气体驱动泵排液采气机理及应用试验

刘书权 张小丽

（1.中国石化中原油田分公司天然气产销厂，河南 濮阳 457001；2.中国石化中原油田分公司濮东采油厂，河南 濮阳 457001）

0 引言

气田开发一般采用衰竭式开发方式，但随着开发时间的延长，必将引起地层压力的降低和边水、底水的入侵［1-4］。随着累计采气量的增加，液体逐渐进入到井筒，气井开始带液生产。当气井产量小于临界携液产气量时［5-6］，气井就会积液直至停产。而气田最经济的开发方式就是利用气井自身的能量实现连续生产。气体驱动泵不需要外部动力，直接利用井底气体的压力驱动多级活塞将液体排出并举升到地面。笔者就这一技术的机理及应用性作探讨分析。

1 气体驱动泵排液采气机理

1.1 气体驱动泵组成

泵从上到下依次由皮碗式封隔器、排气阀、转换阀（T、M、B三级）、控制阀、气驱活塞与气缸（四级）、套管水泵活塞与气缸、主水泵排出总管、主水泵活塞与气缸、主水泵吸入口等组成。封隔器总长609.6 mm，泵总体长2 232.15 mm，泵直径为82.81 mm。

1.2 驱动原理

地层高压气体进入气缸，推动气体活塞并带动液体活塞。气体活塞面积比液体活塞面积大，泵的机械性能提升，使得进入的高压气体压力被成倍放大，从而产生非常高的流体排出压力。设进入气缸的气体产生的推力为:

作用在气体活塞上的推力通过活塞杆传递到面积较小的液体活塞上，那么在液体活塞端产生的压力为:

式中，pg为进入气缸的气体压力，MPa；Sg为气体活塞面积，m2；Fg为气体产生的推力，N；Sw为液体活塞面积，m2；pw为液体活塞端产生的压力，MPa。可以看出，液体活塞产生的压力大小等于地层压力与气液活塞面积比的乘积。通常设计气液活塞截面积之比为3:1，意味着一级活塞即能把气体压力增大至3倍，若有n级活塞则将气体压力增大至3n倍。

1.3 气液在泵内的运行方式

气体驱动泵管柱下入井筒座封后，进气孔位于封隔器的下部，排气孔位于封隔器的上部。封隔器下方的高压地层气进入泵体，驱动气体活塞，作用后的气体从封隔器上方排出，通过油套环空到达地面。泵的下部内部结构示意图见图1。下冲程为：封隔器下部的高压气体由泵上部的进气孔进入，经气体管道4依次进入气缸上腔和套管水泵上腔，推动活塞下移，井筒内的低压液体通过阀①进入主水泵上腔。上冲程为：活塞运行到气缸底部后，缸内高压气膨胀后变为低压气，此时井底高压气通过管道5进入气缸下腔，推动活塞上移，并把上腔的低压气排出气缸；主水泵吸入管2的阀②打开，下腔开始吸入井筒内的低压液体；与此同时，主水泵上腔阀③打开，由主水泵排出增压后的液体。在活塞上移的过程中，阀⑥打开，套管水泵气缸下腔吸入封隔器上部套管内的积液；在下一次冲程开始后，套管水泵下腔的积液被增压后排入井底，直至封隔器上部的积液被全部排出。

图1 泵的下部内部结构示意图

2 气体驱动泵的参数计算

2.1 泵的基础数据

泵的基础数据一般为固定值，主要参数包括：气缸活塞密封最大压差为5.5 MPa，最大冲程为35次／min，机械效率为95%，通过气体活塞或液体活塞的漏失率为5%，安全系数为1.1；气体活塞直径、液体活塞直径、活塞杆直径、行程长度均可以根据需要进行修改。气井数据包括下入泵深、流体物性、地层压力、流动压力、井口压力及井温等数据。

