劉書權(quán) 張小麗

（1.中國石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南 濮陽 457001；2.中國石化中原油田分公司濮東采油廠，河南 濮陽 457001）

0 引言

氣田開發(fā)一般采用衰竭式開發(fā)方式，但隨著開發(fā)時間的延長，必將引起地層壓力的降低和邊水、底水的入侵［1-4］。隨著累計采氣量的增加，液體逐漸進(jìn)入到井筒，氣井開始帶液生產(chǎn)。當(dāng)氣井產(chǎn)量小于臨界攜液產(chǎn)氣量時［5-6］，氣井就會積液直至停產(chǎn)。而氣田最經(jīng)濟(jì)的開發(fā)方式就是利用氣井自身的能量實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。氣體驅(qū)動泵不需要外部動力，直接利用井底氣體的壓力驅(qū)動多級活塞將液體排出并舉升到地面。筆者就這一技術(shù)的機(jī)理及應(yīng)用性作探討分析。

1 氣體驅(qū)動泵排液采氣機(jī)理

1.1 氣體驅(qū)動泵組成

泵從上到下依次由皮碗式封隔器、排氣閥、轉(zhuǎn)換閥（T、M、B三級）、控制閥、氣驅(qū)活塞與氣缸（四級）、套管水泵活塞與氣缸、主水泵排出總管、主水泵活塞與氣缸、主水泵吸入口等組成。封隔器總長609.6 mm，泵總體長2 232.15 mm，泵直徑為82.81 mm。

1.2 驅(qū)動原理

地層高壓氣體進(jìn)入氣缸，推動氣體活塞并帶動液體活塞。氣體活塞面積比液體活塞面積大，泵的機(jī)械性能提升，使得進(jìn)入的高壓氣體壓力被成倍放大，從而產(chǎn)生非常高的流體排出壓力。設(shè)進(jìn)入氣缸的氣體產(chǎn)生的推力為:

作用在氣體活塞上的推力通過活塞桿傳遞到面積較小的液體活塞上，那么在液體活塞端產(chǎn)生的壓力為:

式中，pg為進(jìn)入氣缸的氣體壓力，MPa；Sg為氣體活塞面積，m2；Fg為氣體產(chǎn)生的推力，N；Sw為液體活塞面積，m2；pw為液體活塞端產(chǎn)生的壓力，MPa。可以看出，液體活塞產(chǎn)生的壓力大小等于地層壓力與氣液活塞面積比的乘積。通常設(shè)計氣液活塞截面積之比為3:1，意味著一級活塞即能把氣體壓力增大至3倍，若有n級活塞則將氣體壓力增大至3n倍。

1.3 氣液在泵內(nèi)的運(yùn)行方式

氣體驅(qū)動泵管柱下入井筒座封后，進(jìn)氣孔位于封隔器的下部，排氣孔位于封隔器的上部。封隔器下方的高壓地層氣進(jìn)入泵體，驅(qū)動氣體活塞，作用后的氣體從封隔器上方排出，通過油套環(huán)空到達(dá)地面。泵的下部內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。下沖程為：封隔器下部的高壓氣體由泵上部的進(jìn)氣孔進(jìn)入，經(jīng)氣體管道4依次進(jìn)入氣缸上腔和套管水泵上腔，推動活塞下移，井筒內(nèi)的低壓液體通過閥①進(jìn)入主水泵上腔。上沖程為：活塞運(yùn)行到氣缸底部后，缸內(nèi)高壓氣膨脹后變?yōu)榈蛪簹?，此時井底高壓氣通過管道5進(jìn)入氣缸下腔，推動活塞上移，并把上腔的低壓氣排出氣缸；主水泵吸入管2的閥②打開，下腔開始吸入井筒內(nèi)的低壓液體；與此同時，主水泵上腔閥③打開，由主水泵排出增壓后的液體。在活塞上移的過程中，閥⑥打開，套管水泵氣缸下腔吸入封隔器上部套管內(nèi)的積液；在下一次沖程開始后，套管水泵下腔的積液被增壓后排入井底，直至封隔器上部的積液被全部排出。

圖1 泵的下部內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 氣體驅(qū)動泵的參數(shù)計算

2.1 泵的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

泵的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一般為固定值，主要參數(shù)包括：氣缸活塞密封最大壓差為5.5 MPa，最大沖程為35次／min，機(jī)械效率為95%，通過氣體活塞或液體活塞的漏失率為5%，安全系數(shù)為1.1；氣體活塞直徑、液體活塞直徑、活塞桿直徑、行程長度均可以根據(jù)需要進(jìn)行修改。氣井?dāng)?shù)據(jù)包括下入泵深、流體物性、地層壓力、流動壓力、井口壓力及井溫等數(shù)據(jù)。

