摘　要：清除井筒积液是维持气井正常生产的重要措施。目前柱塞气举井的生产更多依赖人工控制，井下监测还在采用传统的电缆测井工艺，生产效率不高。为此，提出一种分体式柱塞工具设计方案及利用柱塞进行仪器投捞的测井工艺方法。该技术可根据现场需求，利用柱塞的往复运动将测量仪器安全的放置于井底，在测量任务完成后将存储数据的仪器携带至地面，在井口通过近场无线通信的方式实现与地面采集设备之间的数据自动交换。新型柱塞工具的主要组成部件包括柱塞本体、投送总成、打捞总成和仪器工作筒总成。地面配套设备的主要部件包括井口通信天线和读写器。基于投捞一体式柱塞工具的排液采气工艺可完成井筒生产参数的在线测量任务，包括常规温度压力测量、井筒流体采样、压力恢复测试等。目前，该系统已完成总体方案设计和工程设计，正在开展样机试制和地面试验。该工具将为提高低压低产气井的单井产量和实现稳产提供一种兼具排液采气和动态监测功能的技术手段，对气田生产逐步实现自动化管理具有重要意义。

关键词：柱塞气举  排液呆气  分体式柱塞  近场无线通信  投捞一体式  在线测量  压力恢复测试  动态监测  自动化

Plunger lift and monitoring system for gas wells based on deployment-retrievement integration

Abstract：As a necessary step，removing liquid in the wellbore plays an important role during the production of gas wells．Plunger lift is a widely-used intermittent deliquification process for gas wells．However，the manual control way and wire logging are still utilized as a downhole monitoring way for plunger lift，which is not efficient in terms of interrupting the production．This paper presents an improved solution that logging instruments canister are deployed and retrieved by means of a new assembly．With the reciprocating plunger，logging instruments canister can be carried and deployed to the bottom of a gas well to carry out logging and sampling tasks on the production demand of a field．After the deployment and logging tasks are performed，logging instruments canister is carried back to the surface by the plunger and then data is transferred to the wellhead device with near field wireless communication technology．This newly developed plunger lift system comprises plunger body，deployment sub-assembly，retrievement sub-assembly and logging instruments canister．The surface device comprises RF antenna，reader and writer．Based upon the method of deployment-retrievement integration，the new deliquification process is introduced and on-line monitoring of production dynamics can be performed including P／T measurement，downhole fluid sampling，pressure build up，etc．without interrupting production．The general solution and engineering design parameters have been confirmed by research teams，while system prototype manufacture and workbench tests are being performed．The cost-effective way combining deliquification with dynamic monitoring is developed and contributes to increasing production and the stable productivity of gas wells．It is very significant for low-pressure and low-production gas fields to achieve automation production and management．

Keywords：Plunger lift；Deliquification；Multi part plunger；Near field wireless communication；Deployment-retrievement integration；On-line monitoring；Pressure build up；Dynamic monitoring；Automation

国内越来越多的气田已进入开发中后期，大部分气藏属低渗透和水驱气藏，采收率低，如何提高气藏采收率已成为当前紧迫的生产需求。对于低压低产气井，清除井筒积液，降低井底回压，维持其正常生产，延长气井寿命对于提高气藏采收率具有重要意义^[1-4]。目前排液采气工艺主要包括泡沫排液采气、柱塞气举排液采气和人工举升排液采气。人工举升排液采气工艺包括电潜泵排液采气、机抽排液采气、射流泵排液采气等^[5-9]。与其他技术不同，柱塞气举是一种利用储层本身能量来携液的间歇式举升方法，该技术以其设计安装简便、成本低、具有机械举升界面、开采经济界限较低等优点而被国内外广泛应用于气藏的中后期开发^[10-12]。

目前，国内外相关油田服务企业已开发出多种柱塞气举工具及配套控制技术，并应用于现场^[13-19]。现有的柱塞气举技术还存在不足：对柱塞气举井实施的测井方法还是采用传统的电缆下入工艺，实施时必须先让气井停产。由于柱塞气举本身就是间歇式生产，在柱塞下落周期气井不产气，需要通过减少关井次数、加快柱塞下降速度等措施缩短停产周期，提高单井产量。因此，测井期间停产与尽量避免关井构成了矛盾。

根据现有技术的问题，提出了投捞一体式柱塞工具的解决方案。该技术在正常-h}液生产的同时，系统可自动执行井筒动态监测任务。新方案取消了传统的电缆测井方式，提高了作业效率，有利于提高气井产量和气田生产自动化水平。

