0 引言

丘东气田于1998年投入开发，是吐哈油田天然气主力开发气田。该气田属凝析气藏，采用弹性驱衰竭式开发，开采程度大，产能下降快，地层压力系数由原始的1.00~1.30降至0.15~0.38，80%的自喷井产气量低于临界携液流量，已经形成积液或逐渐停喷，气田整体进入开发后期排水采气阶段^[1]。

丘东气田主体排采工艺为机抽，在转抽过程中存在以下问题：①作业污染严重。丘东气田属低压气藏，压井液极易进入储层，对储层造成污染，影响转抽效果。②转抽成本高。转抽设备费约70万元，作业费7万元/井次，每口井每年运行费用约19万元。③增产效果不明显。对15口新转井进行效果统计，转抽有效率87%，平均单井日增产19.89%。为此，中国石油吐哈油田工程技术研究院在丘东气田开展了柱塞气举排水采气技术研究，该技术的应用大幅度提高了排水采气效果。

1 柱塞排水采气原理及实施原则 1.1 原理

柱塞排水采气技术是气举采油系列技术之一。其原理是气井利用油、套环空储集的气体推动油管内柱塞向上运动，柱塞在被举升液体和气体之间起分隔作用，有效阻止气体上窜和液体回落，从而提高举升效率，有效排除井底积液^[2-4]。工作过程包括关井恢压和开井排液2个阶段。

关井恢压过程是气井能量恢复过程，地层中产出的气体聚集在油套环空中，液体进入油管。随着产出液的聚集，环空中的天然气越来越多，套压持续上升，为推动柱塞及液柱提供举升压力^[5-6]。

开井排液过程。当套压达到一定值时，油套环空储集的气体便经过管脚进入油管，推动油管内柱塞及其柱塞上部液段至井口，并将液段排出井筒。

排液结束后，系统进入关井恢压阶段，柱塞在自重作用下下落，进入下一个工作循环。

1.2 实施原则

丘东气田在开发后期遵循2大开发原则：①充分利用气井自身能量，不借助外来气源进行排水采气，达到降本增效目的；②不进行修井作业，避免作业液进入储层对其造成伤害，提高采气效果。

遵循开发原则，建立柱塞启动计算模型，通过该模型界定的气井无需借助外来气源即可实现柱塞生产的启动；同时提出不动管柱进行井下设备安装思路，配套钢丝作业完成井下设备安装，有效避免储层污染，提高作业效率。

2 柱塞启动模型建立 2.1 Foss和Gaul模型

目前，国内外采用Foss和Gaul模型计算的柱塞举升最低气液比来界定柱塞举升可行性^[7-8]。按照Foss和Gaul模型计算丘东气田柱塞气举的最低气液比，结果如图 1所示。

从图 1的计算结果可知，在丘东气田平均井深2 100 m的条件下，柱塞气举适应的最低气液比为550 m³/m³，而丘东气田在井筒积液严重时，气液比一般小于500 m³/m³。因此Foss和Gaul模型不适合丘东气田。由于Foss和Gaul模型是以Vanttlre油田油井参数为基础推导出的经验模型，不具备普遍性，尤其对于低压井，很可能出现柱塞无法启动的现象，造成转柱塞生产失败，有必要针对低压井开展柱塞启动模型研究。

2.2 柱塞启动模型建立

当井口回压一定时，气井关井状态下套压及液量的恢复情况是应用柱塞进行排水采气的首要条件，也是柱塞启动模型建立的关键因素。这是因为在柱塞上行过程中，作用于柱塞下部的气体压力是克服柱塞上部气体压力推动柱塞及液段上行的动力。柱塞下部气体压力是气井在关井状态下，储层产出气体进入油、套储集，升压后形成的举升动力，动力大小取决于气井在关井状态下气量恢复情况，其表观参数为套压；柱塞上部气体压力取决于井口回压大小；液段长短取决于关井液量的恢复。

2.2.1 关井套压恢复及最大液量预测模型建立

以气井产能分析为基础，建立关井状态下气井套压恢复预测模型及关井液量预测模型。在关井状态，液体全部进入油管，管脚以上的油套环空内为气体，则有：

(1)

推导得：

(2)

(3)

(4)

式中：p_cg为关井套压恢复值，MPa；F为油管管脚处的气柱压力系数；ρ为液体密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；h′为管脚到油层中深距离，m；p_wf为井底流压，MPa；p_cg′为初始套压恢复值，MPa；V_c为油套环空体积，m³；V_t为油管体积，m³；Q_l为恢复的液量，m³；G_LR为生产气液比，m³/m³；A_t为油管截面积，m²；h_l为液柱高度，m。

由以上参数可计算出最大关井套压p_cg，利用建立的模型预测关井状态下套压及液量，结果如图 2所示。

从图 2可知，气液比对关井液量恢复影响很大，气液比越大，液量恢复越少。地层压力与关井最大套压呈线性关系，地层压力越大，套压越大。

2.2.2 柱塞举升特性计算方法

考虑柱塞重力、运行摩擦阻力和井口回压等因素，应用柱塞力学分析模型，依据质量守恒及能量守恒定理，建立柱塞启动最低套压计算模型及柱塞启动最低气液比计算模型，形成柱塞举升特性计算方法，其核心是确定柱塞举升特性参数。

柱塞举升特性参数是衡量柱塞举升能力的参数，指在单循环运行过程中柱塞举升(单循环)液量所需要的条件，其基本研究思路如图 3所示。

单循环举升液量：

(5)

最小井口套压模型：

(6)

最大井口套压模型：

(7)

平均井口套压模型：

(8)

