柱塞气举采油工艺技术研究 优秀论文 定稿.doc

柱塞气举采油工艺技术研究中国石化中原油田分公司新科力技术公司二00二年六月柱塞气举实质上是间歇气举采油的一种特殊形式，由于在举升气体和 被举升液载之间提供了一种固体的密封界而，减少了气体的帘流和液体的 回落，从而能有效提高气体能量的举升效率，使井的产量大大提高柱塞气体的举升能量来源于气体的膨胀能（地层气或注入气），它可以 充分利用地层的能量，所以尤其适用于高气液比的采油井在常规间歇气 举效率不高、效果不明显的井，采用柱塞气举可以提高生产效率，避免气 体的无效消耗柱塞气举在正常生产时，由于柱塞在油管内往复运动，所以可以起到 清、防蜡除垢的作用，可以节约生产时间和生产费用柱塞气举井下工具的安装都非常简便，只需利用钢丝绳就可以完成安 装和打捞工作，避免了修井作业，这样既可以减少作业对油层的污染，同 时可以节约生产时间柱塞气举采油管柱示意图如下：2分强1、工具设备的研制1. 1工作过程柱塞气举装置的正常工作，由时间控制器定时控制气动切断阀的开关 来完成，当气动切断阀关闭是，柱塞上的凡尔已被防喷管内的撞击杆顶开, 这时，柱塞靠自身重量下落，柱塞撞击缓冲弹簧后凡尔关闭当柱塞上方 积聚到设计要求的液量时，气动切断阀打开，高压气体经过气举凡尔进入 油管，从而把柱塞举升到井口，完成一周期再开始下一循环。

1. 2工具设备的结构和技术参数1、柱塞为弹簧加载的扩张叶片式柱塞，弹簧加载片直径接近于油管内径，扩 张开为①61,收拢为①56,中间有一靠外部顶杆完成开或关的阀，柱塞密 封受弹簧叶片及油管内径相对公差大小的影响技术参数：材 质：合金钢，作防腐处理长 度：445mm叶片扩张最大外径：①61mm叶片收拢最小外径：①56mm打捞颈： ①35mm质量： 6Kg工作过程：上行状态：柱塞座在缓冲弹簧上后，阀杆与缓冲弹簧碰撞上移堵塞 孔2,使孔1与孔2不连通而柱塞叶片在弹簧作用下处于扩张状态，故与 油管间隙较小，在举升过程滑脱损失小下行状态：柱塞上行，把液体举出井筒后，阀杆与井口防喷盒碰撞下 移，孔2与孔1连通使井筒中流体（主要是气体）能通过通道，柱塞依靠口重下落图1・1 1、阀体2、滑瓦3、阀杆4、锁紧螺钉5、阀盒6、弹簧7、钢球8、支撑弹簧2、卡定器停卡在2 7s"油管（内径①62mm）接篩的凹槽内，用钢丝投捞的方法投 放和捞出技术参数：材质：45#钢，经防腐处理打捞颈：45mm最大尺寸：64mm仲长：345mm质量：1.5kg图1・2 1、扩张式短节2、套爪3、圆柱销4、释放弹簧工作原理：当释放弹簧卡定圆柱销后,在释放弹簧作用下,卡爪紧缩（直径由70mm 缩至55mm）。

用投捞工具把卡定器送入油管内设计深度以下10m处，然后 上提工具串至油管接箍位置时，释放弹簧的钢丝头卡入接箍凹槽，弹开， 使卡爪释放然后下放工具串，卡爪卡入接箍凹槽需要起出时，上提工具串，使卡爪冋缩，即可提出3、缓冲弹簧：放在卡定器上，当柱塞下落到底部时起缓冲及关闭柱塞下部阀的作用, 上端有①35mm的打捞颈，可以用钢丝打捞技术参数：长 度： 850mm最大外径： ①58.5mm材 质： 60Si2Mn ,经防腐处理质 量： 6. 5Kg4、气动切断阀由时间控制器的压力信号控制打开或关闭技术参数：咼：宽：通径：工作压力:耐压强度:工作介质:420mm140mm① 55mm16MPa30MPa天然气最小开启所需压）｝ 0.2MPa使用方法：按流向箭头装在注气管线上，为常闭阀，由时间控制器发出指令信号， 操纵阀的打开或关闭，阀上装有指示打开或关闭的标尺，以便于地而观察 和控制两端为ZG2〃一12牙/英寸母扣5、减压调压阀功能：将高压天然气减压阀调整到下游切断阀动作所需压力（约 0.35〜0・5Mpa）,进口压力可达16MPa，出口压力可任意调节直到零，连接 扣型为ZG 1/4〃〜19牙/英寸。

