[修訂]柱塞氣舉工藝技術研究

1、柱塞氣舉采油工藝技術研究中國石化中原油田分公司新科力技術公司二00二年六月柱塞氣舉實質上是間歇氣舉采油的一種特殊形式，由于在舉升氣體和 被舉升液載z間提供了一種固體的密封界面，減少了氣體的竄流和液體的 回落，從而能有效提高氣體能量的舉升效率，使井的產(chǎn)量大大提高。柱塞氣體的舉升能量來源于氣體的膨脹能（地層氣或注入氣），它可以 充分利用地層的能量，所以尤其適用于高氣液比的采油井。在常規(guī)間歇氣 舉效率不高、效果不明顯的井，采用柱塞氣舉可以提高生產(chǎn)效率，避免氣 體的無效消耗。柱塞氣舉在正常生產(chǎn)時，由于柱塞在油管內往復運動，所以可以起到 清、防蠟除垢的作用，可以節(jié)約生產(chǎn)時間和生產(chǎn)費用。柱塞氣舉井下工具的

2、安裝都非常簡便，只需利用鋼絲繩就可以完成安 裝和打撈工作，避免了修井作業(yè)，這樣既可以減少作業(yè)對油層的污染，同 時可以節(jié)約生產(chǎn)時間。柱塞氣舉采油管柱示意圖如下：1、工具設備的研制1. 1工作過程柱塞氣舉裝置的止常工作，由時間控制器定時控制氣動切斷閥的開關來完成，當氣動切斷閥關閉是，柱塞上的凡爾已被防噴管內的撞擊桿頂開,這時，柱塞靠自身重量下落，柱塞撞擊緩沖彈簧后凡爾關閉。當柱塞上方積聚到設計要求的液量時，氣動切斷閥打開，高壓氣體經(jīng)過氣舉凡爾進入油管，從而把柱塞舉升到井口，完成一周期再開始下一循環(huán)。12工具設備的結構和技術參數(shù)1、柱塞為彈簧加載的擴張葉片式柱塞，彈簧加載片直徑接近于油管內徑，擴 張

3、開為61,收攏為56,中間有一靠外部頂桿完成開或關的閥，柱塞密 封受彈簧葉片及油管內徑相對公差大小的影響。技術參數(shù)：材 質：合金鋼，作防腐處理長 度：445mm葉片擴張最大外徑：61mm 35mm葉片收攏最小外徑：56mm 打撈頸： 質量： 6kg工作過程：上行狀態(tài)：柱塞座在緩沖彈簧上后，閥桿與緩沖彈簧碰撞上移。堵塞 孔2,使孔1與孔2不連通。而柱塞葉片在彈簧作用下處于擴張狀態(tài)，故與 油管間隙較小，在舉升過程滑脫損失小。下行狀態(tài)：柱塞上行，把液體舉出井筒后，閥桿與井口防噴盒碰撞下移，孔2與孔1連通。使井筒中流體（主要是氣體）能通過通道，柱塞依 靠自重下落。圖111、閥體2、滑瓦3、閥桿4、鎖緊

4、螺釘5、閥盒6、彈簧7、鋼球8、支撐彈簧2、卡定器?？ㄔ? 7人油管（內徑62mm）接箍的凹槽內，用鋼絲投撈的方法投 放和撈出。技術參數(shù)：材質：45#鋼，經(jīng)防腐處理。打撈頸：45mm最大尺寸：64mm仲長：345mm質量:1.5kg工作原理：當釋放彈簧卡定圓柱銷后，在釋放彈簧作用下，卡爪緊縮（直徑由70mm 縮至55mm）用投撈工具把卡定器送入油管內設計深度以下10m處，然后 上提工具串至油管接箍位置時，釋放彈簧的鋼絲頭卡入接箍凹槽，彈開， 使卡爪釋放。然后下放工具串，卡爪卡入接篩凹槽。需要起出時，上提工具串，使卡爪回縮，即可提岀。3、緩沖彈簧：放在卡定器上，當柱塞下落到底部時起緩沖及關閉柱塞

5、下部閥的作用, 上端有35nmi的打撈頸，可以用鋼絲打撈。技術參數(shù)：長度：850mm最大外徑：58.5mm材質：60si2mn,經(jīng)防腐處理質量：6.5kg圖131、接頭2、彈簧4、氣動切斷閥由時間控制器的壓力信號控制打開或關閉。技術參數(shù):長：170mm高：420mm寬：140mm通徑： 55mm工作壓力：16mpa耐壓強度：30mpa工作介質：天然氣最小開啟所需壓力0.2mpa使用方法：按流向箭頭裝在注氣管線上，為常閉閥，由吋間控制器發(fā)出指令信號， 操縱閥的打開或關閉，閥上裝有指示打開或關閉的標尺，以便于地面觀察 和控制兩端為zg2一12牙/英寸母扣。5、減壓調壓閥功能：將高壓天然氣減壓閥調整