2.2 泵的理论力比和参数计算

泵的理论力比公式为：

液体活塞处压力为：

封隔器上部环空压力为：

式中，A为理论力比；Sgt为气体活塞总面积，m2；Swt为液体活塞总面积，m2；p为液体活塞处压力，MPa；h为泵深，m；γw为水的比重；fw为含水率，%；γo为油的比重；pb为液管线背压，MPa；Δp为封隔器承受压差，MPa；η为机械效率，%；pws为封隔器上部的环空压力，MPa； pt为井口压力，MPa；γg为气体比重；T为泵深处的平均井温，K；Z为井筒气体平均压缩因子；R为液体活塞冲次；Qw为气井产液量，m3／d；Vw为液缸总容积，m3；Qg为泵的最小气体流量，m3／d；Vg为气缸总容积，m3；Bg为气体体积系数。

根据上述公式绘制流入曲线，根据气驱泵活塞处的流压绘制流出曲线，交汇点即为气井的最佳产量。

3 现场应用

文69-7井是1口位于文23气田西块的生产井，因为西块水体较大，该井投产后即出现气液同产的状况，随着边水的推进，气井产水量逐渐增加，气井逐渐丧失带液能力，直至停产。停产后该井液面深度为1 900 m，压力梯度为1.1。根据该井的基础数据设计泵的参数，见表1。

某时段采取不压井作业方式下入气动泵+2寸尾管，Y221-114封隔器下深2 846.7 m，尾管下深2 917.8 m。气体驱动泵下入后进行过3次试验。

第一次试运行，作业后估算井筒液面为1 750 m，估算液柱高度为1 150 m，由于井筒液柱较高，不利于气体的排出，通过气举压缩机从油套环空注入高压气，将封隔器上部液体压回地层。开井后认为气量太小，泵没有成功启动。

第二次试运行，通过环空加压，油管抽汲排液14.5 m3。因油管出气，停止抽汲，环空压力为7.5 MPa，测试环空液面2 550 m。封隔器上部仍有300 m液柱，证明抽汲过程中地层供液明显；启动泵试验后发现，油管压力下降，环空液面上升，判断为存在油管漏失。泵仍没有成功启动。

第三次试运行，起出原管柱，下入气举阀4级＋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。对油管进行分段试压合格，后开展环空注气降低环空液面、试生产、气举排液等试验。气举时发现文69-7井出液速度较快超过4 m3／d，超过气动泵的设计排液能力。停止气举后日产气仅1 100 m3，数据见表2。认为泵可以运行，但没有达到预期效果。

表1 气动泵参数设计表

表2 气举数据表

通过上述试验可知：气体驱动泵没有正常运行的原因在于地层大量产水，而产气量太小，不能满足泵需求的最低气量。长期水淹井或作业后压死气层的井，因为井底生产压差为零，气体在地层内不流动，所以不能进入泵内，此类井不适合该工艺，因此选井应优先选择地层产液量小或关井后液柱能被压回地层的井。

4 结论

1）气体驱动泵驱动原理简单，设计计算真实可靠，内部结构清晰简洁，是一种新型实用的排液采气技术。

2）气体驱动泵完井管柱最好设计带气举凡尔，可以快速排出油管内积液，为启动泵正常运行创造条件。

3）气体驱动泵正常启动需要有连续供给的气量，对没有流动性或产量达不到启动气量的气井并不适用。

［1］姜昊罡.凝析气藏气井产水规律研究［J］.长江大学学报：自然科学版，2013（20）：148-149.

［2］王会强.边水气藏气井见水时间预测方法［J］.特种油气藏，2008，15（4）：73-75.

［3］汪周华，王子敦，邓丹，等.考虑重力及气体非达西效应影响的边水气藏边水突破时间预测模型［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：210-215.

［4］易珍丽，候淞译，李延华，等.涩北二号疏松砂岩气田水侵特征分析［J］.天然气技术与经济，2013，7（2）：25-29.

［5］刘双全，吴晓东，吴革生，等.气井井筒携液临界流速和流量的动态分布研究［J］.天然气工业，2007，27（2）：104-106.

［6］马海宾，冯朋鑫，王宪文，等.一种计算苏里格气田最小携液流量的方法［J］.天然气技术与经济，2014，8（6）：25-26.