气井柱塞举液机理CFD模拟及工艺参数优化

目前关于柱塞举液机理的认识不够清晰,这对柱塞高效举液工艺参数及工具结构的进一步优化造成不利影响。为此,采用VOF (Volume of Fluid)流体模拟方法对柱塞举液上行过程中的气液两相流场进行CFD模拟,对柱塞气液流动过程及密封原理进行探讨和分析,并对不同柱塞上行速度及不同紊流槽尺寸下的流场分布进行模拟对比,确定柱塞运行的最佳条件。研究结果表明:柱塞上行过程紊流槽中液体与气流间的相互作用阻碍了气体向柱塞上端的窜流及液体向下的泄漏;气流进入每级紊流槽形成漩涡,使部分动能转化为内能耗散达到密封效果;柱塞上行速度较低时,流场中无漏液,窜气量随上行速度增加而减小;上行速度较高时,紊流槽中全为液相,漏液量随上行速度增大而增加;模拟范围内密封最佳的柱塞运行速度为4. 0~4. 5 m/s;当紊流槽宽度与深度相等时其密封作用最差,当紊流槽宽度为深度的2倍时,液体与气流间的相互作用最强烈,密封效果最佳。研究结果可为柱塞气举工艺制度及参数的优化提供指导。     

基于Fluent软件的新型柱塞气举流场的数值模拟

新型柱塞在结构上较常规柱塞有了较大改进,使柱塞在下落时所受到的阻力更小,下落速度更快;但由于柱塞与油管之间存在间隙,举升时仍有部分液体回落及气体窜流。针对这种情况,运用Fluent软件对油管内部柱塞周围流场进行了数值模拟计算,得到了柱塞周围流场的压力及速度分布,并对不同外壁结构的柱塞举升流场进行了计算,对其气窜速度进行了对比分析,对开槽柱塞在不同压差条件下的速度进行了模拟计算,为以后计算柱塞气窜量、液体漏失量及优化柱塞结构提供了理论依据。     

大斜度井连续油管内柱塞气举实验及动力学模型分析

连续油管工艺已广泛应用于大斜度气井生产。利用其优势，本文提出了一项新的连续油管柱塞气举复合工艺。与常规油管相比，连续油管内壁存在焊缝且由于大斜度造成其曲率连续变化，导致柱塞在连续油管内进行举升时偏离轴线，致使常规油管柱塞运动模型不能准确描述柱塞在大斜度井连续油管内运动特性。为了准确描述柱塞在连续油管中的运动特征以提高排水采气效率，设计并建立了大斜度井连续油管柱塞气举实验装置，开展了柱塞通过性实验和柱塞运动特性实验，对弹块柱塞上下行程的位移、速度进行了监测和分析。结合连续油管柱塞运动测试结果，引入轴线偏移量修正流体运动摩阻，建立了考虑柱塞偏心的连续油管柱塞举升动力学模型。计算结果表明，周期循环内，连续油管内柱塞运动实际速度值与预测速度值误差小于10%,该模型能够较好反映柱塞气举时的运动特性，为大斜度连续油管柱塞气举的优化及排水采气效率的提升提供了依据。     

排液采气技术在白庙气藏的应用研究

白庙气藏属于低渗、致密、深层凝析气藏。由于气藏断块小，单井可控制储量少，气井产量低，靠自身能量很难将井筒积液携带出来，必须采取适合的排液采气技术排出井筒积液，以提高气井天然气产量，延长自喷稳产期。文章重点介绍了应用于白庙气藏的主要排液采气技术及其应用效果。小油管排液采气技术主要应用于产气量较低气井的排液；柱塞气举排液采气技术、橇装气举排液采气技术都是间歇气举排液采气技术，前者主要应用于具有一定能量、产气量较低、靠自身能量排液效率较低的气井，后者主要应用于能量、产气量都比较低的气井。最后对排液采气技术的应用情况进行了总结。     

新型柱塞组件的开发与应用

针对常规柱塞在采油及排液采气过程中因下落时间长,需长时间关井而影响举升效率的问题,从影响柱塞下落速度、举升时柱塞与举升管柱之间以及柱塞组件各元器件之间的密封程度、材质的使用寿命及打捞方便程度等因素考虑设计了新型柱塞组件.主要介绍了该新型柱塞在气井排水采气过程中的原理与作用,对新型柱塞组件的结构及关键技术点作了阐述；该柱塞组件在大牛地气田进行了现场试验,结果表明：运用该柱塞组件工艺后排液量与产气量比原来分别增加了58.7％及16.3％,提高了气井排液采气生产效率,取得了良好的经济效益及社会效益.     

