新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣排采工藝適應(yīng)性研究

摘 要：在新疆阜康白楊河礦區(qū)煤層氣排采過程中，通過不同排采工藝應(yīng)用數(shù)量出故障情況以及應(yīng)用效果的對比，證實(shí)有桿泵排采工藝是最適合于新疆阜康白楊河示范區(qū)煤層氣井井身?xiàng)l件和生產(chǎn)狀況的排采工藝。

關(guān)鍵詞：煤層氣井；煤層氣開發(fā)；排采工藝；抽油機(jī)；無桿泵；電潛泵

中圖分類號：TE37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）17-0191-02

引 言

自20世紀(jì)80年代初，美國首先對煤層氣資源進(jìn)行開采以來，世界各國競相開展煤層氣的勘探試驗(yàn)和工業(yè)開發(fā)。目前以美國、加拿大、澳大利亞等國商業(yè)化生產(chǎn)最為成功。

對于排水采氣設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型，美國普遍采用的方法是在生產(chǎn)工作制度中，選擇多種排采方式。例如：在產(chǎn)水量較低的煤層氣井中（日產(chǎn)水量<60m3），采用數(shù)控抽水機(jī)、變頻調(diào)速抽水機(jī)等，保證方便、快速調(diào)整生產(chǎn)制度，更好的控制液面穩(wěn)定降低；對于產(chǎn)水量大、且供液能力強(qiáng)的煤層氣井（日產(chǎn)水量>60m3），生產(chǎn)前期的主要任務(wù)是排水降壓，選擇電潛泵、大直徑管式泵或螺桿泵。

中國的煤層氣排采技術(shù)主要借鑒美國的開發(fā)技術(shù)，并借鑒和沿用了油氣行業(yè)的人工舉升設(shè)備，主要包括有桿泵、螺桿泵、電潛泵和射流泵等幾種舉升設(shè)備。各種不同工藝的技術(shù)特點(diǎn)及適應(yīng)性分析如下：

1 不同工藝技術(shù)特點(diǎn)及適應(yīng)性分析

1.1 抽油機(jī)有桿泵排采工藝

（1）工藝原理

抽油機(jī)有桿泵排采工藝俗稱三抽系統(tǒng)，地面為抽油機(jī)，井下為抽油泵，抽油桿連接地面和井下設(shè)備。抽油泵由泵筒和柱塞兩大部分組成。將抽油泵下入到井筒液面以下的適當(dāng)深度，泵柱塞在抽油機(jī)的帶動下，在泵筒內(nèi)作上下往復(fù)抽吸運(yùn)動，從而達(dá)到從油管內(nèi)抽吸排水、降低液柱對井底的回壓，從油套環(huán)形空間采出煤層氣的目的。

（2）技術(shù)特點(diǎn)

抽油機(jī)有桿泵排采工藝具有如下特點(diǎn)：

①技術(shù)成熟，適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡單，性能可靠，成本較低；

②在排采不同階段，根據(jù)產(chǎn)水量變化調(diào)整泵型，并可通過調(diào)速電機(jī)調(diào)頻，根據(jù)各井情況選擇適當(dāng)?shù)呐挪蓮?qiáng)度，因此它的工作深度和排量都能適應(yīng)大部分煤層氣井的排液要求；

③其抽深和排量又能覆蓋大多數(shù)氣井，且通過調(diào)頻電機(jī)調(diào)節(jié)沖程和沖次，容易實(shí)現(xiàn)排量的任意調(diào)節(jié)。

1.2 螺桿泵排采工藝

（1）工藝原理

螺桿泵系統(tǒng)由地面驅(qū)動設(shè)備和井下螺桿泵組成，螺桿泵的核心是定子和轉(zhuǎn)子。生產(chǎn)時(shí)，不同時(shí)刻定子和轉(zhuǎn)子的接觸形式是不同的，兩點(diǎn)式接觸和接觸線呈弧線式交替出現(xiàn)，沿著螺桿泵的長度，定子和轉(zhuǎn)子之間會有多個密閉的空間。生產(chǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，它們形成的密閉的空間會隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動不斷變換位置，逐漸沿著螺桿泵軸向方向推進(jìn)，密閉空間內(nèi)的液體也會隨著它向地面排出，而在下端不斷形成的密閉空間會陸續(xù)的帶著液體向上移動，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)舉升。

（2）技術(shù)特點(diǎn)

螺桿泵排采工藝具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

①地面設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，非常適應(yīng)復(fù)雜地形，排量和揚(yáng)程也較適合煤層氣井的排水要求；

②投資費(fèi)用和操作費(fèi)用較低；

③受固體顆粒和氣體影響較??；

④負(fù)載穩(wěn)定，系統(tǒng)效率高。

同時(shí)也具有如下工藝缺點(diǎn)：

①定子壽命影響著螺桿泵系統(tǒng)的使用效果；

②在井下出粉出砂較多時(shí)，容易卡泵，造成桿柱扭斷、脫扣等，檢泵困難；

③泵下面萬向節(jié)不能很好消除偏心距造成的泵身振動，井內(nèi)震動大；

④一般用于產(chǎn)量小的井或者后期地層供液能力不足時(shí)，摩擦產(chǎn)生熱量散失慢，致使泵體溫度升高，會發(fā)生“燒泵”現(xiàn)象。

1.3 電潛泵排采工藝

（1）工藝原理

電潛泵排采工藝是將電潛泵機(jī)組裝置通過油管下入井下，多級離心泵裝置進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)將地層流體從泵口排出，井中流體就會從油管中排出。流體的排出，使得環(huán)空液面高度下降，煤層壓力也跟著下降，當(dāng)煤層壓力下降到低于煤層氣的解吸壓力時(shí)，吸附在煤層中的甲烷就會解吸，擴(kuò)散、滲流產(chǎn)出，進(jìn)而完成油管排水，套管采氣。

