葛岢岢*，邹积恩，宋文容



柱塞气举排液采气参数优化设计研究进展

葛岢岢1*，邹积恩2，宋文容3

(1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京昌平102249；2. 大庆职业学院继续教育培训部，黑龙江大庆市，163255；3.北京雅丹石油技术开发有限公司，北京昌平，102200)

随着气田的逐年开发，低压低产气井越来越多，柱塞气举排液采气工艺得到了广泛的应用。为确保气井满足配产、柱塞正常运行且保持较高举升效率，更好地发挥柱塞气举工艺的优势，提高气井产量，延长气井寿命，在柱塞气举运行初期以及运行稳定后都需要对柱塞气举进行参数优化设计。本文针对柱塞气举井的参数设计及优化国内外研究现状进行了综述，并提出了目前该领域研究需要关注和亟待解决的相关问题。

柱塞气举；排液采气；参数优化；研究进展

引言

柱塞气举工艺是通过间歇开关井方式利用地层能量推动油管内柱塞上下往复运动排出井筒积液进行天然气开发的排水采气方法[1]。柱塞作为地层产出气与井筒积液之间的固体分界面，可有效降低液体漏失回落，从而减少了滑脱损失，增加了气举效率。这项工艺技术适用于一定地层能量、气液比较高的气井，能有效延长出水井的寿命。柱塞气举工艺利用地层能量将柱塞及其上部液段举出井口，排出井筒积液后生产压差增大，气井稳产期大大延长。柱塞气举工艺安装维护成本低，柱塞沿油管上下往复运动还可以有效清除管壁的结晶、结垢[2]。不同气井间的产液量、产气量差异大，即使是同一气井不同时期产液量、产气量也有所不同，如果人为的调节这些参数，管理强度会很大。如何提高柱塞气举排水采气工艺的效率、如何优化柱塞气举工艺的工作制度、如何最大程度地发挥柱塞气举自动控制的优势，成为当前柱塞气举研究的关键技术，因此为保证柱塞井均能实现稳产、达到较好经济效益，并扩大柱塞气举适用范围，提高柱塞气举的可靠性，必须对工艺进行全面的分析与研究。

随着网络和信息技术的发展，各个应用领域的合作越来越密切，数据的互操作性日显重要[3]。面对数据丰富而知识贫乏的挑战，数据挖掘方法提供了解决方案，它能够通过挖掘算法从大量数据中提取有价值的信息，挖掘出蕴含其中的不易发现的规律[4]。通过物理方法和大数据相结合的综合方法，对柱塞气举井当前的生产状况及历史生产数据进行综合性的分析，从而获得适合于实际生产的柱塞气举生产参数，对气井柱塞气举排水采气具有重要的指导意义。

1 机理模型研究现状

1.1 国外研究现状

柱塞气举排液采气工艺开始于上世纪50年代，前苏联学者Muravievg和美国的Beeson、Knox、Stoddard[5]等人相继对柱塞气举的生产规律进行了研究，但这些早期研究理论较为简单，方法具有很大的局限性。1965年，Foss和Gaul通过对Vbntura Avenve[6]油田85口试验油井的生产资料的研究，建立了柱塞气举工艺的力学分析方法，导出了一系列柱塞举升运行图版，使之成为应用广泛的权威柱塞举升设计方法。但由于该分析方法使用的一些重要参数都取自特定条件的试验油气井，并做了大量假设，不具有普遍性。1972年Hacksma[7]成功地将最佳气液比的概念引入柱塞气举工艺设计之中，对Foss和Gaul的设计方法进行了补充和完善，建立了柱塞举升特性的分析方法。但柱塞气举是一随时间变化的非稳态过程，他没能给出举升过程的动态模拟。1982年，J. F. lea[8]第一次提出了常规柱塞气举的动力学模型。建立了相应的动态模型，提出了一些参数的数值解法。假定柱塞和液体段塞以相同的速度在井筒内上升，柱塞在上行过程满足动量平衡的条件，从而建立了相应的微分方程，由其数值解获得柱塞位置、速度、加速度、套压等的瞬时值。但他没有考虑液体回落及气体滑脱且没有建立柱塞下落过程的动力学模型，因此不够完善。Avery &Evans在Lea动态模型的基础上提出了一个描述柱塞上升阶段的动态模型。该模型假设：1）忽略气体的各项摩擦损失，只考虑液体段塞与油管之间的摩擦损失；2）不考虑循环过程中流体进入井筒对压力造成的影响；3）循环过程是等温过程。其下行程阶段则沿用Foss & Gaul的研究结果，没有进行动态研究。