作用：把井筒气体减压到（0」4—0.42MPa）,作为气动切断截止阀动作 的动力气体技术参数：进口压力：vl6MPa出口压力：0—0.525MPa连接类型：ZGl/4〃调压范围：0—0.525MPa总高度：150mm质量：l・5Kg图1・4 减压调压阀1一壳体；2—弹簧罩；3—堵塞；4—调节阀；5-阀头；6—密封垫；7—膜片；8—弹簧支撑；9—减压弹簧；10—调整螺钉；11—锁紧螺帽；12-1$接螺钉；13—弹簧6、过滤器：过滤出进控制器的天然气的水蒸气、轻质油和其它杂质，并从下部排 出，以防腐蚀或堵塞，保证控制器电磁阀的可靠T作技术参数：通径： ①60mm耐压： 16MPa总长： 262mm体积： ^SOX 150mm材质： 合金钢连接扣型：ZG 1/4〃〜19牙/英寸9—中心管;10—； 11—出气孔;12—上盖7、 防喷管总成主要由防喷管、可取式压帽、缓冲弹簧和撞击杆组成，安装在三通之 ±o连接扣型: 2 7/—8牙/英寸总 长： 800mm质 量: 25Kg耐 压： 35MP&防喷管内的缓冲弹簧用以吸收柱塞上彳亍到井口防喷管时的刚性冲击， 起减振作用防喷管顶部的压帽有一内孔，起导向作用，保证撞击杆对中, 使它能完全进入上升的柱塞内，把阀顶开，打开旁通。

捕捉器可捕捉住柱 塞，缓冲板使柱塞底部阀门撞击等8、 三通总成三通总成安装在采油树（或总闸门）的顶部，上部与放喷管连接三 通一侧装有弹簧加载于钢球的手动捕捉器，用來捕捉柱塞，以便于对柱塞 进行检查2 柱塞气举的动态模拟2. 1柱塞气举中柱塞运动分析当油井井底压力很低，以至在用间歇气举举升油井产出液的过程中， 从油层进入油管内的液体高度还不足以防止气体窜过液柱，或为了提高间 歇气举的举升效率时，人们往往把间歇气举与柱塞举升组合成柱塞气举准确分析柱塞气举中柱塞的运动规律，对于正确地设计柱塞气举装置、 合理确定气举的循环周期和注入气的气量等均有密切的联系本节拟对柱 塞运动作一准确的力学运动规律的分析2. 1. 1气举柱塞运动微分方程的建立本节拟分析的柱塞气举装置的示意图如图2-1所示在柱塞上行的分 析中所釆用的坐标系的原点放在环空气体注入处,Y轴铅直向上注气循环 开始时，柱塞的下底面位于坐标原点处设柱塞上行举升产出液的过程中 的任意时刻t ,柱塞的下底面的位置为y ,图2-1中其余符号的意义参见 本文后面的符号说明分析情况的确定：为了简化分析，我们对所分析的柱塞运动作如下约定：1、假定在柱塞作上下循环运动的过程中保持油管井口压力Pwh和环 空地面注气压力P so不变；Lo图2・1.柱塞气举示意图（上行）2、 认为柱塞循环上行的过程中油管内气体和被举升液体的运动速度均 与柱塞运动速度相同；且环空中注入气体的速度可按不可压缩流体连续性 方程计算；3、 不计柱塞上部液体的回落和气体沿柱塞边缘间隙的漏失。