柱塞举升所需单循环气量：

(9)

柱塞举升气液比：

(10)

式中：p_cmin为最小井口套压，柱塞到达井口时的套压，MPa；p_p为举升柱塞本身所需压力(p_p=柱塞重力/柱塞截面积，推荐柱塞质量5 kg)，MPa；p_LH为举升液体所需压力，MPa/m³；p_LF为举升液体产生的摩阻，MPa/m³；q_L为单循环举升液量，m³；p_tmin为柱塞到达井口后的油压，MPa；p_a为当地大气压力，MPa；K为与油管尺寸有关的常数；p_cmax为最大井口套压(通常取油井开井时的套压)，MPa；A_a为环空面积, m²；p_cavg为平均井口套压，MPa；Q_cyc为单循环气量，m³；H为举升高度，即卡定器位置深度，m；C为油管系数，取值如表 1所示。

根据柱塞举升特性参数计算公式，可以计算出柱塞多个参数之间的关系。依据上述模型，预测丘东气田的柱塞单循环举升特性参数，计算结果如图 4所示。据此可以确定柱塞举升气液比及套压是柱塞运行的关键因素。举升气液比随着举升单循环液量的增加而减小；举升套压随着举升单循环液量的增加而增加。

将气井产能恢复与柱塞举升特性归一化，形成与地层压力、举升高度及流体性质等参数相关的柱塞启动模型。利用该模型可有效界定丘东气田柱塞举升适用范围，如图 5所示。

当地层压力系数较高时，柱塞启动模型计算结果与Foss和Gaul模型计算结果较接近，而当地层压力系数较低时，用柱塞启动模型计算气液比迅速增大，与Foss和Gaul模型计算结果差异大。由现场试验可知，柱塞启动模型更适用于低压储层，在丘东区块完全可以替代Foss和Gaul模型进行柱塞适用范围界定。

该模型最大优点是：界定的气井能充分利用地层能量，不需额外动力即可实现关井状态转柱塞生产的自行启动，成本低且现场实施成功率高。

3 地面流程及井下管柱设计 3.1 地面标准化流程设计

为充分发挥气井产能，与常规气举相比，地面流程设计时应突出2大优点：①避免地面节流；②建立独立出气、出液通道，避免井口节流。基于此，设计了单控制双出液通道的标准化地面流程，如图 6所示。该流程具有以下特点：

(1) 井口配套时间控制器来接收和处理柱塞到达地面的信号，控制柱塞气举生产通道开关。

(2) 井口设计为双出油通道，为气井提供了独立的出气、出液通道，解决了常规气举单出液通道生产过程中柱塞悬浮于通道处产生节流的问题，实现了全流程畅通，充分发挥了气井产能。

(3) 旁通生产流程设计，实现了自喷生产流程和柱塞生产流程的自由切换。解决了常规柱塞井在设备检修过程中需要关闭生产流程从而影响气井生产的问题。旁通生产流程设计避免检修关井，提高了气井的开井时率和生产时效。

(4) 取气通道设计，由环空取气，确保了气源稳定，含水率低，降低了冻堵概率。

地面流程的标准化使流程改造进一步规范化，降低了地面流程改造作业难度，节约了作业时间，为柱塞气举排水采气技术的推广和规模化应用提供了技术保障。

3.2 完井管柱设计及配套工具研制

管柱设计遵循4大原则：①井下管柱结构简单，全井无变径；②井底干净、不出砂；③产液量低于41 m³/d；④不动管柱进行井下设备安装。因此，完井管柱采用原井管柱，通过钢丝作业按照设计深度将油管卡定器、柱塞缓冲器和柱塞自下而上依次投入井内，钢丝作业完成后，即可投产。该方法的特点是无需动管柱，节省作业时间，可有效避免储层污染^[9-10]。图 7为柱塞气举排水采气完井管柱示意图，其技术指标见表 2。

管柱配套工具包括柱塞、下缓冲器和油管卡定器3种。其中，柱塞是柱塞排水采气系统中唯一的运动部件，它在油管内往复运动，其作用是在举升过程中对液体和气体进行分隔，形成气液分界面，降低在举升过程中的滑脱损失；油管卡定器及下缓冲器在井下组合并坐于油管设定位置，实现了柱塞的下行安全限位，延长了工具的使用寿命。

3.3 钢丝作业进行井下设备安装

为实现不动管柱安装井下设备，配套设计了同心钢丝作业工具串，如图 8所示。它可通过钢丝作业完成井下设备安装，作业时间短，作业风险低，现场实施成功率达95%以上。

4 现场应用

红台2-50C是红台区块的一口气井，人工井底2 499.7 m，最大井斜38.19°。该井转柱塞气举前产气量降至6 000 m³/d，地层压力系数降至0.18，气井积液程度逐渐加重。表 3为红台2-50C井的基本情况。

为排除井底积液，恢复气井产能，开展了转柱塞生产，转柱塞后该井增产3 000 m³/d，增产率50%，如图 9所示。

目前在丘东气田累计开展21口井柱塞排水采气现场试验。最大应用井斜38.19°，最大应用井深3 380 m，单井平均增产气量约3 738 m³/d，平均增产率62.00%，远远高于有杆泵增产的19.89%。

5 结论

(1) 丘东气田采用柱塞排水采气技术，其单井增产率由有杆泵的19.89%增至62.00%，有效率由87%增至100%。

(2) 配套钢丝作业，实现了不动管柱井下工具安装，解决了由于修井作业造成的储层污染问题。

(3) 该技术对低压凝析气藏适应性好，为低压凝析气藏的开发开辟了一条可借鉴之路。