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柱塞气举排水采气工艺在含硫气井中的应用
川东北地区各气田普遍含硫，随着气田开发程度的逐步增大，特别是石炭系气藏，大部分已产地层水。气水井的出水特征差异较大，井口压力不断降低，管理、开发难度不断增大。特别是针对部分具有井深、小产气量、小产水量等特点的气水同产井，传统的泡排工艺已出现不适应性，需要探索新的排水采气接替工艺。同时采用中心站的管理模式，取消了单井站，井站无人值守。间歇生产人工开关井受值班时间的制约具有随意性，由于人工进行间歇开关井，存在诸多不利因素，如开关井时间制度，工作量、人员配置、交通等矛盾。如何延长气水同产井的自喷生产期、如何将传统意义的间歇生产人工开关井过渡到自动化间歇生产、如何解决柱塞气举工艺所涉及到一系列工具的抗硫性能是要面临的一大课题。
为了达到理想的开采效果，针对气水同产井的实际井况，开展了国内首次柱塞气举排水采气工艺在含硫的气水同产井的先导性试验。通过对柱塞排水采气工艺原理、工艺要求等进行研究，优化地面抗硫配套工具，并进行现场试验，达到经济有效的开采目的，逐步形成了含硫的气水同产井的柱塞气举排水采气工艺配套技术。该工艺对延长低压间歇气井天然能量生产期，优化地面管理、实现自动化，有效提高经济效益，并最终提高含硫的气水同产井的采收率具有十分重要的指导意义。
一、柱塞气举工艺原理及参数设计
1、柱塞气举排水采气工艺原理及要求
(1)柱塞气举排水采气工艺原理
柱塞气举是将柱塞作为气液之间的机械界面，利用气井自身能量推动柱塞在油管内进行周期地举液，能够有效地阻止气体上窜和液体回落，减少液体滑脱效应，增加间歇气举效率。柱塞气举过程井筒油套压变化见图1。
图1 柱塞举升过程油压、套压变化示意图
当控制薄膜阀关闭时，柱塞在自身重力作用下在油管内穿过气液进行下落。在关井瞬时，套压可能下降也可能不变，套压下降时由于套管中的气体继续向油管膨胀，使油套压趋近平衡，这时油压会相应升高，之后套压由地层供气能力控制;关井初期，油压恢复较快，之后油压由地层供气能力控制。
柱塞下落到达井下卡定器位置处，撞击卡定器的缓冲弹簧，液面通过柱塞与油管的间隙上升至柱塞以上聚集。
地面控制器控制薄膜阀打开，生产管线畅通，套管气和进入井筒内的地层气向油管膨胀，到达柱塞下面，推动柱塞及上部液体离开卡定器开始上升，直到柱塞到达井口。开井后，气体从井口产出，油压迅速降低，柱塞逐渐加速上升;同时套管气体进入油管举升柱塞，套压下降。
环空套压迫使柱塞及柱塞以上的液体继续上行，液体到达井口后，由于控制阀节流，油压又开始增加;当柱塞到达井口后，油压会继续增加，套压降到最小值。
根据设置的关井时间，地面控制器控制薄膜阀关闭生产管线，柱塞再次在自身重力作用下开始下落。(2)工艺要求
① 气井具有一定的产能，带液能力较弱的自喷或间喷生产井。② 日排液量小于30 m³。
③ 气液比大于每千米250 m³/m³。
④ 国内一般井深H≤4 000 m(国外资料可以达5 000 m)。⑤ 井底有一定深度的积液。
⑥ 油管完好畅通、管串上工具内径和油管统一。⑦ 井底清洁，无泥浆等污物。
2、相关工艺参数设计
在Fo & Gaul图版技术的基础上，利用柱塞举升数值模拟技术，借助现场实测数据，模拟求解柱塞的运动参数。结合气井产能拟稳定态的IPR，系统设计柱塞举升的工作参数，使整个生产系统处于最佳，试验井TS12井及L12井参数设计如下。(1)TS12井柱塞气举工艺参数 ① 依靠该井自身能量进行生产。② 卡定器下入深度：3 929 m。③ 运行周期：3~8次/天。
④ 预计产水：10~15 m³/d(初期水量较大)。⑤ 预计产气：(1~1.5)×100000 m³/d。(2)L12井柱塞气举工艺参数 ① 依靠该井自身能量进行生产。② 卡定器下入深度：3 727.6 m。③ 运行周期：3~8次/天。
