时间与注气量关系的规律一致，即在注气量小于20 m3/h的条件下，柱塞平均上升时间随注气量的增加下降较快，但在注气量大于20 m3/h时，柱塞平均上升时间随注气量的增加下降较为缓慢。并且随着液流量越大这种趋势越为明显。

3 结论

（1）开展了分体式柱塞物理模拟实验，实现了长期不关井条件下分体式柱塞在实验井筒中稳定带液运行。

（2）进行了分体式柱塞气举和常规气举对比实验，其测试结果表明：分体式柱塞气举工艺比常规连续气举工艺在相同条件下更能有效排出井筒内液体；

（3）对比分析不同进液量和注气量对井底压力、井口压力、柱塞上升时间、柱塞下落时间及柱塞运行周期等参数的影响，得到了在不同进液量条件下柱塞上升时间与注气量的关系。

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