環(huán)空射流泵排采工藝在煤層氣井中的適用性研究

陳鳳官，綦耀光，王 渭，明 友，王 勤，吳建軍

（1.合肥通用機(jī)械研究院，合肥230031；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266555；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京100028）

環(huán)空射流泵排采工藝在煤層氣井中的適用性研究

陳鳳官1，綦耀光2，王 渭1，明 友1，王 勤1，吳建軍3

（1.合肥通用機(jī)械研究院，合肥230031；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266555；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京100028）

目前，煤層氣井的排水采氣工藝采用了油田的有桿泵系統(tǒng)，存在泵閥打不開、卡泵、桿管偏磨等問題，制約了煤層氣的開發(fā)。環(huán)空射流泵排采工藝具有許多優(yōu)點(diǎn)，已在油田成功應(yīng)用，特別適用于煤層氣井。應(yīng)結(jié)合煤層氣井特點(diǎn)，簡化地面設(shè)備，降低初期投資；改進(jìn)射流泵結(jié)構(gòu)，提高在小排量時(shí)的效率。

煤層氣井；排水采氣；射流泵；適用性

我國有豐富的煤層氣資源［1］，大部分儲(chǔ)藏于中西部地區(qū)，開采煤層氣對拉動(dòng)中西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義［2］。受到排水采氣工藝技術(shù)和設(shè)備的限制，我國的煤層氣資源開發(fā)還處在初級階段，如何合理、經(jīng)濟(jì)、高效地開采煤層氣，成為當(dāng)前普遍關(guān)注的問題。

射流泵排采技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不斷地完善，已在油氣田廣泛應(yīng)用［3－4］，在井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高溫、高氣液比、出砂［5］和腐蝕等井［6］的排采中發(fā)揮了重要作用，還可應(yīng)用于油氣井的特殊作業(yè)［7－9］，但在煤層氣井中還未應(yīng)用。本文旨在分析煤層氣井排采要求的特殊性，結(jié)合射流泵排采技術(shù)特點(diǎn)，分析研究水力射流泵排采工藝對于煤層氣井排采的適用性。

1 我國煤層氣井排采技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 工藝的特殊要求

煤層氣主要以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存于煤層中，它的吸附是1種物理吸附，且是1個(gè)可逆過程，所以煤層氣的排采是排水降壓的連續(xù)過程［10］。我國煤層氣井普遍為異常低壓，需要采用人工舉升方法把地層水從煤層氣井中排出，使井底壓力降至煤層氣解吸壓力以下，從而形成解析流動(dòng)過程。

該工藝具有4個(gè)特點(diǎn)：

1） 沉沒度低 在常規(guī)油氣開采中，抽油泵的沉沒度都是在幾百米以上；煤層氣排采由于儲(chǔ)層的特殊性，沉沒度通常在幾十米，這就直接影響到作業(yè)的生產(chǎn)壓差。由于泵的沉沒度不同，泵作業(yè)時(shí)所承受的沉沒壓力存在很大區(qū)別，泵腔變化范圍有明顯區(qū)別，所以泵閥打開所賦予的條件存在很大差別。

2） 排液量小 常規(guī)油氣與煤層氣排采存在區(qū)別，煤層氣排采除前期排液量較大外，在穩(wěn)產(chǎn)期和產(chǎn)量遞減期，排出液量＜10m3／d，而常規(guī)油氣排采中排液＞20m3／d。

3） 出煤粉 由于受沉沒壓力和排液量的影響，液體的流速存在很大差別。當(dāng)排液量很小時(shí)，液體的流速不足以攜帶煤粉上升，則造成煤層氣排采作業(yè)過程中煤粉沉降。由此而引起卡泵現(xiàn)象，從而造成檢泵周期短，需進(jìn)行修井作業(yè)。某煤層氣井排采曲線如圖1所示，從圖1可以看出該井修井周期短，且每次作業(yè)后，產(chǎn)量無法達(dá)到之前的水平。

圖1 某煤層氣井排采曲線

4） 穩(wěn)壓排采、連續(xù)降壓 這是由煤層氣的解吸滲流規(guī)律所決定的。井底流壓和排采強(qiáng)度將直接影響到煤層氣井的產(chǎn)量和長期產(chǎn)能，部分煤層氣項(xiàng)目失敗的主要原因就是在排采環(huán)節(jié)控制不好。

