在天然气开采过程,井底压力不断降低,并逐渐产生井底积液。井底积液会极大降低日安然气井生产效率,因此研究天然气井的排水采气技术对天然气开采具有重要意义。本文进行了自适应柱塞的结构设计、控制系统设计与运动过程理论分析。在柱塞结构设计方面,旁通式柱塞具有下落速度快、滑脱率低、可靠性高的特点,故选用旁通式柱塞。在控制系统设计方面,自适应柱塞利用传感器测量温度、压力和加速度,以判断柱塞是否入水,进而控制柱塞节流阀开启和关闭。在运动理论分析方面,本文建立了柱塞下行和上行两个阶段的运动模型,并依据柱塞在不同阶段的受力特点建立柱塞运动微分方程,为求得柱塞运动关系提供理论基础。本文利用Fluent对柱塞的运动过程进行CFD分析,获得运动过程中力、路程、速度、时间的关系。柱塞在空气中下落时,速度从0m/s快速上升到30m/s,之后保持匀速运动;入水时,速度由30m/s快速下降至7.587m/s;进入水中后,在水的阻力作用下,速度下降至3.48m/s后匀速下落。当柱塞到达指定深度后,完全关闭阀门,柱塞悬停于井底积液中。上行过程中,单次作业排液量、柱塞到达地面速度都与举升液柱初始高度成正相关关系,因此为保证排液效率和井上设备的安全,在苏里格气田中,一般初始举升液柱高度为190～270m。本文利用LS-DYNA研究柱塞与管壁高速碰撞对柱塞的影响。由于管壁内附有水垢,柱塞在管壁中运动过程中与管壁的碰撞可近似认为是与水垢的碰撞问题。又因为柱塞中轴与管壁中轴最大偏转角为q=1.47°,在分析时可近似认为柱塞是竖直下落。分析发现,柱塞与管壁的碰撞所受冲击大小,与水垢直径、柱塞速度成正相关。在运动过程中,柱塞所受到的冲击力最大为605MPa,低于42CrMo所能承受的最大应力,可保证柱塞不会受到冲击破坏。