进入上世纪90年代，国外学者更多地转向对柱塞工具设备及工作制度的研究。1992年，Marcano L与Chacin J[9]认为柱塞上升时产生的液体回落速率是平均上升速度的线性函数，基于动量平衡和质量守恒的基本方程，针对高气液比油井柱塞气举工艺的安装进行了优化设计，并开发了一套Fortran计算机程序，可以有效地用于常规柱塞气举的设计和故障排除。1995年，Beeson和Knox[10]通过对美国一些油气田柱塞气举相关资料的分析，得出一系列描述所需注气量、压力、最大产能等的相关方程，通过方程绘制出表示柱塞气举特性的诺谟图，并通过诺谟图来分析给定井的气举特性。1997年，Gasbarri & Wiggins[11]在前人的工作基础上，将油管中柱塞上部气体考虑为单相瞬态气体流动，并且考虑了井口分离器和地面集输管线对柱塞举升效果的影响，不考虑油管中积液向地层的反向渗吸、忽略柱塞上行过程中气体的滑脱。以柱塞和液体段塞为研究对象，应用动量守恒原理，建立了柱塞上行和下行完整柱塞举升周期的动态模型。进入21世纪，柱塞气举工艺在国外应用更为广泛。2008年，Chave[12]等人针对人为假设条件和现场经验而影响目前大多数柱塞举升模型准确性的问题，提出了新的柱塞举升模型。该模型结合气藏流入动态的瞬态模型，并考虑气藏、油套环空以及油管之间动态的相互影响，能够更加准确可靠的预测柱塞的举升过程，优化柱塞举升周期。

国外还有很多学者对柱塞气举工艺在非常规天然气井中的应用进行了研究[13]。2000年，Maggard[14]等人针对前人柱塞气举模型中采用稳定气井产能公式描述气藏的生产动态而不能反映出柱塞举升周期内气井井底流压的变化的问题，通过耦合基于GASSIM模拟器的气藏模拟模块来模拟气藏流入动态的瞬态模型，建立了致密气井的柱塞举升模型。2009年，Tang[15]针对Piceance盆地致密气井的积液问题，开展了柱塞气举动态特征研究。为了实现致密气井产气量最大化的目的，通过合理控制积液找寻柱塞气举的最佳工况。基于致密气藏具有基质渗透率低、水力压裂裂缝和泄流半径的特征，在该模型中引入了瞬态的IPR方程和产量递减规律，并应用该瞬态多相流流入动态分析柱塞举升的效率。2011年，Kravits[16]等学者又对柱塞气举在Marcellus页岩气井中的应用进行了研究，柱塞气举工艺在国外的应用范围越来越广。

1.2 国内研究现状

图1 国内文献调研统计结果

经文献调研可以发现，国内对柱塞气举工艺的应用较晚，理论及实验研究较国外都较少，国内柱塞气举排水采气工艺的研究始于1986年，最初几年文献数很少，2005年文献数处于峰值，说明当年柱塞气举排水采气工艺发展较快，2000年后至今文献数呈现上升趋势，说明目前柱塞气举排水采气在国内是一个研究热点。国内文献调研统计结果统计如图1所示。

2000年，王贤君等针对地层产气、产液等因素对柱塞及液柱上升的影响，从气井柱塞运动过程中的动力学分析入手，建立了柱塞上、下行程动态模型，同时结合气井生产动态，建立了柱塞气举排液采气优化设计模型。该模型能够计算气井生产时的积液速度、柱塞最佳上升速度以及将井底液柱举升至地面所需要的最高套压值等参数，从而可以预测出柱塞气举排液采气的运行周期数及周期举液量[17]。2005年，何顺利等总结分析了动力、阻力和体积这三大柱塞气举影响因素，通过对柱塞气举可控因素进行分析讨论后得出，柱塞气举参数优化设计实质上是对续流生产时间和开井的套压进行优化[18]。同年，何顺利等利用动量平衡方程，研究了柱塞与液体段塞的运动特征，并应用质量守恒原理研究了柱塞气体压力的动态变化。在理论模型建立的过程中，将所研究段气体分割成若干控制体，并假定在时间单元内控制体的各参数是恒定的，建立了多种影响因素下的柱塞及液体段塞运动方程[19]。2008年，梁政等人同时考虑油套压的变化，液体聚集，液体回落和柱塞所受摩擦力，建立了更为完善的气井柱塞气举动态模型[20]。