1.2 現(xiàn)有排采設(shè)備存在的問題

我國煤層氣開采目前仍處于初級階段，排采設(shè)備主要是采用常規(guī)有桿抽油系統(tǒng)，螺桿泵、電潛泵等還處于試驗(yàn)階段，存在4個(gè)問題：

1） 目前，煤層氣井場普遍使用有桿泵系統(tǒng)，對低壓、低沉沒度條件的適應(yīng)性很差，泵閥打開條件難以正常滿足。由于井液中含有自由游離氣，有桿泵容易產(chǎn)生氣鎖。此外，在小排量條件下，有桿泵系統(tǒng)無法達(dá)到有效排煤粉的條件。井筒中的煤粉引起卡泵，造成修井作業(yè)（如圖2），嚴(yán)重影響了煤層氣井的連續(xù)生產(chǎn)。

2） 試驗(yàn)中的電潛泵由于其固有特點(diǎn)，決定了其僅適合于較大排量的煤層氣井，而螺桿泵在小排量條件下極易出現(xiàn)干燒現(xiàn)象。

3） 煤層氣井的井眼軌跡相對較差，往復(fù)式排采方式適應(yīng)性差，容易引起桿管偏磨。另外，現(xiàn)有的有桿泵排采對定向井的適應(yīng)性也較差。

4） 煤層氣井的主要排采液是地層水，礦化度較高，容易產(chǎn)生水垢并加快設(shè)備的腐蝕。從生產(chǎn)現(xiàn)場可以看出排采設(shè)備的腐蝕很嚴(yán)重。

圖2 煤層氣井現(xiàn)場作業(yè)后的沉淀池

2 射流泵排采系統(tǒng)的組成及工作原理

射流泵是1種特殊的水力泵［11］，結(jié)構(gòu)簡單，沒有運(yùn)動(dòng)件，它主要由噴嘴、吸入管、喉管（混合段）、擴(kuò)散管等組成。射流泵排采裝置系統(tǒng)主要由井下射流泵機(jī)組、井口裝置、地面動(dòng)力裝置、地面管匯等組成［9］，如圖3所示。

圖3 常規(guī)油氣井射流泵排采系統(tǒng)組成

地面泵（或其它有壓液體源）提供高壓動(dòng)力液通過噴嘴，其壓能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能；由于紊動(dòng)擴(kuò)散和卷吸作用，將其周圍的井液吸入喉管，2股流體在喉管內(nèi)充分混合，然后進(jìn)入擴(kuò)散管通過降低流速而把部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓能，混合液獲得壓力足以將自身從井下舉升至地面。

為與環(huán)形多噴嘴射流進(jìn)行區(qū)別，筆者提出了環(huán)空射流泵的概念，即：動(dòng)力液經(jīng)過環(huán)空噴射，而吸入液從中心吸入。

與中心射流泵相比，對于環(huán)形多噴嘴射流泵及環(huán)空射流泵，由于其吸入流道與排出流道處于同1個(gè)軸線，對于液固混合物的排采具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。因此，后兩者較適合煤層氣井排采液排煤粉的要求。環(huán)形多噴嘴射流泵與環(huán)空射流泵相比，后者具有結(jié)構(gòu)簡單、對偏心不敏感、不易堵塞、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)（結(jié)構(gòu)如圖4）。表1為幾種不同型式射流泵的特點(diǎn)比較。

圖4 環(huán)空射流泵排采系統(tǒng)井下結(jié)構(gòu)

表1 幾種射流泵的優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖5～6分別為環(huán)空射流泵的基本特性曲線及效率曲線［12］，反映的是射流泵的幾何尺寸（面積比）、流量比、壓力比以及效率η相互關(guān)系。根據(jù)射流泵的無量綱特性曲線，可以通過地面泵參數(shù)的調(diào)節(jié)，靈活地控制煤層氣井的排水采氣過程；或者可以更換自由式射流泵的不同型號，從而實(shí)現(xiàn)煤層氣井不同生產(chǎn)時(shí)期的需要。

圖5 環(huán)空射流泵的基本特性曲線

圖6 環(huán)空射流泵的效率曲線

3 煤層氣井采用射流泵排采工藝的優(yōu)點(diǎn)