6、到下游切斷閥動作所需壓力(約 0.350.5mpa),進口壓力可達16mpa,出口壓力可任意調節(jié)直到零，連接 扣型為zg 1/419牙/英寸。作用：把井筒氣體減壓到(0.140.42mpa),作為氣動切斷截止閥動作 的動力氣體。技術參數(shù)：進口壓力：16mpa出 口 壓力：00.525mpa連接類型：zg1/4"調壓范圍：00.525mpa總高度：150mm質量：1.5 kgi圖14減壓調壓閥1殼體；2彈簧罩；3堵塞；4-調節(jié)閥；5閥頭；密封熱7膜片；8彈簧支撐；9減壓彈簧；10調整螺釘；11鎖緊螺帽；12連接螺釘；13彈簧。6、過濾器:過濾出進控制器的天然氣的水蒸氣、輕質油和其它雜質

7、，并從下部排 岀，以防腐蝕或堵塞，保證控制器電磁閥的可靠工作。技術參數(shù)：通徑：60mm耐壓：16mpa總長:262mm體積：9 50x150111111材質：合金鋼連接扣型：zg 1/419牙/英寸圖1-5 過濾器1、2、3、4排污閥；5殼體；6鎖緊帽；7墊片；8過濾罩；9中心管；10； 11出氣孔；12上蓋。7、防噴管總成主要由防噴管、可取式壓帽、緩沖彈簧和撞擊桿組成，妥裝在三通之連接扣型:2 7/8牙/英寸總長:800mm質量：25kg耐壓:35mpa防噴管內的緩沖彈簧用以吸收柱塞上行到井口防噴管時的剛性沖擊， 起減振作用。防噴管頂部的壓帽有一內孔，起導向作用，保證撞擊桿對中, 使它能完全

8、進入上升的柱塞內，把閥頂開，打開旁通。捕捉器可捕捉住柱 塞，緩沖板使柱塞底部閥門撞擊等。8、三通總成三通總成安裝在采油樹（或總閘門）的頂部，上部與放噴管連接。三 通一側裝有彈簧加載于鋼球的手動捕捉器，用來捕捉柱塞，以便于對柱塞 進行檢查。2 柱塞氣舉的動態(tài)模擬2. 1柱塞氣舉中柱塞運動分析當油井井底壓力很低，以至在用間歇氣舉舉升油井產(chǎn)出液的過程中， 從油層進入油管內的液體高度還不足以防止氣體竄過液柱，或為了提高間 歇氣舉的舉升效率吋，人們往往把間歇氣舉與柱塞舉升組合成柱塞氣舉。準確分析柱塞氣舉中柱塞的運動規(guī)律，對于止確地設計柱塞氣舉裝置、 合理確定氣舉的循環(huán)周期和注入氣的氣量等均有密切的聯(lián)系。

9、木節(jié)擬對柱 塞運動作一準確的力學運動規(guī)律的分析。2. 1. 1氣舉柱塞運動微分方程的建立本節(jié)擬分析的柱塞氣舉裝置的示意圖如圖2-1所示。在柱塞上行的分 析中所釆用的坐標系的原點放在環(huán)空氣體注入處,y軸鉛直向上。注氣循環(huán) 開始時，柱塞的下底面位于坐標原點處。設柱塞上行舉升產(chǎn)出液的過程中 的任意時刻t ,柱塞的下底面的位置為y ,圖2-1中其余符號的意義參見 本文后面的符號說明。分析情況的確定：為了簡化分析，我們對所分析的柱塞運動作如下約定：1、假定在柱塞作上下循環(huán)運動的過程中保持油管井口壓力pwh和環(huán) 空地面注氣壓力p so不變；圖21.柱塞氣舉示意圖（上行）2、認為柱塞循環(huán)上行的過程中油管內氣

10、體和被舉升液體的運動速度均 與柱塞運動速度相同；且環(huán)空中注入氣體的速度可按不可壓縮流體連續(xù)性 方程計算；3、不計柱塞上部液體的回落和氣體沿柱塞邊緣間隙的漏失。這是由于 在氣舉柱塞上行的過程中，作用于柱塞下底面上的舉升氣體向上的壓力大 于作用在柱塞上頂面上的壓力（若僅以柱塞為對象分析，則柱塞上頂面上 的壓力由油管井口壓力、柱塞上部液體、液體上部的氣體重和氣液與油管 間的摩阻作用構成），且由于柱塞與油管間的間隙中的氣體可以阻止上部液 體回落，故柱塞上部液體的漏失可予忽略；同時，由于柱塞上部液體的良 好密封性，使得柱塞下部氣體經(jīng)柱塞與油管之間的間隙上逸的量大大減少, 故本分析亦不計氣體量的損失；4、

11、將柱塞循環(huán)過程中的地層液體的流入按穩(wěn)定流處理；5、油、套管中的氣體和液體的溫度按線性分布考慮。2. 1. 2柱塞向上運動的微分方程現(xiàn)將柱塞和其上的待舉升液柱作為一整體進行研究。如前所述，則柱 塞上行至坐標y處時，作用于柱塞-液柱上的力有：作用在液柱上表面的氣體壓力，ptsplugu，方向向下；作用在柱塞下表面 上的氣體的向上壓力，ptsplugd ；柱塞及其上液柱的重力wt ;液柱和柱塞側 面與油管壁間的摩阻力ff 。由上述受力分析，可得到扶塞-液柱的運動方 程：/w w(2-1)(仇咖-仇險)*4 比j wa g g一無測p麗僉-y'2 - ptginew式(2-1)中:ci = y

