长庆气田柱塞气举排液自动化控制技术

韩强辉

（中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安710018）

长庆气田柱塞气举排液自动化控制技术

韩强辉

（中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安710018）

针对国外引进柱塞气举技术采用定时开关井生产方式，没有自动调参功能，运行制度需人工设置的缺陷，开发了一种气井柱塞气举生产的自动运行方法。该方法将柱塞最佳上升时间长度设置为目标上升时间，通过控制器对柱塞实际上升时间的分析，自动调整开、关井时间，保证柱塞实际上升时间接近于目标上升时间，使气井生产制度自动趋于最佳，实现对柱塞气举排液采气过程自动化的控制管理。并设计了一种性能更优的一体化柱塞控制器。这种新型柱塞排液采气技术已在长庆气田某区块整体应用75口井，经过2年多的实践检验，能够根据柱塞到达情况，自动对生产制度进行优化、调整，大幅降低工作量，实现了柱塞气举井运行自动控制和精细管理。基于柱塞上升时间自动优化工作制度的控制方法为长庆气田柱塞气举排液技术大规模推广应用提供了技术保障。

柱塞；自动化控制；控制器；开井时间；关井时间；优化生产制度

柱塞气举排液采气工艺技术是以柱塞作为气液分隔界面，能有效防止气体上窜和液体滑脱，增加举液效率，此外该技术不加注化学药剂，还具有环保特点，已成为长庆气田排水采气的重要技术手段。由于该技术通过开关井实现柱塞周期性往复运动，而开关井的工作制度与气井自身能量密切相关，因此随着气井开采阶段的不同，工作制度也需要调整，才能及时排出积液，维护气井稳定生产。笔者基于气井能量与柱塞工作制度的关系、现场应用中遇到的问题等，开展了自动优化工作制度新方法的研究[1，2]。

1 柱塞技术存在的问题

柱塞气举排液技术是以柱塞作为气液分隔界面，能有效防止气体上窜和液体滑脱[3-6]，增加举液效率，此外该技术不加注化学药剂，还具有环保特点。

国外认为柱塞气举工艺技术是低产及致密气藏最经济有效的排水采气工艺，应用井数达41.4万口之多，气井增产22%～500%，投资回收期4个月，措施可应用至气井枯竭。国内1991年开展柱塞气举工艺技术探索性试验，近年各气田均开展了试验研究，共应用465口井，应用结果表明，设定合理的工作制度对提高柱塞气举排液采气效率至关重要。2009年至2011年期间，长庆苏里格气田引进应用国外柱塞技术40口井，应用初期，多数井运行效果良好，气井年平均递减率2.1%～9.6%，远低于区块的平均递减率15.9%。但应用几个月后有29口井柱塞不能到达井口，说明运行工作制度已不合理，导致了气井排液效率明显降低[7-9]。

1.1 工作原理存在的问题

现有柱塞气举技术采用定时开关井（比如开井5 h，关井2 h）的生产控制方式，工程师利用气井生产信息做出判断，人为设置开关井的工作制度。

以长庆气田某应用国外进口柱塞技术井为例进行分析。该井投放柱塞后一直采用初次设定的工作制度，生产一段时间后，出现了柱塞不能到达井口情况，油套压差增加到3.21 MPa。优化工作制度后，柱塞又能到达井口，气井产量增加0.24×104m3/d，油套压差减少1.59 MPa，生产运行平稳（见表1）。

表1 某井调整制度前后参数统计

1.2 控制器存在的问题

柱塞气举工艺主要是通过柱塞控制器实现远程开、关井功能以及合理的数据采集及存储，从而实现柱塞按照设置的工作制度运行，达到气井排液生产的目的。

国外进口控制器存在以下不足：（1）不具备远程控制功能、智能化程度低，需要人工井口调参，调参工作量大；（2）结构分散，运行中，装置能耗大，故障率高达76%（见图1）。

图1 国外进口柱塞气举控制器图

2 柱塞自动化控制方法设计

柱塞在气井中运动速度过低时气窜量剧烈增加，且太低的柱塞速度不利于气井生产；过高的柱塞运动速度造成较大的漏液量，柱塞举液能力下降，降低了举液效率。存在最佳的柱塞上行速度，达到较高的柱塞系统举液效率。当柱塞上行速度低到保证液体不回落时，能够在相对较少的漏气及地层能量损失下，将井底积液举升至井口排出。通过数值模拟的方法计算了使得柱塞流场恰好不漏液的临界柱塞上行速度为v=3.7 m/s。

柱塞从井底到达井口的时间称为柱塞上升时间，该时间可以反映出气井储层能量的情况。通过前期大量的现场试验及国外资料调研，根据最佳柱塞举液上行速度计算的时间定为柱塞最佳的上升时间。将柱塞最佳上升时间设置为目标上升时间，通过对柱塞实际上升时间的分析，自动优化开、关井时间，使开关井周期更加合理[10-16]。