1） 與其他排采方式相比，環(huán)空射流泵排采系統(tǒng)對自由氣敏感性小。由于沒有運(yùn)動(dòng)件，井下設(shè)備有較高的可靠性，維修費(fèi)用低；若噴嘴、喉管等主要部件采用耐磨、抗腐蝕的材料，可以有效解決煤層氣井出煤粉及井液礦化度高等問題。

2） 由于不存在傳動(dòng)桿，對煤層氣井較差的井眼軌跡適應(yīng)性很強(qiáng)，并可應(yīng)用于定向井、水平井等。

3） 環(huán)空射流泵排采系統(tǒng)能適應(yīng)的深度和排量的變化范圍較大，現(xiàn)場可以很方便地通過調(diào)節(jié)地面泵參數(shù)或匹配不同的井下泵組合，從而滿足各個(gè)區(qū)域煤層氣井不同的生產(chǎn)要求。并且可以較強(qiáng)地適應(yīng)煤層氣井的異常低壓、低沉沒度等井況。

4） 作為水力泵，射流泵排采系統(tǒng)的地面設(shè)備有中心站式和獨(dú)立井場式2種。中心站式可以處理密度集中的井網(wǎng)系統(tǒng)，具有無法比擬的經(jīng)濟(jì)和管理優(yōu)勢，不僅可以集中管理，而且大幅降低了投資成本，從而獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益；獨(dú)立井場式可整體撬裝，具有較高的機(jī)動(dòng)性。

5） 對于我國煤層氣井，射流泵的低泵效缺點(diǎn)已不再突出，因?yàn)槊簩託饩⒎且圆沙鲆毫繛槟繕?biāo)，只要能持續(xù)、穩(wěn)定地生產(chǎn)即可。

通過類比常規(guī)天然氣藏射流泵排采系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益［3］，分析煤層氣井應(yīng)用射流泵排采的經(jīng)濟(jì)效益，如表2所示。煤層氣的售價(jià)約為1.3元／m3，每年生產(chǎn)時(shí)間按300d計(jì)算，大約需要半年多可收回成本。煤層氣井普遍生產(chǎn)周期＞10a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表2 煤層氣井射流泵排采經(jīng)濟(jì)效益分析

4 結(jié)論

1） 射流泵排采工藝完全能夠滿足煤層氣井排采工藝的要求，可以解決目前排采生產(chǎn)中存在的問題，有著廣闊的前景，推薦進(jìn)行先導(dǎo)性試驗(yàn)。

2） 提高小排量射流泵系統(tǒng)的效率將是今后的研究方向。射流泵的設(shè)計(jì)過程很復(fù)雜，應(yīng)簡化工藝流程，降低設(shè)備等級，便于現(xiàn)場應(yīng)用。

3） 我國煤層氣藏滲透率普遍很低，幾乎都需要進(jìn)行壓裂作業(yè)，開展煤層氣井的壓裂與排采一體化研究有著廣闊的發(fā)展前景。射流泵排采系統(tǒng)對此有著較強(qiáng)的適應(yīng)性，應(yīng)深入研究。

4） 應(yīng)簡化煤層氣井排采設(shè)備地面流程。國內(nèi)煤層氣井多數(shù)分布在中西部地區(qū)，交通不方便，不利于大設(shè)備的運(yùn)輸，故應(yīng)合理布置排采裝置的地面流程，簡化排采裝置的地面設(shè)備。

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Study on Applicability of Annular Jet Pump Dewatering Gas Production in CBM Wells

CHEN Feng－guan1，QI Yao－guang2，WANG Wei1，MING You1，WANG Qin1，WU Jian－jun3
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；3.PetroChina Coalbed Methane Co.，Ltd.，Beijing100028，China）

At present，the rod pumping system were used in CBM wells for dewatering gas production，and there were many problems，the valve can’t be open，pump stuck，rod and tubing partialwear，which restricted the development of CBM.The annular jet pump dewatering processhas many advantages，which has been successfully applied in the oil field，and it is especially suitable for CBM wells.What should be done is to combine with the characteristics of CBM wells，simplify the ground equipment，reduce the initial investment，and to optimize the structure of the jet pump，improve the efficiency for small displacement.

CBM wells；dewatering gas production；jet pump；applicability

1001－3482（2012）06－0046－04

TE935

A

2011－12－21

陳鳳官（1986－），男，江蘇東臺人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殚y門產(chǎn)品及流體機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E－mail：cfg0546＠gmail.com。