④ 预计产水：4~10 m³/d(初期水量较大)。⑤ 预计产气：(1~1.8)×100000m³/d。
二、含硫气井柱塞气举工艺优化
由于柱塞气举工艺在国内还没有在含硫气水同产井中应用的先例，因此在开展试验前，充分借鉴四川气田广安区块5口井现场应用的实际情况，结合试验井的具体井况，对卡定器设计的合理性、气源连接管线、薄膜阀控制系统动力气源优化等三个方面进行了深入思考，并进行工艺优化，最终取得现场应用的成功。
1、卡定器、缓冲弹簧设计整体优化
在广安区块实施柱塞举升工艺的5口井中，部分井的卡定器+缓冲弹簧在井下发生位移(图2)。分析认为是井下工具设计缺陷所致，缓冲弹簧的密封性不好，在柱塞工艺井下工具发生位移后，将对气井安全生产造成严重的影响。
图2 打捞出井的卡定器、缓冲弹簧
有些卡定器、缓冲弹簧上设计有密封胶皮，用来起密封作用阻止液体回落。这种想法初衷是好的，但是走进了思维误区。首先，卡定器是安装在油管接近底部，不是安装在油管的中部，基本上不存在回落问题;其次，分析生产过程可以知道，不管是开井还是关井恢复过程中，液体主要是从地层流入井筒再进入油管，不然柱塞也就没有液体可带;另外，胶筒的存在对钢丝作业打捞造成一定的困难。针对卡定器、缓冲弹簧设计上存在缺陷，为确保川东北气矿
含硫气井的卡定器能卡得住、卡得稳，对卡定器、缓冲弹簧进行了改进(图3)。借助试验井修井作业的时机，预先在卡定器位置下入节流器工作筒，将节流器的坐放部件与缓冲弹簧整体结合，确保坐放能更加可靠。
图3 采用节流器改进卡定器、缓冲弹簧
2、气源管线优化改进
柱塞气举工艺在广安区块的部分井中出现了高压气源软管鼓泡的现象，严重威胁气井的安全生产，所有实施井均被迫关闭，改为原生产流程开井生产。针对气源管线鼓泡问题，分析认为起泡原因是由于管线是由多层材料加工而成，加工过程中最外层和第二层之间留有空气，导致实际生产过程中气源软管出现鼓泡现象。
针对该种情况提出的解决措施：将所有高压软管更换成高压不锈钢管，确保现场生产安全，不但解决了高压软管的安全隐患，而且美化了井场。
3、薄膜阀控制系统动力气源优化
广安区块实施的柱塞气举工艺井均为非含硫气井，因此，采用的是普通材质的工具，直接连接油套环空，将油套环空中的天然气直接作为薄膜阀控制系统的动力气源。针对川东北气矿试验井的含硫情况，将井口防喷管、捕捉器等关键部位的工具改为抗硫材质，同时将井站净化气管线来气作为薄膜阀控制系统的动力气源(图4)，以确保设备及人员的安全。
图4 净化气管线来气作为薄膜阀动力气源
三、现场试验及效果评价
1、试验概况
通过前期论证，决定将柱塞气举排水采气工艺应用于川东北气矿的TS12井和L12井两口含硫的气水同产井，试验概况如下： TS12井在未使用柱塞气举前，采用泡沫排水采气工艺，每天不间断连续加注起泡剂、消泡剂。每天加注HRQ-1型起泡剂25 kg，加注HRX-1型消泡剂25 kg，油压5~6 MPa，套压10~11.5 MPa，日产气(1~1.1)×100000 m³，日产水12~13 m³。在完成坐放井下卡定器缓冲弹簧及地面配套流程安装后，自2011年9月18日开始采用柱塞气举工艺生产，从柱塞控制模式入手进行柱塞气举制度的摸索，由于TS12井地层能量较为充足，试验前实测地层静压为16.715 MPa，该井立足于“减少关井复压时间、增加开井次数”，以期达到多产气的目的。通过TS12井每次柱塞到达井口时间比对、柱塞运行周期分析、开关井时井口油套压变化的判断，结合实际生产情况，通过现场30余次的调试，初步摸索出适合TS12井的柱塞气举工艺制度，在采用时间控制模式、每天运行9个周期的情况下，完全依靠天然能量生产，油压2.2~8 MPa，套压8~11.6 MPa，日产气(1.2~1.5)×100000m³，日产水11.5~15m³。生产情况见图5，可以看出柱塞完全可以代替泡排工艺，该井完全依靠天然能量，实现清洁开采，延长气井自喷生产期，推迟上其他工艺的时间。