12、n為柱塞和液柱運動的加速度；at油管過流面積；wt柱塞和被舉升液體的重量；ff柱塞和液柱的摩阻力。式(21)中各量的求法如下：1、柱塞下底面處的氣體向上壓力ptsplugd該量的計算須按兩種不同的情況分別予以處理：(1)、環(huán)空注入氣體的過程屮pt沁ugd可從環(huán)空地面注氣壓力ps。開始，計入環(huán)空內注入氣休的自重、 環(huán)空氣體摩阻、注入氣過注氣凡爾的壓降、油管內柱塞下部氣體自重和摩 阻，以及從地層產(chǎn)出液的影響。于是，可得到下述算式：(2-2)ptsplugd = pso + pcsinj - gcp.c 2(d)叮 _ p麗 gy式(22)中兀環(huán)空氣體的平均密度；i環(huán)空氣體運動的平均摩阻系數(shù);匕.=

13、工4環(huán)空氣體運動速度；4入，ato分別為環(huán)空和油管的過流面積;v = dy 柱塞和液柱的運動速度； dt%油管內柱塞下部氣體的平均密度；幾油管內柱塞下部氣體運動的平均摩阻系數(shù)；p,過注氣閥的壓降；a產(chǎn)出液密度lnew注氣點以上油管內的新積液高度；“，分別為套管內徑和油管外徑；dti油管內徑。(2)、注氣停止后注氣停止后，凡爾已關閉，此時柱塞下底面的壓力按氣體膨脹由氣體的狀態(tài)方程計算得出。2、液柱上表面的壓力，ptsplugu油管內液柱上表面的氣體的向下壓力應綜合考慮油管井口壓力、油管內液柱上部的氣體自重和氣體摩阻而構成，即:(2-3)p咖艸=卩訕+0艸一歹一-)+盂，戸紳 v2式中，pwh油管

14、井口壓力；ps,u油管內柱塞上部氣體的平均密度；tu油管內柱塞上部氣體運動的平均摩阻系數(shù);仁柱塞和液柱的總長度；其余符號的意義同前。3、自重wt的計算當被舉升的液柱頂面未到達井口時，自重wt由柱塞自重和被舉升的液 柱重量兩部分組成。其屮，柱塞自重按其形成的壓力計算；當被舉升液柱 已到達井口后，液柱逐漸減小，相應的液柱重量亦同步減小。4、液柱與柱塞的摩阻ff的計算鑒于油管內壁與柱塞之間有液膜存在，且柱塞長度遠小于液柱長度, 故這一摩阻力統(tǒng)一按液柱摩阻計算。綜合上述各關系式，可得：2生-血)«y '2 - “廠 pgtd sy - % 幾寺 y2 - a-pwh+(zinj-yf

15、 )+ ?！本臿t-wt- p入備護 a= y”(2-4)式(2-4)經(jīng)合并整理，可得到下述形式的二階常常微分方程：/=a#2+a2y2 + y + 4(2-5)(2-5)式為一非線性的二階常微分方程，除了方程右邊第一、二項表現(xiàn) 出非線性特征外，在各項系數(shù)中，由于摩阻系數(shù)、氣體密度均由相應的平 均壓力和平均溫度算出，而柱塞上下的平均壓力和溫度又都隨柱塞位置而 定，故各項的系數(shù)都是未知量的函數(shù)。因此，方程（25）只能用數(shù)值方法 求解。（25）式的初始條件可取柱塞未啟動的位移和速度為零。于是，組成 了如下定解問題：y" = ayy,2+4y,2 + 加+4y = 0當心0時 (2-6)y

16、=o當r=o時2.1.3柱塞向下運動的微分方程柱塞從油管井口出發(fā)，先是在油管屮的氣體里下落，隨后在新進入油 管內的地層產(chǎn)出液里下落。柱塞在油管中下落，有別于柱塞在無限空間中 的下落，柱塞下落計算的關鍵是柱塞所受的阻力的確定。下面擬分成在氣 體中下落和在液體中下落兩種情況予以考慮：1、柱塞在氣體中下落在討論柱塞下落時，我們把y軸的正向向下，并將坐標原點置于井口。 此時，柱塞受其自重、浮力和與管壁間的摩擦力的作用，其力平衡方程為:%-恥-f廠十*（2-7）o式中，wplug柱塞自重久柱塞下行時油管上部氣體的平均密度vplug柱塞體積ff2 柱塞在氣體中下行時與油管間的摩擦力2、柱塞在液體屮下落當柱