活塞式抽油泵的初步设计

鉴于柱塞式抽油泵在使用过程中常常发生因柱塞、阀等严重磨损造成的漏失问题,以及由于油层出砂引起泵体严重损坏和卡泵等事故。在汽车气缸活塞密封结构的启发下,初步设计出靠活塞环组密封的新型活塞式抽油泵。这种泵由泵筒和活塞两部分构成,但所需配套泵筒的长度可大大缩短。活塞外表面开有活塞槽,槽内配合有弹性钢质、截面呈直角三角形的内外活塞环组。外活塞环的上端面上有４个凸起块,并采用特殊的开口结构,可在保证密封性的同时自由调节其外径。两活塞环在下冲程时提供进液通道,上冲程时起密封作用。它与传统抽油泵相比,进泵流体流动阻力小,效率高,特别适用于稠油的举升。     

产水井柱塞气举生产制度优化

柱塞气举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,从而提高举升效率的技术。生产制度合理性直接决定气井柱塞气举排液效果,现场常用制度优化法、时间优化法、压力优化法等方法优化生产制度。其中制度优化法存在耗费时间长、无法达到最优化问题;时间优化法、压力优化法均需结合地面集输工艺,在综合分析计算套管压力、积液高度、关井时间及柱塞上行速度等参数基础上,通过现场运行情况进行微调,存在计算过程复杂、误差大及优化效率低等缺点。通过合理划分柱塞运行阶段,分析优化阶段运行参数,总结提炼出了优化柱塞气举生产制度各阶段载荷因数计算,现场应用取得较好的效果。     

移动式气举技术在哈得油田酸化排液中的应用

在低压、超深油井里，酸化后残酸快速返排对于降低二次污染和增加酸化效果具有重要作用，抽吸排液法、连续油管注氮气排液法、水力喷射泵注液降压排液法在排液速度和经济成本等方面存在不同的缺陷。应用成熟的气举采油井下配套技术，结合可以移动的地面制氮注入设备，形成了一套全新的移动式气举酸化排液技术，从而发展了塔里木油田的气举采油技术，并在塔里木哈得油田试验和推广应用中见到了较好的经济效益。     

柱塞举升优化设计及敏感性分析

基于系统节点分析，建立了柱塞举升优化设计方法。利用该方法分析了柱塞举升主要生产指标（套压、产液量、日循环次数）以及柱塞运动状态的影响因素：生产气液比对柱塞上行运动速度和地面初始套压的影响，举升深度对地面初始套压及柱塞到达井口速度的影响，周期举液量对地面初始套压的影响，分离器压力对地面初始套压的影响以及油管尺寸对地面初始套压的影响。分析了地面初始套压与日循环次数的关系，每循环所需气量与日循环次数的关系以及日产量与日循环次数的关系；确立了柱塞举升优化设计的主要影响因素，为提高柱塞举升工艺设计的准确性和可靠性，提供了分析手段和参考依据。     

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文章将油管和环空视为“Ｕ”型管，根据下油管过程中和接单根时管内外流体的流动规律，应用流体力学基本理论，对完井下油管过程中管内喷完井液的原因进行了理论分析，推导了管内外液面高度差的计算公式。并结合两相流动理论，分析了管内外天然气的滑脱速度差异、流型转变差异。认为完井下油管过程中管内喷完并液的主要原因是：①下油管时管内外形成的液面差加速了天然气溢流进入管内；②管内天然气溢流膨胀比在环空快；③管内天然气滑脱上升比环空易形成气柱。同时，文中还介绍了气侵的原因及方式，并提出了预防和处理管内喷完井液的一些建设性措施。     

超声旋流气动雾化排液采气技术

目前已经成熟的排液采气工艺有优化管柱、橇装气举、柱塞气举、泡排、机抽、电潜泵等,但这些工艺都有一定的局限性。鉴于此,开发了超声旋流气动雾化排液采气技术。该技术通过机械、气动和超声波的多重作用使液体形成微细雾滴,使雾化气体被井内产出气体携带到地面。该技术具有不压井不动油管作业、排液深度可调、不受积液介质的影响、经济实用、安装管理方便等优点。中原油田凝析气田5口井的现场试验表明,下入超声旋流气动雾化装置后,日产液量增加,气液比下降,排液效率提高,收到了预期的排液效果。     