1　技术分析

1．1　系统技术要求

1)高效的生产与监测方式。利用柱塞在井口与井底间的往复运动来投送与回收仪器，工作柱塞既是正常生产用的排液采气工具，又是测量仪器的运输载体。

2)多种测量用途。可根据测量需求装入不同的测量和采样仪器，以执行各类测量任务，包括常规温度压力测量、井筒流体采样、压力恢复测试等。

3)非接触式通信方式。建立连接和数据传输速度快，抗干扰性好，可在有油污、结垢的恶劣环境中稳定工作，能承受一定程度的冲击。

4)系统维护简便。仪器、电源、投送与回收部件等组件更换方便。

1．2　技术适用条件

结合气井生产条件和井筒参数，提出柱塞气举工具的适用条件，即：油管Æ73.03～Æ101.60mm，最大井深2500m，最大井斜角30°，气液比大于250m⁴／m⁴，产液量小于300m⁴／d，工作温度-25～90℃。

2　系统方案设计

2．1　机械结构

系统由井下柱塞和地面配套没备构成。井下柱塞工具在执行仪器投送任务时，采用投送总成作为柱塞本体与仪器工作筒总成之间的连接部分。在执行仪器打捞回收任务时，将投送总成换成打捞总成即可，如图1所示。地面配套设备主要在井口防喷管内，采用圆环形的通信天线，天线固定在防喷管的内壁中。

柱塞本体(图2)内部有供流体通过的通孔，该结构有助于提高柱塞的下行速度。柱塞本体的顶部与柱塞打捞头连接，柱塞本体外表面有等间距分布的环形、不等边梯形槽，主要作用是柱塞上下运行过程中，可清除油管内壁上附着的沉砂和结垢。在柱塞本体外表面上均匀分布着毛细管组，毛细管的作用与喷嘴类似，在工作时，柱塞内部通孔中流过的一部分流体将通过这些毛细管高速的向柱塞与油管内壁之间的空间喷射，将柱塞周围及下部仪器工作筒的局部区域的沉砂和结垢清除掉。工具结构参数为：外径60mm，内径20mm，柱塞本体长度430mm，仪器工作筒长度280mm，投送／打捞总成长度140mm。

仪器工作筒总成主要由工作筒打捞头、缓冲弹簧、仪器工作筒本体、井下仪器和底堵构成(图3)。井下仪器的种类包括压力／温度传感器、井下流体采样设备等。工作筒打捞头为符合API标准的结构件，当仪器工作筒总成不能由打捞总成顺利回收时，工作筒打捞头可通过钢丝作业打捞。仪器工作筒本体外表面有长条形的进液孔，仪器工作筒总成在井下时，井筒流体将通过该孔进入工作筒内部，供后期分析使用。仪器工作筒本体外表面周向均匀分布着加强肋结构，作用是对工作筒在油管内进行位置扶正。

打捞总成(图4、5)由打捞总成本体、防脱开总成、端盖、锁紧总成和旁通阀阀杆组成。打捞总成本体上下分别连接柱塞本体和仪器工作筒总成。在打捞总成本体下部有均匀分布的孔，内有防脱开总成，该机构是弹簧预紧的钢球，用于夹紧、固定仪器工作筒总成。端盖、锁紧总成和阀杆的作用相当于旁通阀。打捞总成本体的中部有均布的出液孔，在柱塞工具下行过程中，旁通阀打开，出液孔与柱塞本体内的通孔连通，上下压力平衡，柱塞可以更快到达井底。

投送总成(图6、7)主要由投送总成本体、热执行器、防脱开总成、动作筒和执行杆组成。投送总成与打捞总成一样，本体下部有喇叭口结构，便于仪器工作筒总成进入投送总成本体。热执行器与短行程液压缸的运动方式类似，内部充满热膨胀工质，该物质为一种固—液相变储物质^[20]，在周围环境温度达到其熔点时，将逐渐液化并发生体积膨胀，执行器内腔压力上升，执行杆伸出。出于降低成本的考虑，固—液相变物质选用石蜡基材料，其熔点范围可根据井下实际条件进行调整。执行器的外壳采用导热系数高的材料制造，比如黄铜，有利于环境热量很快传至执行器内部。

2．2　投送与回收原理

当要执行仪器投送任务时，在地面将投送总成与柱塞本体连接，并将仪器工作筒总成从投送总成的下部插入，通过防脱开总成扣住仪器工作筒总成。工具组合投入井中，井口开关阀关闭，柱塞工具组合开始下行，直到井底。在井底的温度条件下，热执行器开始动作，动作筒和执行杆伸出，顶在仪器工作筒总成的打捞头端面上，并克服防脱开总成的锁扣力将仪器工作筒推出投送总成，使仪器工作筒总成与柱塞脱离。随后井口开关阀打开，柱塞工具上行，而仪器工作筒总成则留在井底执行预设的测量程序。仪器的投送作业完成。