17、塞下行進入油管內的液柱時，柱塞受到其自重、液體浮力和摩阻 力的作用，其力平衡方程為：w麗qgv麗(2-8)8式中左邊第二項為浮力，第三項為柱塞在油管內液體段所受阻力。式 (27)和式(28)的關鍵是確定柱塞在汕管中氣體段和液體段中下行時的摩 阻力ffg和f"鑒于油管邊壁上存在著液膜和柱塞與油管間間隙較小，可以 認為在柱塞和油管的微小間隙中的流動為層流，故ffg的計算可以由下式算 出：drl,巧“亠虬山(2-9)e而f什的計算與ffg類似。綜合上述各式，可得到下述形式的定解問題：w = az wu +4< 兒=0 當t = o時 (2-10)巧=0當t = 0吋式(210)也是一

18、個變系數(shù)的二階常微分方程，同樣需要用數(shù)值方法求解。2. 1. 4柱塞運動微分方程的求解前述柱塞上行和下行的這類變系數(shù)的二階常微分方程，可采用哈明(ham-ming)法求解，該法所需的頭三層的出發(fā)值由龍格-庫塔法求出。前述待求解的運動方程及其初始條件均可記為：< y = 0 當 t = 0 時 |(2-11)y=o 當t=o時2. 2算例及計算結果一擬采用柱塞氣舉的油井資料如下:油井深度力= 2743.2 mm油管外徑= 60.325 mm油管井口壓力pwh = 0.6895mpa地面注氣壓力pso = 8.8597mpa (絕對)初始產(chǎn)液量bbl0=0.5m3/c柱塞自重壓力幾咖=0.0

19、34474mpo原始地層壓力pr = 20.6842mpg采液指數(shù)帀如=4.75"/mpd/原油飽和壓力ph = 17.9263mpq油管內徑£ =50.673 mm套管內徑“ =115.824 mm井口溫度g=15°c井底溫度twh = 65 °c原油相對密度兒=0.8762氣體和對密度乙=0.65含水率九= 0.15為了考察柱塞運動特性和柱塞氣舉特性，本報告以上述油井參數(shù)為基礎，進行了計算，現(xiàn)將計算結果分述如下。221柱塞運動特牲利用上述數(shù)據(jù)所進行的實例計算結果繪于圖22至圖2-9 z屮。圖2-2.柱塞位移與時間的關系圖2-2為柱塞-液段的下底面位置

20、隨時間的變化，圖2-3為柱塞液段上 行時的運行速度與時間的關系曲線，圖2-4為柱塞和液段上行的加速度隨時 間變化的情況。2086420864200/ oz 1x 11畐、來)s圖23杠塞-液段上行速度變化曲線50100150200250300350時間（秒）從圖22和圖23可以清晰地看出，柱塞上行大約分成三個階段。第一 階段是柱塞-液段的起動加速階段。這一階段歷時很短，在本算例中人約只 需數(shù)秒的時間，柱塞-液段就可以從靜止迅速加速到最高速度。第二階段為 緩慢減速上行階段，這一階段持續(xù)的時間較長，它從柱塞達到上行的最大圖24.柱塞-液段上行加速度變化曲線50100150200250300350時

21、間（秒）555453525150515 -4 3 2 -1 o o o o o o o o o -速度直至液柱頂面到達井口為止。運行之中，由于柱塞下底面的向上壓力 逐漸減小，特別是停止注氣之后，這一壓力下降得更快，使得柱塞上行的 速度更快地下降。正因為如此，這一緩慢減速階段又可以停止注氣時間劃 分成兩個小階段。在前一小段內，即本算例中在=145.6秒之前，注氣一直 持續(xù)進行，柱塞運動的速度下降得比較慢。停止注氣后，柱塞-液段上行完 全靠注入在柱塞以下的油管中的氣體膨脹維持。因此，柱塞-液段的上行速 度下降加快。第三階段為液段逐漸從油井產(chǎn)岀的階段。由于液段長度不斷 地減小，舉升的重量逐漸減小，故

22、柱塞和液段逐漸加速，柱塞到達井口的 速度相當高。這一點在柱塞防止撞擊的設計中必須認真對待。圖2-5為柱塞-液段上行時作用在柱塞下底而的向上壓力和作用在被舉 升的液段頂面的向下壓力隨時間變化的情況。圖中上面的一條曲線就是柱 塞下底面上的壓力變化曲線。此曲線所反映的壓力變化與前述的速度變化 是對應的。對應柱塞迅速啟動加速階段的壓力變化很快，在數(shù)秒時間內圖25.柱塞-液段上行吋上下而上的壓力變化曲線105010015020025030035009876543210時間（秒）+ 柱上壓力 亠柱下壓力就完成了。在速度緩慢減速階段，與運行速度變化一樣，以停止注氣時間 為界，在未停止注氣z前，柱塞下底面上的

23、壓力的變化不及停止注氣后那 樣迅速。在大約t>145.6秒附近，壓力變化曲線存在一個明顯的轉折點。正 是由于停止注氣后的氣體迅速膨脹、推動柱塞上行，導致了柱塞下部的壓 力迅速減小。此曲線的最后一段的壓力變化雖又有些加快，但不像柱塞上 行速度曲線那樣那么激烈。由此可以得出，第三階段的柱塞迅速加速主要 是rfl于液段到達井口之后液柱高度迅速減小，使柱塞-液段的自重迅速減小 引起的。圖25屮的下部的一條曲線為柱上壓力變化曲線，其變化平穩(wěn)。 在液段未到達井口之前，兩條曲線間的距離越大，表示推動柱塞向上的力 越大，因而此時柱塞向上運行的速度也就越高。圖2-6表示當?shù)貙优c油管內柱塞運行時協(xié)調時，新進