图5 TS12 井柱塞阶段生产情况
艺间歇生产，每天加注HRQ-1型起泡剂8 kg，加注HRX-1 型消泡剂8 kg，油压5~5.5 MPa，套压7~8MPa，日产气(1.1~1.4)×100000 m³，日产水4~5.5 m³。在完成坐放井下卡定器缓冲弹簧及地面配套流程安装后，自2011年9月21日开始采用柱塞气举工艺生产，从柱塞控制模式入手进行柱塞气举制度的摸索，由于L12 井地层能量较低，试验前实测地层静压为11.732 MPa，该井立足于“增加关井复压时间、减少开井次数”，以期达到多产气的目的。
图6 L12 井柱塞阶段生产情况
通过L12井每次柱塞到达井口时间比对、柱塞运行周期分析、开关井时井口油套压变化的判断，结合实际生产情况，通过现场20余次的调试，初步摸索出适合L12井的柱塞气举工艺制度，在采用时间控制模式、每天运行5个周期的情况下，完全依靠天然能量实现连续生产，油压5~6.5 MPa，套压7.6~8.8 MPa，日产气(1.2~1.5)×100000 m³，日产水3~4 m³。生产情况见图6，可以看出柱塞完全可以代替泡排工艺，该井完全依靠天然能量，实现清洁开采，延长气井自喷生产期，推迟上其他工艺的时间。
2、试验效果分析
现场实验表明：柱塞气举排水采气工艺在具有井深、小产气量、小产水量等特点的含硫气井中的应用取得良好的排水采气效果和经济效益，在初期运行调试过程中，试验了多个工作制度，柱塞基本能够顺利到达井口，从而起到带液目的，每个制度下运行参数稳定。目前TS12每天9个周期，关1小时52分钟，开井32分钟，日产水11~13 m³，日产气(1~1.1)×100000m³，L12井每天生产5个周期，关井4小时8分，开井40 分钟，日产水2~3 m³，日产气(1~1.2)×100000 m³。两口试验井均能连续生产，且生产较为平稳。
L12井及TS12井的实践表明：柱塞气举排水采气工艺能够起到有效带液的作用，能够延长水淹井自然能量生产期，能够替代泡排工艺。
在未使用柱塞气举前，两口井均采用泡沫排水采气，每天不间断连续加注起、消泡剂。计算可得TS12井每月节约成本18 235.5元，L12井每月节约成本6 687.0元，月总节约成本约24 922.5元。
结论及建议：
(1)柱塞气举排水采气工艺在TS12井、L12井的试验成功，表明柱塞气举排水采气工艺可以在具有井深、小产气量、小产水量等特点的含硫气水同产井中应用。
(2)柱塞气举排水采气工艺能够起到有效带液的作用，能够延长水淹井自然能量生产期，能够替代泡排工艺。
(3)该工艺技术具有工艺简单、无动力消耗、地面设备的自动化程度高、易于管理等优点。
(4)由于L12井、TS12井采用改进后的井下卡定器，这种卡定器是根据井下节流器卡定原理改进而成，现场试验效果较好，具有推广价值。(5)由于针对含硫气井所采用的柱塞产品均来自国外，且国外公司并未提供柱塞气举制度执行的建议。因此，逐步建立试验井的柱塞气举工艺生产管理制度显得尤为迫切，力争在试验初步成功的基础上，细化生产管理制度，做到“一井一策”，真正实现柱塞气举排水采气工艺的精细化管理。
(6)建议通过分析试验井柱塞磨损程度，建立柱塞气举排水采气工艺的柱塞维护制度，以确保试验井柱塞的正常运行。
(7)建议在具备选井条件的含硫气水同产井中推广应用柱塞排水采气工艺，同时开展分体柱塞、自动化控制间歇生产等先导性试验。
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