国内一些学者对柱塞气举的智能化，多元化进行了研究。2013年，杨旭东等针对常规柱塞气举工艺单一的定时开关井模式且需要人工到井口进行调参的不足，进行了柱塞气举智能化研究，实现了柱塞气举工艺远程控制及参数的最优化运行。2014年，陈科贵等为了适应定向井特殊井身结构，改进了下井工具及施工程序，对气井柱塞气举工艺各项参数进行了优化设计，进而极大地扩展了该工艺的应用范围[21]。2016年，李锐等针对现有气井柱塞气举控制系统功能单一，且缺乏系统优化功能，仅依靠理论模型输入相关参数的缺点，设计了多模式优化下的气井柱塞气举排水采气控制系统[22]。从调研情况可以看出，国内对柱塞气举工艺的理论研究还不够全面深入，对其动态模拟及优化设计尚需进行进一步探讨，工艺的应用范围也有很大的扩展空间。

2 数据挖掘应用于排水采气方案优选方向研究现状

传统的排水采气工艺优选是通过归纳和总结现有排水采气工艺的优势和不足，在排水采气工艺选择原则的基础上，对目前常用的一些气井排水采气工艺措施优选方法的计算模型进行分析研究，结合各排水采气工艺理论研究以及工艺方法的适应性，建立排水采气工艺方法优选模型。

随着数字油田的发展，很多学者利用气田排水采气生产的实时采集数据进行分析、预测和优化研究，机器学习技术在气井排水采气方案优选方面获得较多关注。1993年，肖芳淳等系统研究模糊数学方法在排水采气方案优选中的应用[23]。同年，张数球等针对每种排水采气方式都包含有各类技术经济指标，很多指标既相互依赖等特点，运用模糊优化理论全面分析各类技术经济指标的优劣，并将其运用到气井排水采气方案优选当中，以此来评价、优选气井排水采气方案[24]。2003年，雍岐东等融合模糊、物元、信息熵各自优势，提出了模糊信息熵物元评价模型。基本思路是：1）依据从优隶属度准则，将多方案多指标值转化为隶属度；2）构造模糊信息熵物元，并计算出相应的信息熵值；3）根据模糊信息熵最大化原则，优选出最佳方案。并将其用于排水采气方案优选，为方案优选提供了一种新的方法[25]。2006年，林巍等根据灰色系统理论中的关联分析原理，建立了一种可以应用于排水采气方案优选的灰色关联分析方法，扩大了信息源并提高了评价结果的可信度[26]。2007年，巩艳芬等采用 TOPSIS 方法对不同排水采气技术进行综合评价及优选，不仅可以评价不同排水采气技术在一定现场环境下的优劣, 而且可以说明某一技术方案与最优方案的接近程度。从而可以确定本地区最优的排水采气技术[27]。2008年，匡建超等融合遗传算法和 BP 神经网络算法，既保留了传统遗传算法全局搜索能力强的优势，又加快了神经网络的自学习, 自适应能力和收敛速度, 避免陷入局部较小的问题，提出了改进的遗传优化 BP 神经网络模型，并成功将其运用到新场气田排水采气方案优选[28]。2010年，柴云等基于集成创新的思想，将多属性决策中模糊层次分析法和灰色——正负理想点逼近法进行优势集成，提出了 FUZZY-AHP-TOPSIS方法对油气田开发方案进行优劣排序，该方法综合考虑了决策者的主观权重和投资项目各影响因素之间固有的客观权重、投资风险和收益等众多因素，为气田排水采气方案优选提供了一种可靠的决策方法[29]。2012年，周瑞立等采用模糊数学分析方法，针对成熟的工艺如优选管柱、泡排、优选管柱+泡排等工艺技术等，根据各工艺的优缺点，综合考虑各工艺的技术、经济等指标[30]。