24、入油管內的液柱高 度與時間的關系。oooooooooooo1098765432111 1a81-圖26.新進入油管液柱高度與時間的關系（上行） 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00050100150200250300350時間（秒）圖2-7為柱塞上行時從油管井口排出的氣體總量與時間的關系。它是一 條累積量的曲線，呈平穩(wěn)遞增的形式。圖27.柱塞-液段上行時的總出氣量曲線("興)*¥裁換505050503 3 2 2 1 150100150200250300時間（秒）圖2-8為柱塞上行時從油管內排出氣體的流量隨時間變化的情況，從圖中可以看出，排氣速度

25、是不斷下降的，并且在停止注氣點附近變化，這也 是在該處柱塞運行速度發(fā)生了迅速減慢的結果。圖2&柱塞-液段上行時的排氣速度050100150200250300時間（秒）(診、"米)翌因rs22. 2柱塞氣舉敏感參數(shù)分析在井深h=2743.2m注氣深度zinj=2643.2m含水率fw=0.15地層壓力 pr=2o.6839mpa 飽和壓力 pb= 17.9261 mpa 井口壓力 pwh=o.6895mpa 和產(chǎn) 液特性均保持上述基本取值的前提下，計算考察了注氣壓力、井口壓力、 產(chǎn)液指數(shù)、含水率對柱塞氣舉特性的影響。1、注氣壓力對柱塞氣舉特性的影響計算表明，在柱塞不等待的條件下

26、，隨著注氣壓力的增加，每次循環(huán)的 舉升液量是下降的，如圖2-9所示。事實上，隨著注氣壓力的提高，井底流 壓亦相應增大，在采液指數(shù)不變時，每一循環(huán)的產(chǎn)液量,亦即舉升液量會 逐漸下降。圖2-9.地面注氣壓力對舉升液量的影啊4. 50004. 00003. 50003. 00002. 50002. 000059.66.577.588.59地面注氣壓力(mpa)圖2-10為柱塞上行時間、下行時間和一個循環(huán)周期的時間隨地面注氣 壓力變化的情況。計算表明，隨著地面注氣壓力的提高，柱塞和液柱上行 的速度增大，致使柱塞上行時間隨著地面注氣壓力的增高而減小；而當柱 塞下行時，油井內的情況除了在不同地面注入壓力下

27、的井內積液量略有差 別外，其它條件均相同。圖2-10.地面注氣壓力對柱塞運行時間的影響地血注氣壓力（mpa）(訟二口迄-上行時間（秒）+ 下行時間（秒）t循環(huán)時間（秒）由于柱塞下行時的井內積液量隨地面注氣壓力增人而略有減少，故柱 塞的下行間隨著注氣壓力的增大而略有減小，在圖2-10中表現(xiàn)為一條近乎平行于x軸的直線。綜合柱塞上行吋間和下行吋間，即為柱塞運動的循環(huán) 時間，由圖2-10可以看出，隨著注氣壓力的提高，柱塞循環(huán)的時間也是逐 漸減少的。001圖211.地面注氣壓力對注入氣量的影響6. 577.588.599.510地面注氣壓力(mpa)o o o o2 0 8 62 2 11o o4 2圖

28、2-11為每一循環(huán)中舉升柱塞和液柱所需的注入氣量隨地面注氣壓力 變化的情況。從圖中可以看到，隨著注氣壓力的提高，每次循環(huán)所需的注 入氣量是逐漸下降的。這是因為在本算法中，注入氣量主要取決于油管井 口壓力和每一循環(huán)所舉升的液量。此吋，井口壓力保持不變，而每一循環(huán) 所舉升的液量是隨地面注氣壓力的提高而減少的，故隨著注氣壓力的提高, 每一循環(huán)所需的氣量是逐漸減小的。2、井口油壓對柱塞氣舉特性的影響圖2-12.井口壓力對舉升液量的彩響井口壓力（mpa）圖2-12為每一循環(huán)的舉升液量隨井口油壓變化的情況。從圖2-12可以 看到，在其它條件保持不變的情況下，隨著井口壓力的提高，每次循環(huán)的 舉升液量略有下降

29、。井口壓力的提高無疑加大了柱塞下行期間的井底流壓, 致使進入循環(huán)之中的地層產(chǎn)液，即每一循環(huán)的舉升液量略有下降。圖2-13.井口油壓對柱塞運行吋間的影響(訟)叵盂- 一 一 6o ooooooooo ooooooooo 098765432亠上行吋間（秒）亠下行時間（秒）循環(huán)時間（秒）0.811.21.41.61.8井口油壓(mpa)圖2-13為井口壓力變化對柱塞運行的上行時間、下行時間和循環(huán)時間 的影響。從圖2-13可以看出，隨著井口油壓的提高，柱塞運動的上、下行 時間和循環(huán)時間都是下降的。這一現(xiàn)象似乎與提高井口油壓會導致柱塞運 行速度下降，從而應使柱塞運動的上行時間加長的直觀判斷相悖。事實上