当柱塞早于目标上升时间到达时，称之为过快到达（见图2）。

图2 过快到达示意图

柱塞的实际上升时间过快，说明地层能量过于充足，将通过自动延长开井续流时间和缩短关井时间，降低下个周期的柱塞上升速度，使其达到最优。

式中：t续－续流时间；t1－上周期续流时间；Δt1－过快到达延长续流时间；t关－关井时间；t2－上周期关井时间；Δt2－过快到达缩短关井时间。

当柱塞晚于目标上升时间到达时，称之为过慢到达（见图3）。

图3 过慢到达示意图

柱塞的实际上升时间过慢，说明地层能量不足，将通过自动缩短开井续流时间和延长关井时间，提高下个周期的柱塞上升速度，使其达到最优。

式中：t续－续流时间；t1－上周期续流时间；Δt1－过缓到达缩短续流时间；t关－关井时间；t2－上周期关井时间；Δt2－过缓到达延长关井时间。

柱塞实际上升时间在正常的目标时间范围内，为正常到达。此时的柱塞上升时间合理，开、关井时间不需调整。

当柱塞未能到达时，除开井下管串和工具异常的情况，说明地层能量严重不足。智能柱塞控制器将关闭气井，进一步储存地层能量，待其达到一定值时，重新开井。最终实现油气井柱塞气举排液采气的自动运行管理。

3 柱塞控制器结构优化设计

3.1 控制器结构优化设计

柱塞控制器包含的电路和结构部件，是研制过程必须相互兼顾的两个方面，所以在试制电子电路的部件时，必须考虑太阳能电池板、电池等结构部件的安装问题，照顾总体结构的设计需要。同样在完成总体结构时，也必须满足主板、显示器、接线盒（电源底板）等电子电路设计的需要，并根据这些需要，对结构作必要的优化调整。

针对国外进口控制器存在的不足，控制器采用一体化设计思路，将数据采集器、数据储存器、图形液晶显示器、轻触键盘、光伏板、镍氢电池、太阳能充放电控制器、RS485网络通信接口等部件统统布置在外壳之中，并与其融为一体。作为控制器基本构成的电子电路的部件，按功能区别可分为显示器、主板和接线盒三件，它们之间用插针式电气连接器连为一体，构成一个完整的电路系统。

显示器（含轻触键盘）和主板位于外壳的前腔室，用于现场的人机对话、实现柱塞气举控制器的核心功能。

太阳能电池板安装在外壳顶部，可通过其方位角调整螺钉调整方向，保证各种应用环境都获得最佳的光照条件。最后形成柱塞气举控制器。

3.2 控制器性能评价

一体化柱塞控制器一方面通过将控制器与太阳能供电系统等设计为一体，功能集成、能耗低、防护等级达IP65，故障率0.1%；另一方面，选用低功耗、性能可靠的电磁阀作为气动薄膜阀驱动机构；还有，在控制逻辑中，置入了开、关井状态检测机制和多次重试驱动机制，使开、关井成功率达到100%。该控制器保证了每次开关井的操作准确无误，有较高的可靠性、系统稳定性，安装维护更加方便（见表2）。

表2 新设计一体化控制器与进口控制器应用参数对比

4 现场应用

这种基于柱塞到达时间自动优化运行制度的新型柱塞排液采气方法已在长庆气田某区块应用75口井，经过2年多的实践检验，能够根据柱塞到达情况，自动对生产制度进行优化、调整。设备故障率1%，控制开、关井成功率100%。该区块实施柱塞气举排液生产后，气井运行工作制度合格率95%，产量递减率由44%下降至23.6%（见表3）。

表3 整体应用柱塞气举排液前后生产情况统计表

5 结论

（1）国外引进柱塞装置结构分散，运行中，装置能耗大，故障率高达76%。通过优化结构及控制逻辑，设计出一体化柱塞控制器，功能集成、能耗低、防护等级达IP65。现场应用75口井，安装维护方便；经过2年多运行，系统稳定性，设备故障率降低至1%，大幅提高了运行效率。

（2）国外引进柱塞气举排液技术控制系统没有自动调参功能，运行制度需人工根据经验设置，工作量大，排液效率低，严重影响了应用范围。形成的气井柱塞气举排液生产的自动化控制运行方法改变了定时开关井的生产方式，实现了自动调整柱塞上行时间趋于最佳上行时间，能够根据油气井生产状况自动调整工作制度，大幅降低工作量，实现了柱塞气举井运行自动化控制和精细管理，具备大规模推广应用的条件。

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Automatic control plunger gas-lift drainage technology

HAN Qianghui
（Institute of Technology of Oil and Gas，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710018，China）

The imported plunger gas lift technology from abroad adopts timing open and shut-in method of production without automatic parameter adjustment function.This operation system needs manual setting which leads to the design of an automatic operation system of plunger gas lift technology.This method sets the optimal rise time of the plunger as the target rise time,through the analysis by the controller of the actual rise time of the plunger, automatically adjusts the open and shut-in time,guarantees the actual rise time is close to the target rise time,optimizes the gas well automatic production system and realizes the control and management of liquid unloading and gas production by using plunger gas lift.An integrated plunger controller with better performance is designed.The new plunger gas lift technology has been used in 75 wells of a certain Changqing gas block.After more than 2 years of practical testing,according to the arrival of the plunger,the production system has been automatically optimized and adjusted,the workload greatly reduced and the automatic control and fine management of the plunger gas lift well has been realized.The controlmethod of automatic optimization system based on the rise time of the plunger will provide technical support for the popularization and application of plunger gas lift technology of Changqing oilfield in large scale.

plunger；controller automatic；control；opening time；kansai time；optimization production system

TE938.2

A

1673-5285（2016）12-0119-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.12.029

2016－09-19

韩强辉（1981-），气田开发工程师，2004年7月毕业于西安石油大学石油工程专业，现从事气田开发工作。