当仪器工作筒总成完成测量任务，需要被打捞回收时，将柱塞上的投送总成换为打捞总成，并保持阀杆处于下位，即旁通阀处于打开状态，然后将柱塞工具组合放入井中。关闭井口开关阀，柱塞工具开始下行直到井底。当仪器工作筒总成进入打捞总成本体下部的筒形内孔结构时，防脱开总成发挥作用，钢球进入仪器工作筒上部的半球形环槽，从而扣住工作筒打捞头。同时，阀杆被推至上位，顶住柱塞本体内孔的锥形端面。柱塞本体内孔的锥形端面与阀杆杆头的锥形端面之问紧密配合，形成有效的密封，使得柱塞内外之间的流动通道被堵住，旁通阀处于关闭状态，柱塞工具整体相当于油缸内的一个“活塞”。然后井口开关阀打开，在井底气压作用下，柱塞将携带仪器工作筒总成一起上行，直至井口。仪器的打捞回收作业完成。

2．3　无线通信系统设计

系统由地面和井下柱塞两个子系统组成，采用低功耗蓝牙技术作为柱塞与地面之间的通信和数据传输方式。低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy，BLE)作为一种短距离高频无线通信技术，具有抗干扰性好、传输速度高且稳定、能耗低、传输范围大(小于10m)等优点，允许电子设备之间进行“点对点”非接触式数据传输^[21-23]。为提高初始连接认证速度，本系统引入了近场通信技术(Near Field Communication，NFC)。系统在工作时，先通过NFC机制实现“握手”和认证，然后用蓝牙建立链路和传送大容量数据^[24]。

2．3．1柱塞通信子系统设计

柱塞通信子系统包括各类传感器、柱塞控制器(MCU)、蓝牙模块、工作筒RF天线、电源、系统时钟和编码模块等(图8)。在井口，柱塞内的蓝牙模块将气井生产数据传给井口通信子系统，并接收井口通信子系统的指令，将其传至柱塞控制器。考虑今后的功能扩展，柱塞控制器选用Atmel公司的ATSAM3系列，该控制器基于32bit的Cortex-M3内核，工作电压范围1.62～3.6V，最高时钟频率48MHz。该控制器具有灵活的高级语言开发环境，便于程序开发、升级和维护。

蓝牙模块采用基于T1公司CC2540芯片的BLE112方案，CC2540是T1公司设计生产的低功耗蓝牙单模芯片，该芯片集成有工业级8051处理器内核，在接收状态时，电流最大19.6mA，在发射状态时，电流最大24mA，完全满足低功耗要求，适合在电池供电的井下仪器中使用。

2．3．2井口通信子系统设计

井口通信子系统主要由井口控制器(MCU)、I／O接口、蓝牙读写模块、存储模块、系统时钟、地面系统电源、RF环形天线、地面上位机、地面传感器等组成(图9)。地面主要控制设备为地面开关阀和放气阀，相关传感器包括柱塞到达传感器、油压和套压传感器等。

2．3．3监测与通信工作原理

系统具有主动和被动两种工作模式，井口和柱塞子系统在数据交换时都可以充当发起者(master)或目标设备(slave)。当柱塞工具携带仪器工作筒至井口并被防喷管捕捉后，井口子系统中的读写器模块通过井口环形天线产生RF电磁场，柱塞子系统内的通信传输模块被唤醒并初始化。系统检测到读写器的读写请求后先以NFC的方式工作，即通过工作筒天线按指定传输速率用负载调制数据应答，读写器接收到应答后建立连接，并将数据传输任务交由蓝牙模块执行。柱塞子系统和井口子系统开始按蓝牙OBEX协议进行数据交换，仪器工作筒前一工作周期内测量并记录的生产动态数据被发送至井口子系统，同时读写器将下一周期内新的任务，比如监测参数的调整，以控制指令的形式传给柱塞。传输完毕后，柱塞子系统自动转为休眠状态，以降低能耗。系统工作流程图如图10、11所示。如果携带的是采样仪器，可以打开井口，取出柱塞和采样仪器，供后续取样分析。

3　结论

1)针对现有技术的问题，开发出投捞一体式柱塞气举系统，柱塞工具在油管内运行时可自动投放和回收井下仪器并完成动态监测等任务，系统同时具有与地面进行数据交换的功能。

2)该技术提供了高效的生产与监测方式，在柱塞气举井有望取代传统的电缆测井作业，提高了气井排液采气作业和生产效率，为生产制度的优化和自动化生产管理提供了重要的手段。

3)目前已完成系统总体方案设计、机械结构设计、无线通信模块方案设计、关键元器件选型、控制程序开发等工作，正在开展样机制造和调试等工作，系统样机完成后将在模拟试验井内进行试验。

4)项目组计划对该系统作进一步改进，包括考虑使柱塞携带化学药剂、借助无线充电技术为柱塞内部电源进行充电、利用柱塞在井筒内执行其他措施作业等。

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本文作者：童征  裴晓含  沈泽俊  郝忠献  牛海峰

作者单位：中国石油勘探开发研究院

  中国海油研究总院