同时，国内外学者结合数据挖掘对柱塞气举进行了一定的研究。1990年，RW. Crow 等人针对柱塞气举工艺中控制器上的套压、油压以及管线压力等参数都是人为设定预定值，导致井条件发生变化时，这些参数不再适用的特点，设计了一种新型的电子微处理器，控制器可以不断地监测柱塞到达并自动调节柱塞操作来实现最大化生产[31]。2011年，长庆油田工作人员结合柱塞气举机理模型及油田所测得的实时数据对柱塞气举的工作制度进行调试及优化，从而优选出适合实际生产的柱塞气举生产参数[32]。2016年，李锐等通过分析柱塞气举周期运行规律，来确定气井生产时开井时刻和关井时刻套压的变化范围，然后根据控制器实测实时套压值来确定何时进行开关井[22]。

通过文献调研可以发现，目前数据挖掘在排水采气方案优选方向有一定的研究应用，在柱塞气举参数优化设计方面的研究应用也有所涉及，但研究的深度和广度都还不够。现在柱塞气举参数优化机理主要通过机理模型来实现，存在很多的局限性。数据挖掘在该工艺的成功应用，必将为柱塞气举参数优化设计带来突破性的进展。通过数据挖掘的方法根据多口气井的静态参数，生产参数，历史运行参数等信息进行综合性分析，同时考虑到气井柱塞气举排水采气工艺的各生产参数的变化趋势以及当前状态。可以采取针对性的措施，从而获得最优的柱塞气举生产参数。

3 结语

综上所述，柱塞气举最先在国外发展，现在已经进行了深入的研究，并在低压低产气田得到了广泛的应用。国内起步虽晚，也取得了很大的进展。但是面对大量的油田数据，仅仅采用传统的机理模型来解决问题，显然是对数据资源的浪费。具体存在的问题有：

（1）传统的柱塞气举机理模型所计算出来的参数只适用于一定的生产条件，当生产条件发生改变时，这些参数将不再适用；

（2）建立机理模型一些重要参数都取自特定条件的试验油气井，并做了大量假设，不具有普遍性。而且这些条件都是理想状态下的，实际生产并不能实现；

（3）对于数据挖掘在柱塞气举工艺的应用，国内外学者虽然已经做了一定的研究与试验，也取得了一些研究成果，但是深度和广度都还不够。

当前的气田系统由于计算机的普遍应用，积累了大量的数据，怎样从这些大量数据中提取出对气田生产有用的信息和知识，更好地为气田的发展提供帮助成为迫切需要，而数据挖掘技术的出现正好可以解决这一问题。如果能将柱塞气举参数优化设计的机理模型与数据挖掘相结合，柱塞气举排水采气工艺一定会取得突破性的进展。

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A Survey of Plunger Gas Lift Drainage Gas Production Parameter Optimization Techniques

GE Keke1*, ZOU Jien2, SONG Wenrong3

(1.College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, BeijingChangping 102249, China; 2.Daqing Vocational College of Continuing Education Training Department, Heilongjiang Daqing 163255, China; 3. Beijing Yandan Petroleum Technology Development Co, Ltd, Beijing Changping 102200, China)

With the development of gas fields year by year, low pressure and low gas production wells are more and more, plunger gas drainage technology has been widely used. In order to ensure that the gas wells can meet the production, the operation of the plunger can be normal and a high lifting efficiency can bemaintained. In order to play the advantages of plunger gas lift process to improve gas production and extend the life of gas wells in the early stage and stable stage of plunger gas lift operation period the design of the plunger gas lift are needed to be optimized. In this paper, the parameters of the design and optimization of the domestic and international research are summarized, and some related problems that need to be paid attention to and urgently solved in this field are put forward.

plunger gas lift; drainage gas production; parameter optimization; research progress

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.01.06

TP3

A

1672-9129(2017)01-0021-04

2017-01-05；

2017-01-14。

葛岢岢(1990-)，女，河北衡水，硕士研究生，主要研究方向：采油工程、数据挖掘。邹积恩(1965-)，男，黑龙江大庆人，大学毕业，管理工程师；主要研究方向：管理经济学，运筹学，技术经济学。宋文容(1991-)，女，湖北黄冈人，研究生毕业，石油工程师；主要研究方向：采气工程。E-mail：1126817982@qq.com