潛油電泵在煤層氣叢式井中的改造研究

趙祉友，丁學(xué)光，鄧 輝

（1.沁水藍(lán)焰煤層氣公司，山西 晉城 048204；2.大慶油田力神泵業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163311）

潛油電泵在煤層氣叢式井中的改造研究

趙祉友1，丁學(xué)光2，鄧 輝2

（1.沁水藍(lán)焰煤層氣公司，山西 晉城 048204；2.大慶油田力神泵業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163311）

有桿泵排采設(shè)備在煤層氣叢式井現(xiàn)場(chǎng)排采作業(yè)中普遍存在桿管偏磨、泵效低下的問(wèn)題，影響著煤層氣叢式井的連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行；而電潛泵機(jī)組應(yīng)用于煤層氣叢式井可從根本上避免上述問(wèn)題。針對(duì)煤層氣叢式井的生產(chǎn)特性，文章對(duì)常規(guī)電潛泵機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改造研究，包括：排量改造、通過(guò)能力改造、加深泵掛工藝改造、防氣技術(shù)等。通過(guò)這些改造，可使電潛泵排采技術(shù)形成為一套完善的煤層氣叢式井排采工藝技術(shù)。

電潛泵機(jī)組；煤層氣叢式井；適應(yīng)性改造

1 概述

叢式井具有占用土地面積少、鉆井成本低、集輸流程簡(jiǎn)化、便于集中管理等優(yōu)點(diǎn)，適合于晉城礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的需求。目前，晉城煤業(yè)集團(tuán)在晉城礦區(qū)已施工煤層氣叢式井38組，初步掌握了一套完整的工藝和技術(shù)，井網(wǎng)采用近菱形網(wǎng)格布置，每組叢式井布置3～4口定向井。采用簡(jiǎn)單的直、增、穩(wěn)三段式井身剖面，最大井斜角在15°～40°，井眼曲率范圍在3°～4°/100m［1］。圖1是某口煤層氣叢式井三維簡(jiǎn)圖。

圖1 某口煤層氣叢式井的三維簡(jiǎn)圖

目前，煤層氣叢式井的排采作業(yè)，主要采用有桿泵設(shè)備。在現(xiàn)場(chǎng)排采作業(yè)中有桿泵設(shè)備普遍存在桿管偏磨、泵效低下的問(wèn)題，影響著煤層氣井的連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行；而電潛泵機(jī)組由于無(wú)往復(fù)摩擦部件，將其用于煤層氣叢式井可從根本上避免上述問(wèn)題。但是常規(guī)電潛泵直接用于煤層氣井排采效果并不理想［2］。因而，針對(duì)煤層氣叢式井大井斜、小排量、排量變化大、高含氣等生產(chǎn)特性，需對(duì)常規(guī)電潛泵機(jī)組進(jìn)行一系列的適應(yīng)性改造研究，包括：排量改造、通過(guò)能力改造、加深泵掛工藝改造、防氣技術(shù)研究等。

2 電潛泵在煤層氣井的排量改造

2.1 擴(kuò)大電潛泵的排量范圍

整個(gè)排采周期中，煤層氣井的產(chǎn)水量變化大，必須擴(kuò)大常規(guī)電潛泵的排量范圍，以適應(yīng)煤層氣井不同排采階段的產(chǎn)水要求。排采初期，需將井中的大量壓裂液排出，盡快降低煤儲(chǔ)層壓力，促使煤層氣解吸。此階段，要求電潛泵在保證不大量出煤粉、吐砂的基礎(chǔ)上，進(jìn)行快速抽排。可以通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)高離心泵的產(chǎn)液量，此時(shí)離心泵主要工作在特性曲線的高效區(qū)B（見(jiàn)圖2）。

圖2 潛油泵的特性曲線

排采正常生產(chǎn)期，煤儲(chǔ)層壓力已經(jīng)降至臨界解吸壓力以下，根據(jù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的生產(chǎn)要求，需要維持一定的動(dòng)液面高度。此階段，要求電潛泵的排量范圍大，使產(chǎn)液量與地層的供液能力相平衡?？梢酝ㄟ^(guò)變頻調(diào)整動(dòng)液面高度，離心泵工作在特性曲線的A區(qū)。

在排采后期，煤層氣井的產(chǎn)液量大幅降低。此階段，要求電潛泵能夠?qū)崿F(xiàn)間歇抽吸，自動(dòng)保持動(dòng)液面高度，防止抽空?？梢酝ㄟ^(guò)地面控制部分的欠、過(guò)載和欠、過(guò)壓保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的保護(hù)。再者，可以通過(guò)設(shè)置延時(shí)自啟動(dòng)功能，設(shè)置其停機(jī)一段時(shí)間，動(dòng)液面恢復(fù)到一定高度后，機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)而恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