30、計算表明，在井口壓力較小時，同樣在柱塞不等待的條件下，每一循環(huán)所 舉升的液量較大，此時過注氣凡爾的壓降也較井口油壓大時的過凡爾壓降 要大。因此，此時柱塞下底面上的向上的舉力減小，結果柱塞向上運行的 平均速度在本報告計算之中的井口壓力變化的范圍內幾乎無變化,故圖 2-13中的柱塞上行時間幾乎是一條平行于x軸的直線。而柱塞下行時，它 在氣體之中下落的速度遠遠大于在液體之中的速度。一般而言，每一循環(huán) 的舉升液量越大，柱塞下行時井內的地層產(chǎn)液積聚越多，柱塞下行的時間 也就越長。綜合而言，由于隨著井口壓力的提高，每一循環(huán)的舉升液量是 下降的，故出現(xiàn)循環(huán)時間隨著井口壓力的增加而下降。圖2-14為注入氣量隨

31、井口壓力變化的情況。圖2-14表明，隨著井口 壓力的提高，注入氣量亦隨之增加，二者幾乎成止比的線性關系變化。這 是由于每i循環(huán)所需的注入氣量取決于注氣點以上用于儲氣的油管長度和 這一體積內的平均壓力和平均溫度。其中，平均壓力主要取決于油管井口 壓力和剛抵達井口的液柱長度及柱塞自重。井口壓力的增大，勢必加大這 一平均壓力，從而使所需的注入氣量增加。24圖2-14.井口油壓對注入氣量的影響0.811.21.41.61.8井口油丿k(mpa)o o o o2 0 8 62 2 11402000($磐、“沃)氓rv過3、產(chǎn)液指數(shù)對柱塞氣舉特性的影響圖2-15為產(chǎn)液指數(shù)變化時對每一循環(huán)的舉升液量的影響。

32、從圖2-15可 以看出，在其它條件不變的情況下,隨著油井供液能力的提高，柱塞氣舉 每一循環(huán)的舉升液量亦隨著增大，二者幾乎是同比例增加的。這也是很顯 然的，只要注入氣體有足夠的力量舉升液體，油井供液能力強的必然會有 更多的產(chǎn)液被舉升上來。4.0000圖2-15產(chǎn)液指數(shù)對舉升液量的影響3.50003.00002.50002.00001.5000產(chǎn)液指數(shù)（米3/mpa/天）圖2-16.產(chǎn)液指數(shù)對柱塞運行時間的彩響2.533.544.55產(chǎn)液指數(shù)（米3/mpa/天）oooooooooooooooooo098765432-上行時間（秒）t-下行時間（秒）循環(huán)時間（秒）圖2-16為產(chǎn)液指數(shù)變化對柱塞運行時

33、間的影響。從圖2-16可以看出, 隨著產(chǎn)液指數(shù)的增大，柱塞上、下行時間和循環(huán)時間都是增大的。這是由 于產(chǎn)液指數(shù)的增大,每次循環(huán)舉升液量加大,在注氣壓力保持不變時，柱 塞上行的速度會減慢，導致柱塞上行時間增加。同樣地，隨著產(chǎn)液指數(shù)增 人，柱塞下行時汕井下部聚集的產(chǎn)液深度也必然增大，從而使柱塞下行的 時間也加長。綜合起來就出現(xiàn)循環(huán)時間隨著產(chǎn)液指數(shù)增人而加長的結果。圖2-17.產(chǎn)液指數(shù)對注入氣量的影啊2.533.544.55產(chǎn)液指數(shù)（米3/mpa/天）2 o o o o o 8 6 4 2 0 1x 11 1x ix 1x (ssa 來)wrvffi圖2-17為產(chǎn)液指數(shù)變化對注入氣量的影響情況。從圖

34、2-17可以看出, 隨著產(chǎn)液指數(shù)的增大，一次循環(huán)所需的注入氣量也相應增大。這主要是由 于每次循環(huán)的注入氣量與所舉升的液柱在井口所形成的壓力大小有關。故 隨著產(chǎn)液指數(shù)的增大，每一循環(huán)舉升的液量增大，必然導致對所需注入氣 量的增加。4. 含水率對柱塞氣舉特性的影響圖2-18為含水率變化對每一循環(huán)舉升液量的影響。從圖中可以看岀，隨著含水率的上升，每一循環(huán)的舉升液量略有提高。圖2-18.含水率対舉升液量的影響572.52.52才5 5 57 2 11 11 1110.020.030.040.050.060.070.080.090.0含水率（）圖2-19.含水率對柱塞運行時間的影響(診)一含水率（%）t