这是由于 在气举柱塞上行的过程中，作用于柱塞下底面上的举升气体向上的压力大 于作用在柱塞上顶面上的压力（若仅以柱塞为对象分析，则柱塞上顶面上 的压力由油管井口压力、柱塞上部液体、液体上部的气体重和气液与油管 间的摩阻作用构成），且由于柱塞与油管间的间隙中的气体可以阻止上部液 体回落，故柱塞上部液体的漏失可予忽略；同时，由于柱塞上部液体的良 好密封性，使得柱塞下部气体经柱塞与油管之间的间隙上逸的量大大减少, 故本分析亦不计气体量的损失；4、 将柱塞循环过程中的地层液体的流入按稳定流处理；5、 油、套管中的气体和液体的温度按线性分布考虑2. 1. 2柱塞向上运动的微分方程现将柱塞和其上的待举升液柱作为一整体进行研究如前所述，则柱 塞上行至坐标y处时，作用于柱塞-液柱上的力有：作用在液柱上表面的气体压力，Ptspiugu，方向向下；作用在柱塞下表面 上的气体的向上压力，Ptsplugd ；柱塞及其上液柱的重力;液柱和柱塞侧 面与油管壁间的摩阻力Ff o由上述受力分析，可得到柱塞-液柱的运动方 程：( \ w W (2-1)(P -P )*人-W -F =V tsplu^l 1 tsplu^) t r 1 f y ug g式(2-1)中:A( 油管过流而积；wt——柱塞和被举升液体的重量；Ff——柱塞和液柱的摩阻力。

式(2-1)中各量的求法如下:1、柱塞下底面处的气体向上压力Rsplugd该量的计算须按两种不同的情况分别予以处理：(1)、环空注入气体的过程中p呗ugd可从环空地面注气压力开始，计入环空内注入气体的自重、 环空气体摩阻、注入气过注气凡尔的压降、油管内柱塞下部气体自重和摩 阻，以及从地层产出液的影响于是，可得到下述算式：P tsplu\>d=Pso+0朋Sj 一兀兀.2(d )叮~ "厂Q丽貂 (2-2)一几d”加務-卩胡1new式(2・2)中兀——环空气体的平均密度；I.——环空气体运动的平均摩阻系数；V.二上4——环空气体运动速度；&AAh——分别为环空和油管的过流面积;才=上——柱塞和液柱的运动速度； dt%——油管内柱塞下部气体的平均密度；几——油管内柱塞下部气体运动的平均摩阻系数；Z——过注气阀的压降；pl——产出液密度c——注气点以上油管内的新积液高度；心，dlo 分别为套管内径和油管外径；dti——油管内径2)、注气停止后注气停止后，凡尔已关闭，此时柱塞下底nn的压力按气体膨胀由气体 的状态方程计算得出2、液柱上表面的压力，Ptspiugu油管内液柱上表面的气体的向下压力应综合考虑油管井口压力、油管内液柱上部的气体口重和气体摩阻而构成，EP：P tsplugu久“gG防_ y _札 _ y _ lsP ,2y (2-3)式中,Pwh——油管井口压力；%——油管内柱塞上部气体的平均密度；心——油管内柱塞上部气体运动的平均摩阻系数;打——柱塞和液柱的总长度；其余符号的意义同前。

3、自重W(的计算当被举升的液柱顶面未到达井口时，口重Wt由柱塞自重和被举升的液 柱重量两部分组成其中，柱塞自重按其形成的压力计算；当被举升液柱 已到达井口后，液柱逐渐减小，相应的液柱重量亦同步减小4、液柱与柱塞的摩阻Ff的计算鉴于油管内壁与柱塞之间有液膜存在，且柱塞长度远小于液柱长度， 故这一摩阻力统一按液柱摩阻计算综合上述各关系式，可得：{ Ro+ Psc gj厂p.c兀2（〃二打-）十y2「A代・九gy - P§U!几右厂厂5讥h+ s （Zinj-y* ）+ pgJsluZ\^y2 ]]A「w「必务y2 A= #y” （2-4） 式（2-4）经合并整理，可得到下述形式的二阶常常微分方程：/ = Aiyy2+A2y2+A3y + A4 （2-5）（2-5）式为一非线性的二阶常微分方程，除了方程右边第一、二项表现 出非线性特征外，在各项系数中，由于摩阻系数、气体密度均由相应的平 均压力和平均温度算出，而柱塞上下的平均压力和温度乂都随柱塞位置而 定，故各项的系数都是未知量的函数因此，方程（2-5）只能用数值方法 求解2・5）式的初始条件可取柱塞未启动的位移和速度为零于是，组成 了如下定解问题：yn = \yyfl+每y"+去）,+a4< y=o 为 f=on寸 （2-6）/ = 0 肖f = 0时 2.1.3柱塞。