PCS智能柱塞举升技术在户部寨气田的研究及应用

户部寨气田部分区块气井在投产初期就表现出高压低渗、低产出水的特征，已难以维持正常连续带液生产，经常积液停产。针对这些气井生产特征，在复线气举(套压太高)无法实施的情况下，先后开展了小油管、泡沫排液采气等工艺技术，但均未能奏效。在深入调查研究的基础上，开展了将油井上应用较为成熟的PCS智能柱塞举升技术引入这些气井上的试验。通过认真分析这些气井的静动态资料，并结合气井实际井筒工况，制定了合理的实施方案和施工参数，并调试运行成功。应用该技术后，在并无任何外来动力举升的情况下，实现了间歇带液生产的目的，解决了这些气井长期带液能力不足的难题，提高了该区块乃至整个气田的储量动用程度，为其它类似气井的开采提供了有益的借鉴。     

防砂深井泵在机抽排水采气工艺中的研究与运用

从机抽排水采气工艺的应用现状出发，针对该工艺中存在的由于气液比大、井液含砂、油管内壁腐蚀等因素易造成卡泵、检泵周期短等具体问题，通过对泵筒结构、柱塞、凡尔罩和插管密封延长沉砂管柱的设计、改进，有效地解决了砂卡、砂埋柱塞的问题。现场应用证明，防砂深井泵防砂效果好，延长了检泵周期，经济效益显著。     

致密气井连续管完井一体化技术

长庆油田致密气为低渗高含水气藏，此前采用Φ60.3 mm常规油管接单根带压完井，施工复杂、效率低，加之油管管径较大，携液能力有限，只能满足投产初期生产的需求，在中后期生产时，当井内气体速度低于油管临界携液流速时井底开始积液，虽然可以采用较为成熟的泡沫排水、速度管柱、柱塞气举等排水采气工艺，但存在作用时间有限、需要分段实施等问题，效果差、成本高。选用Φ50.8 mm连续管作为致密气井生产管柱，创新研发了一体化节流堵塞器，具有封堵、节流、承接柱塞等多种功能，同时，设计了井口直座式悬挂器和双卡瓦重载连接器、转换接头，实现了Φ50.8 mm连续管直接连接和悬挂密封，在国内率先形成Φ50.8 mm连续管完井一体化技术，实现了气井高压期节流降压、低压期连续排液生产和间歇期柱塞气举的全生命周期生产。大量气井应用表明，与Φ60.3 mm油管带压完井作业相比较，Φ50.8 mm连续管完井一体化作业周期缩短50%以上，气井自然连续生产期延长1.5年。     

海上“三低”油气田多功能气举测试新工艺

针对现有测试工艺不能满足海上"三低"油气田快速、高效、经济的测试要求,提出了通过钻杆-油管小环空注气进行气举的多功能气举测试新工艺,并相应优化了气举阀、气举工作筒结构,设计了油管插入密封装置和钻杆升沉补偿装置。现场应用效果表明:所提出的多功能气举测试新工艺具有快速诱喷排液(返排残酸、压裂液)、变深度测试求产、下钢丝绳作业取样等多种功能,成功解决了常规测试技术在处理海上"三低"油气田时遇到的困难,加快了测试速度,节约了作业成本,为海上"三低"油气田的地层测试提供了有效的技术支持。     

页岩气排水采气技术研究及应用

页岩气井长期经济有效的生产是页岩气开发的基本要求。页岩气井积液严重影响采气生产,需要长期实施排水采气工艺。通过定制实验及现场测试发现：页岩气井后期带液生产,水平段以层流为主,斜井段为段塞流,是井筒积液开始发生的位置,斜井段积液后,液体回流导致水平段液量聚集;关井油管内的积液退回到储集能力强的长水平段,井筒液面低;油管下入水平段将限制气井产能;斜井段偏心漏失导致柱塞气举效率降低。根据页岩气井长期低压小产特征及井筒气液流动特点,提出了充分利用页岩气井能量、实现经济高效排水采气的开采对策。选定优选管柱、泡沫、柱塞作为页岩气井排水采气3项主体工艺,优化各项主体工艺的技术方案和做法,实现通过工艺辅助页岩气井自喷排水采气。页岩气排水采气技术在川南地区长宁区块推广实施后,气举助排及复产工作量降低,水淹井次减少,有效维护了老井产能。     