35、上彳亍時間（秒）t-下行時間（秒）-循環(huán)時間（秒）圖219表示含水率對柱塞運行吋間的影響很小，隨著含水率的上升， 每一循環(huán)的所需時間略有增加。圖220則表明含水率對每一循環(huán)的注入氣 量的影響亦不大。圖2-20.含水率對注入氣暈的影響/循環(huán)）含水率（%）2. 3柱塞氣舉優(yōu)化設計 2. 31參數(shù)設計及方程所謂組合式柱塞氣舉優(yōu)化設計，就是研究在現(xiàn)有注氣能力下，使注氣量 最少，且滿足產(chǎn)量及產(chǎn)氣量要求的設計。在對國外柱塞氣舉設計理論理解 的基礎上，經(jīng)推演產(chǎn)生柱塞氣舉參數(shù)設計方程如下：2英寸油管qic=(j.pr-j.(l+clt).(0.99pwhx 106+148.7lt+430700)-ql/864

36、00)/aa=j.(1 +clt)(2577lt+3198000) (2-12)glr=(0.0001 lt/qq. (0.003018lt+1.043 x 10'5.pwh+26)+117.6(2-13)pcomax=pwhx 106+3.376x 106.qlc+187.5.lt+2577qlc.lt+464800(2-14)pcomin=pcomax-(354500.qlc+77.61.lt+0.02.pwh x 106+68270)(2-15)2.5英寸油管qlc=(j.pr-j.(l+clt).(0.975pwh x 106+25.35lt+781000)-ql/86400)

37、/aa=j.(1 +clt)(l582lt+67100) (2-16)glr=(0.0001 lt/qic).(0.01457lt+0994.pwh+23.6)+71.39(2-17)pcomax=pwhx 106+0.1494x 106.q1c+130.7.lt+1582qlc.lt+630300(2-18)pcomin=pcomax-(l 64700.qlc+210.71.lt+0.005 l.pwh x 106+301400)(2-19)參數(shù)解釋：qic：周期產(chǎn)液量m?/cj：采液指數(shù)m3/s.papr：地層靜壓mpalt：柱塞下入深度mpwh：井口油壓mpaq1： 日產(chǎn)液量m3/dpc

38、omax：最大所需井口套壓mpapcomin：最小所需井口套壓mpagir：所需注入氣液比m/n?2. 3. 2參數(shù)設計步驟1）、獲取現(xiàn)場所能提供的注氣量及注氣壓力，以及配產(chǎn)量、地層氣液比2）、求注入氣液比gir=qg/ql3）、求柱塞總氣液比，gtr二gfr+gir gtr二gfr+gir由方程2-13或2j7求出周期產(chǎn)液量qic4）、求柱塞運動周期數(shù)n=qg/qg5）、求周期注氣量qgc=qg/n6）、根據(jù)方程2-14或218求所需最大井口注氣壓力7）、求氣舉閥深度分布及調試壓力8）、調整參數(shù)，下井作業(yè)、生產(chǎn)1. 34典型井設計輸入的數(shù)據(jù)套管外徑：5.5in 地層壓力：12 mpa 含水：

39、 20% 氣比重：0.7 產(chǎn)量:15m3/d油管內徑:2.5in 井口油壓：impa 油比重：0.8 水比重：1地層氣液比80m3/m3表1周期產(chǎn)量(m3/c)周期注氣量 (m3/c)周期數(shù)所需注氣壓力 (mpa)0.54180274.30壓井液梯度:1.04/100m ； 井底溫度：90°c閥型：套壓波紋管閥;柱塞下入深度：2600m設計結果如表1 表2井口溫度：25 °c油層深度：3000m氣舉閥孔:3/16in表2 :氣舉閥分布及調試參數(shù)閥序閥深m調試壓力psi17301270213601225319501190425101160526004503常規(guī)式柱塞氣舉動態(tài)模

40、擬及優(yōu)化設計3. 1氣舉柱塞運動微分方程的建立本節(jié)擬分析的柱塞氣舉裝置的示意圖如圖10所示。在柱塞向上運動時, 以柱塞和柱塞上面的液體段塞為研究對象，根據(jù)在垂直方向上的受力模型, 得出柱塞在油管任一位置時的速度和加速度，從而可以確定出柱塞上行程 的總時間。柱塞向上運動時，作用在柱塞和液體段塞上的受力如圖10所示。應用 牛頓第二定律可得：/叱 + w（幾_卩）加一叫一叫一巧好="i（31）g式中，幾柱塞下部壓力；等于柱塞所在深度處的套壓值減去柱塞以下 的油管長度內氣流摩擦損失。為液柱上部壓力，等于井口流壓加液柱上部至井口的氣柱所造成的壓 力和該段氣體在上升過程中與油管的摩擦力。f1和f

41、p分別為液柱和柱塞與油管內壁之間的摩擦力。wl為液柱的重力wp柱塞的重力。a液柱和柱塞的加速度。圖31柱塞受力示意圖（上行）將方程中的各項分別寫出，通過簡化可以得出:b-cv2=a（3-2）其中:卩01877心加lz(eg(j+46o).-卩訣0.01877.r_/h 1 a 人“ h+460)加2九(厶 一 hi + hs'pg.at + fi.hsjr.p0 一 2fg.pg(hi 一 hs)8 (w; + wp d把油管平均分為若干段，每段長度為dh,假定該段內氣體的溫度、壓 力、密度、壓縮因子都為定值(本設計中取為平均值)，假定計算段內柱塞 和液體段塞所受的力為定值，故在該計算