由上可知，利用離心泵的固有特性和變頻控制功能，可靈活控制煤層氣排采過(guò)程中的產(chǎn)水量變化。

2.2 電潛泵的小排量改造

晉城礦區(qū)煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)的排采統(tǒng)計(jì)表明，煤層氣井穩(wěn)產(chǎn)后產(chǎn)水量普遍下降10m3/d以下［3］。為解決電潛泵初期選型偏大，因供液不足造成機(jī)組頻繁欠載停機(jī)等問(wèn)題，必須對(duì)電潛泵進(jìn)行小排量改造。

小排量電潛泵主要采用水力性能更好的葉導(dǎo)輪，實(shí)現(xiàn)泵的高揚(yáng)程、高效率、高可靠性；再者，采用變頻器降頻，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少泵的排量，擴(kuò)大排量范圍。通過(guò)采取以上措施，使小排量電潛泵排量范圍降至5～20 m3/d，并盡可能使電潛泵工作在特性曲線的高效區(qū)B區(qū)，可以滿足大多數(shù)煤層氣井各排采階段的排采需求。

3 電潛泵用在叢式井的通過(guò)能力改造

考慮到煤層氣叢式井的井斜和狗腿度，為了確保機(jī)組在定向井安全下放和正常工作，需要建立機(jī)組通過(guò)能力的評(píng)價(jià)機(jī)制，進(jìn)而對(duì)機(jī)組的通過(guò)能力進(jìn)行改造。對(duì)電潛泵機(jī)組通過(guò)能力的評(píng)價(jià)，包括3個(gè)條件：（1）強(qiáng)度條件：各部件的最大彎曲和軸向拉伸組合應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，確保不發(fā)生塑性變形。（2）剛度條件：各部件的彎曲轉(zhuǎn)角分別小于許用轉(zhuǎn)角，確保不會(huì)引起配合誤差、增加磨損。（3）摩阻力條件：油管自重產(chǎn)生的推力大于機(jī)組摩擦阻力，確保機(jī)組順利下放。

通過(guò)對(duì)機(jī)組下放過(guò)程的力學(xué)分析，得到機(jī)組各部件的最大工作應(yīng)力、彎曲轉(zhuǎn)角、上端泵軸向力；進(jìn)而結(jié)合材料屈服應(yīng)力、許用轉(zhuǎn)角等參數(shù)，重新選擇電潛泵部件的材料，改進(jìn)相關(guān)防護(hù)裝置，最終達(dá)到在定向井中安全下放和正常工作的目的。

4 加深泵掛工藝的改造

為了有效降低井底流壓，使煤層的儲(chǔ)層壓力降至臨界解吸壓力以下，這就要求煤層氣井排采時(shí)泵的吸入口位置放到射孔段以下；而常規(guī)電潛泵為了保證電機(jī)表面有效散熱，一般要求機(jī)組安裝在射孔段之上，從而使電潛泵的下泵深度受到限制。因此，需對(duì)常規(guī)電潛泵進(jìn)行加深泵掛工藝改造。根據(jù)煤層氣井采用的不同套管規(guī)格，主要采用兩種加深泵掛工藝技術(shù)。

4.1 φ7″及以上大套管中的加深泵掛工藝技術(shù)

對(duì)于φ7″及以上的大套管，由于其環(huán)形空間的尺寸較大，在保證過(guò)流面積的前提下，可在泵吸入口及其以下部位設(shè)計(jì)安裝一個(gè)導(dǎo)流罩，見(jiàn)圖3。

排采過(guò)程中，井液從煤層射孔段流出后，順導(dǎo)流罩和套管間的環(huán)形空間向下流動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)流罩內(nèi)，經(jīng)過(guò)電機(jī)和保護(hù)器，進(jìn)入吸入口。這一過(guò)程中井液流經(jīng)電機(jī)表面，達(dá)到了冷卻電機(jī)的目的；增加了泵吸入口壓力，可使井液脫氣量減少；井液向下流動(dòng)，氣體向上運(yùn)動(dòng)，起到了氣液分離的作用。

圖3 機(jī)組加深泵掛示意簡(jiǎn)圖

4.2 φ5.5″及以下小套管中的加深泵掛工藝技術(shù)

對(duì)于φ5.5″及以下小套管，由于受到環(huán)形空間尺寸的限制，不能采用大套管中的加深泵掛工藝技術(shù)。目前，電潛泵的耐溫等級(jí)（150℃）與煤層氣井井底溫度（15～30℃）相比，尚有較大富余能力?；诖?，計(jì)算確定電機(jī)有效散熱的最小排量界限和在此排量下的下泵深度界限，直接將電潛泵下到煤層氣井射孔段以下的口袋中，并讓電潛泵在額定排量以下、最小排量以上運(yùn)行，可以滿足排采要求和減小電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷。