液压反馈自封高效节能柱塞泵的研究与应用

针对目前采用的柱塞泵摩阻大、漏失大、寿命短等问题，提出了一种新型液压反馈高效节能自封柱塞泵（HSP）。该泵的柱塞芯由中部开有若干个径向槽孔的金属管制成，柱塞上装有一个弹性伸缩套，套在中心筛管柱塞芯上，在弹性伸缩套外面套有若干个耐磨的密封环。上行程时柱塞内部的流体压力作用到胶套内表面上使之向外膨胀，使密封环始终压在泵筒内壁上，形成良好的密封；下行程时弹性伸缩套恢复原状，柱塞和泵筒之间产生间隙。通过有限元力学分析，证明该泵克服了常规柱塞泵摩阻大、效率低、寿命短等不足。室内试验表明该泵实现了下行“无”摩阻，上行自封“无”漏失，专用耐磨环实现了长寿命的目的。现场试验表明，在供液条件充足的情况下，该泵泵效达到60%~80%，可高效节能连续工作2 年以上。     

KX341-115型扩张式安全防漏洗井器的研制

常规洗井器在下井时因其密封件与套管内壁摩擦而磨损失效，易造成洗井液漏失，污染地层。由于没有安全销，一旦洗井液压力过高又易造成损坏泵，给油田生产造成较大的经济损失。扩张式安全防漏洗井器利用密封胶碗的径向扩张密封油套环空，其外径小于工具最大外径，下井时不与井壁接触，可保证密封胶碗在下井后完整无损，保证密封件在井下的密封效果，使洗井作业安全无漏。该洗井器还设置有安全销钉，在泵压过高或检泵作业时，安全销钉即可剪断，使洗井液或上部油管油流经中心管上的卸油孔排至井下，能有效保护地面泵，清洁作业现场。     

有机酸盐环空保护液在元坝海相气藏的应用

元坝海相气藏具有埋藏深、高温、高压、高含硫化氢、中含二氧化碳等特性,气井生产中硫化氢、二氧化碳的存在使环空腐蚀环境极为恶劣。针对高含硫气井环空特殊的腐蚀环境,以有机酸盐为基液,添加高效咪唑啉类抗H2S和CO2缓蚀剂、铁离子稳定剂、除氧杀菌剂、助排剂、pH值调节剂,形成一套可控密度为1.59 g/cm3、抗温160℃有机酸盐环空保护液。室内评价实验表明:有机酸盐环空保护液抗高温稳定性强、腐蚀速率远低于设计要求0.076 mm/a,杀菌能力达99%以上。应用于元坝海相气藏3口超深井,取得较好效果,其中,元坝204-1H井酸压测试累计产气量133.92×104 m3/d,试气测试过程中,环空油、套管柱均无渗漏,环空保护液对油管外壁和套管内壁起到防腐作用,确保了油套管长期安全使用。     

完全偏心水平环空的两相流动：一种机械方法

基于欠平衡钻井技术的优点，油田现场使用欠平衡钻井技术钻井的数量增长很快，其优点包括钻速的提高、循环漏失和差压卡钻最小化、地层伤害减小及许多环境上的优势。在连续油管欠平衡作业过程中，通常使用气液混合物，其中两相流系统的水力计算是必不可少的。井筒水平段的几何流动形态是完全偏心环空的，需要一个真实的机械模型。对环形几何空间两相流研究很少，通常是用水力直径表示环形几何空间，使用水力直径代替环空直径来使用环形管的关系式。然而，基本的水力直径计算需要一个更好的方法来实现。在本实验中，研究了完全偏心环空中的气液混合物的水平流动。用一个机械模型来评测摩阻压力损失，此模型引入的一个代表直径项既可以在环形管又能在环形空间几何形态中应用。流型的定义沿用了Taitel_Dukler提出的基本理论。对比结果发现，对于描述环形空间几何形态，引入的代表直径在实验中表现的比用水力直径更为准确。使用代表直径项，流型会测定得更加准确。最终结果表明，推荐模型可以准确地定义流型和测定摩阻压力损失，准确度低于20％。