42、段內柱塞和液體段塞做勻加速運 動。取計算段內柱塞的速度為平均值：dh(3-3)(3-4)便可求出每段內所需v - 一t對方程(3-6)解關于t的方程可得：#_ 匕 + vv(/ _ 4b(cd/d/z)t 2b取柱塞的起始速度等于零為邊界條件，逐段計算， 要的時間，通過迭加，便可確定出柱塞上行程的總時間。柱塞下行時，假定柱塞屮心線與油管屮心線重合，根據(jù)流過油管和柱 塞之間的間隙的液體流量等于單位時間內柱塞抽排岀的液體體積，由斯托 克斯公式可得柱塞在油屮的下落速度：v =凡ing - (3-5)2“ r2)府+用丿柱塞在氣體屮下落時，下落速度借鑒fosst和gaul從現(xiàn)場得出的數(shù)據(jù), 取為102

43、m/s。需氣量的計算方法：柱塞氣舉時所需要的氣量，等于當柱塞一液段的上頂面剛上升到井口時, 在井口回壓和柱塞液段重力作用下，積聚在油管內的氣體體積。在油井工作時，有部分氣通過柱塞與油管內壁間隙逸出。因此，在實際計算時，通 常取比計算需氣量人15%的安全系數(shù)。我們，采用fosst-gaul公式來確 定每一循環(huán)周期所需的氣量：c max.at.htsf +1（3-6）3. 2常規(guī)式柱塞氣舉參數(shù)優(yōu)化設計2. 2. 1參數(shù)設計及方程常規(guī)式柱塞氣舉就是油井自身產(chǎn)氣足可以推動柱塞運動的柱塞舉升方 式。所謂優(yōu)化就是研究油井在現(xiàn)有產(chǎn)氣及產(chǎn)液能力下，使油井滿足正常生 產(chǎn)需要而進行的參數(shù)設計，設計方程與組合式相同

44、。3. 2. 2參數(shù)設計步驟1）、提出配產(chǎn)量及配產(chǎn)氣量2）、求產(chǎn)出氣液比gir=qg/ql3）求周期產(chǎn)液冬4）、求柱塞運動周期數(shù)n=qg/qic5）、求周期注氣量qgc=qg/n6）、根據(jù)方程或求所需最大井口注氣壓力pcomax7）、求氣舉閥深度分布及調試壓力8）、調整參數(shù)，下井作業(yè)、生產(chǎn)323參數(shù)關系分析通過參數(shù)分析其口的在于了解柱塞運動的制約因素，從而更好地管理好常規(guī)柱塞氣舉的生產(chǎn)。苴參數(shù)關系如表33表3-10所示:表33基礎參數(shù)油管尺寸：2.5英寸；產(chǎn)量:15m3/d ；產(chǎn)氣量：5000m3/d含水：20%；地層靜壓:12mpa ；采液指數(shù):lm3/d.mpa ；井口油壓:impa柱塞下

45、入深度(m)周期產(chǎn)液(m3/c)周期產(chǎn)氣(m3/c)周期數(shù)井口所需套壓 (mpa)18000.41136363020000.47159313.5022000.55183274.0024000.62209234.4226000.70236215.0028000.79264185.632900* (不能舉升)*3000*表3-4基礎參數(shù)油管尺寸:2.5英寸；產(chǎn)量:15m3/d ；產(chǎn) 氣量：8000m3/d 含水：20%；地層靜壓：l2mpa ；采液指數(shù):lm3/d.mpa ；井口油壓:impa柱塞下入深 度(m)周期產(chǎn)液(m3/c)周期產(chǎn)氣 (m3/c)周期數(shù)井1 1所需套壓(mpa)18000.

46、23124642.5620000.27144552.8022000.31166483.0524000.35189423.3426000.40214373.7028000.45240334.0529000.47253314.3030000.50267294.5034000.61326245.5036000.67357226.0040000.79424187.304200*表35基礎參數(shù)油管尺寸:2.5英寸; 產(chǎn) 量:10m3/d ； 產(chǎn)氣量:5()()()m3/d；含 水：20%； 地層靜壓:12mpa ；采液指數(shù):lm3/d.mpa ；井口油壓:impa柱塞下入深 度(m)周期產(chǎn)液(m3/c)

47、周期產(chǎn)氣(m3/c)周期數(shù)井口所需套壓 (mpa)18000.25125392.6120000.29146342.8622000.33168293324000.36191263.4526000.43216233.8128000.48242204.2130000.54270184.6632000.59299165634000.65329155.7036000.72361136.3238000.78394127.004000*4200*表3-6基礎參數(shù)油管尺寸：2.0英寸； 產(chǎn) 量:10m3/d ；產(chǎn)氣量：5000m3/d含 水：20%；地層靜壓:12mpa ；采液指數(shù):lm3/d.mpa ；井口油壓：impa柱塞下入深 度(m)周期產(chǎn)液 (m3/c)周期產(chǎn)氣 (m3/c)周期數(shù)井口所需套壓 (mpa)18000.1998503.3720000.22116453.73220