5 防氣技術(shù)的研究

采用常規(guī)電潛泵進(jìn)行排采作業(yè)，當(dāng)井液中游離態(tài)的煤層氣含量大于電潛泵的設(shè)計(jì)允許值時(shí)，會(huì)造成電潛泵工作性能的不穩(wěn)定，排量、揚(yáng)程、效率下降、機(jī)組欠載等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生氣鎖，最終使?jié)撚捅猛Ｖ古乓?，甚至損壞?；诖耍仨氝M(jìn)行相應(yīng)的防氣技術(shù)研究。

5.1 研制排水采氣專用錐形泵

煤層氣井排采中后期，產(chǎn)出液中含氣量高，為了增強(qiáng)離心泵對(duì)氣的適應(yīng)性，可將離心葉輪和其它葉輪進(jìn)行匹配組裝，利用離心葉輪控制泵的產(chǎn)液量，利用其它葉輪對(duì)氣適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，保證泵整體不會(huì)產(chǎn)生氣鎖，保持連續(xù)工作。這種設(shè)計(jì)從下到上使葉導(dǎo)輪的排量和壓頭逐漸減小，使葉導(dǎo)輪流道始終處于飽和狀態(tài)，有利于提高電潛泵的系統(tǒng)效率。

5.2 研制排水采氣高效氣液分離器

高效氣液分離器安裝在離心泵的入口端。生產(chǎn)過(guò)程中，氣液兩相流體首先進(jìn)入高效分離器，使氣、液分離，分離出的氣體排放到油套環(huán)空，分離出的井液輸送到泵入口，從而減小游離氣對(duì)離心泵的影響。資料表明，氣液分離器可分離氣液兩相總體積35%的游離氣，分離效率可達(dá)90%以上。

5.3 研制排水采氣專用氣體處理器

氣體處理器是近年來(lái)發(fā)展的新技術(shù)，可裝在氣液分離器和離心泵之間，也可替代氣液分離器單獨(dú)使用。其中安裝的葉導(dǎo)輪抗氣蝕能力強(qiáng)，當(dāng)較大量煤層氣進(jìn)入氣體處理器后，不會(huì)形成氣鎖，并強(qiáng)力推動(dòng)氣液兩相流體繼續(xù)向上運(yùn)行，進(jìn)入離心泵。雖然兩相流體進(jìn)入離心泵后可能會(huì)形成氣鎖，但是通過(guò)氣體處理器的強(qiáng)力推動(dòng)，使氣鎖段向上推移直至推出離心泵，從而保證整機(jī)的正常工作。

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，可以根據(jù)煤層氣井現(xiàn)場(chǎng)排采情況，優(yōu)化組合上述幾種防氣技術(shù)，從而減小或消除煤層氣對(duì)電潛泵工作的影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）電潛泵機(jī)組用于煤層氣叢式井排采作業(yè)，可從根本上避免桿管偏磨、泵效低下等問(wèn)題。（2）針對(duì)煤層氣叢式井的生產(chǎn)特性，本文提出了對(duì)常規(guī)電潛泵機(jī)組的一系列的適應(yīng)性改造方案，包括：排量改造、通過(guò)能力改造、加深泵掛工藝改造、防氣技術(shù)等。（3）對(duì)常規(guī)電潛泵機(jī)組進(jìn)行上述適應(yīng)性改造后，可使電潛泵技術(shù)形成為一套完善的煤層氣叢式井排采工藝技術(shù)；為電潛泵在煤層氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 王西民.煤層氣叢式井鉆進(jìn)工藝[J].煤炭技術(shù)，2009，28（2）：130～131.

[2]董振剛，鄧輝，鄒玉平.煤層氣井機(jī)械排采技術(shù)應(yīng)用與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[D].2008年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2008：390-394.

[3] 程林峰.煤層氣排采井的生產(chǎn)管理[J].中國(guó)煤層氣，2005，2（4）：39-42.

Abstract:In drainage and production of cluster wells for coal-bed methane(CBM),beam pumping equipments have some common problems,like worn rod string and low pump efficiency,which influence the continuous and stable production of CBM.Electric submersible pumping unit can avoid those problems.Based on the production characteristics of CBM,the paper studies the reform of the conventional electric submersible pumping unit,including a set of improvements including:flow rate,carrying capability,pump setting technology,and defending gas technique,etc.Those improvements can built a set of better drainage and production technology with cluster wells for CBM.

Keywords:electric submersible pumping unit;cluster wells for coal-bed methane;adaptability reform

編輯：徐樹(shù)文

Reform on Electric Submersible Pumping Unit in Cluster Wells for Coal-Bed Methane

ZHAO Zhi-you1,DING Xue-guang2,DENG Hui2
（1.Qinshui Lanyan CBM Co.,Jincheng Shanxi 048204,China;2.Lishen Pumping Co.,Daqing Oilfield,Daqing Heilongjiang,163311,China）

TE933+.3

A

1672-5050（2010）07-0046-03

2010-05-10

趙祉友（1982—），男，山東濰坊人，研究生，助理工程師，主要從事煤層氣開(kāi)發(fā)利用研究工作。