2.2 泵的理論力比和參數(shù)計算

泵的理論力比公式為：

液體活塞處壓力為：

封隔器上部環(huán)空壓力為：

式中，A為理論力比；Sgt為氣體活塞總面積，m2；Swt為液體活塞總面積，m2；p為液體活塞處壓力，MPa；h為泵深，m；γw為水的比重；fw為含水率，%；γo為油的比重；pb為液管線背壓，MPa；Δp為封隔器承受壓差，MPa；η為機(jī)械效率，%；pws為封隔器上部的環(huán)空壓力，MPa； pt為井口壓力，MPa；γg為氣體比重；T為泵深處的平均井溫，K；Z為井筒氣體平均壓縮因子；R為液體活塞沖次；Qw為氣井產(chǎn)液量，m3／d；Vw為液缸總?cè)莘e，m3；Qg為泵的最小氣體流量，m3／d；Vg為氣缸總?cè)莘e，m3；Bg為氣體體積系數(shù)。

根據(jù)上述公式繪制流入曲線，根據(jù)氣驅(qū)泵活塞處的流壓繪制流出曲線，交匯點(diǎn)即為氣井的最佳產(chǎn)量。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

文69-7井是1口位于文23氣田西塊的生產(chǎn)井，因為西塊水體較大，該井投產(chǎn)后即出現(xiàn)氣液同產(chǎn)的狀況，隨著邊水的推進(jìn)，氣井產(chǎn)水量逐漸增加，氣井逐漸喪失帶液能力，直至停產(chǎn)。停產(chǎn)后該井液面深度為1 900 m，壓力梯度為1.1。根據(jù)該井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計泵的參數(shù)，見表1。

某時段采取不壓井作業(yè)方式下入氣動泵+2寸尾管，Y221-114封隔器下深2 846.7 m，尾管下深2 917.8 m。氣體驅(qū)動泵下入后進(jìn)行過3次試驗。

第一次試運(yùn)行，作業(yè)后估算井筒液面為1 750 m，估算液柱高度為1 150 m，由于井筒液柱較高，不利于氣體的排出，通過氣舉壓縮機(jī)從油套環(huán)空注入高壓氣，將封隔器上部液體壓回地層。開井后認(rèn)為氣量太小，泵沒有成功啟動。

第二次試運(yùn)行，通過環(huán)空加壓，油管抽汲排液14.5 m3。因油管出氣，停止抽汲，環(huán)空壓力為7.5 MPa，測試環(huán)空液面2 550 m。封隔器上部仍有300 m液柱，證明抽汲過程中地層供液明顯；啟動泵試驗后發(fā)現(xiàn)，油管壓力下降，環(huán)空液面上升，判斷為存在油管漏失。泵仍沒有成功啟動。

第三次試運(yùn)行，起出原管柱，下入氣舉閥4級＋新泵1套＋1.6寸尾管，封隔器下深2 838.86 m，尾管下深2 930.72 m。對油管進(jìn)行分段試壓合格，后開展環(huán)空注氣降低環(huán)空液面、試生產(chǎn)、氣舉排液等試驗。氣舉時發(fā)現(xiàn)文69-7井出液速度較快超過4 m3／d，超過氣動泵的設(shè)計排液能力。停止氣舉后日產(chǎn)氣僅1 100 m3，數(shù)據(jù)見表2。認(rèn)為泵可以運(yùn)行，但沒有達(dá)到預(yù)期效果。

表1 氣動泵參數(shù)設(shè)計表

表2 氣舉數(shù)據(jù)表

通過上述試驗可知：氣體驅(qū)動泵沒有正常運(yùn)行的原因在于地層大量產(chǎn)水，而產(chǎn)氣量太小，不能滿足泵需求的最低氣量。長期水淹井或作業(yè)后壓死氣層的井，因為井底生產(chǎn)壓差為零，氣體在地層內(nèi)不流動，所以不能進(jìn)入泵內(nèi)，此類井不適合該工藝，因此選井應(yīng)優(yōu)先選擇地層產(chǎn)液量小或關(guān)井后液柱能被壓回地層的井。

4 結(jié)論

1）氣體驅(qū)動泵驅(qū)動原理簡單，設(shè)計計算真實可靠，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰簡潔，是一種新型實用的排液采氣技術(shù)。

2）氣體驅(qū)動泵完井管柱最好設(shè)計帶氣舉凡爾，可以快速排出油管內(nèi)積液，為啟動泵正常運(yùn)行創(chuàng)造條件。

3）氣體驅(qū)動泵正常啟動需要有連續(xù)供給的氣量，對沒有流動性或產(chǎn)量達(dá)不到啟動氣量的氣井并不適用。

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