（2）技術(shù)特點(diǎn)

電潛泵排采工藝具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

①排量大、揚(yáng)程高，無脈沖，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；

②可形成較大的生產(chǎn)壓差，理論上可將氣井采至枯竭；

③設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長，操作和維修工作量小；

④調(diào)節(jié)性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠；

⑤適合斜井、水平井等井斜角大的情況。

電潛泵工藝同時(shí)也具有如下缺點(diǎn)：

①電潛離心泵系統(tǒng)成本相對較高，一次性投入費(fèi)用大；

②容易燒泵。由于液面低，電機(jī)無法散熱，導(dǎo)致燒泵情況發(fā)生；

③氣體含量高時(shí)，將會引起氣體干擾或氣鎖；

④腐蝕、砂、垢等對機(jī)組壽命影響較大；

⑤對供電系統(tǒng)要求高。

1.4 射流泵排采工藝

（1）工藝原理

射流泵是水力泵的一種類型，它沒有運(yùn)動件，工作時(shí)由地面柱塞泵提供高壓水作為動力液，通過內(nèi)管進(jìn)入射流泵泵芯，由泵芯的噴嘴噴出，在噴嘴和喉管之間產(chǎn)生負(fù)壓，將地層流體吸入泵筒，通過動力液和采出液之間的能量轉(zhuǎn)換將地層流體舉升至井口。

（2）技術(shù)特點(diǎn)射流泵排采工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①沒有運(yùn)動部件，不存在偏磨；

②防卡、攜煤粉能力強(qiáng)，可正向洗井解堵，方便快捷；

③采用地面投撈修泵換泵，維修簡單，時(shí)間短，費(fèi)用低；

④叢式井組可共用一套地面系統(tǒng)，能節(jié)約投資費(fèi)用。

該工藝的缺點(diǎn)如下：

①舉升效率較低，通常小于25%，造成能耗大；

②地面系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備龐大，建設(shè)周期長，維護(hù)費(fèi)用較高；

③防氣效果相對較差，為防止氣蝕，射流泵排水采氣要求較高的吸入壓力和較高的沉沒度。

2 阜康示范區(qū)排采工藝現(xiàn)狀

截止2017年12月30日，阜康示范區(qū)共有排采井51口，投入排采的有50口井，目前所使用的排采工藝全部為抽油機(jī)有桿泵，期間零星使用過螺桿泵、水力無桿泵和電潛泵。經(jīng)過使用對比，為了方便管理、降低排采維護(hù)人員，降低排采成本，后全部棄用。

由于本示范區(qū)產(chǎn)水差異較大，各井產(chǎn)水量從小于1m3/d到最大344m3/d，在有桿泵的泵徑選擇方面，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，選擇了44mm、56mm、70mm、83mm、95mm等不同型號的有桿泵，不同泵徑使用數(shù)量分布情況可見圖1。

由于泵徑的變大，抽油機(jī)的載荷也相應(yīng)增加，故示范區(qū)的抽油機(jī)包括了4型、5型、6型等不同型號。目前各機(jī)型使用情況是4型20臺，5型16臺，6型16臺，不同抽油機(jī)使用情況可見圖2。

3 阜康白楊河排采工藝適應(yīng)性分析

阜康白楊河礦區(qū)具有總體地質(zhì)構(gòu)造簡單（基本呈南傾單斜構(gòu)造），地層傾角大，煤層多、厚度大等特點(diǎn)。根據(jù)示范區(qū)的地形條件和煤層特點(diǎn)，以及考慮到通過示范工程試驗(yàn)新工藝、新技術(shù)進(jìn)行技術(shù)儲備的需要，示范工程總體設(shè)計(jì)采用了以叢式井為主的開發(fā)井型，并試驗(yàn)U型井和順煤層L型井；考慮到示范區(qū)煤層多，層間距大，為了控制靶點(diǎn)井距，叢式井采用了直井、三段制定向井和五段制定向井等不同的井身結(jié)構(gòu)；另外，在完井方式上主要采用下套管射孔完井的方式，并在U型井和順煤層L型井試驗(yàn)篩管完井的方式。

不同井型和不同的完井方式對于排采工藝的要求也不一樣。阜康示范工程建設(shè)過程中，采用了以有桿泵為主的排采工藝，并試驗(yàn)了螺桿泵、水力無桿泵和電潛泵等不同工藝。不同排采工藝應(yīng)用及試驗(yàn)效果情況如下：

（1）有桿泵

有桿泵工藝是煤層氣常用的排采工藝之一，具有技術(shù)成熟，使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。本次示范工程前后共有51口井采用該工藝技術(shù)，應(yīng)用的井型包括叢式井、順煤層L型井和U型井，完井方式包括了套管射孔完井和篩管完井。在叢式井中應(yīng)用的井身結(jié)構(gòu)包括了直井、三段制和五段制定向井。有桿泵應(yīng)用情況見表1。

從目前排采情況看，使用有桿泵的井生產(chǎn)穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行狀況良好。從修井情況看（見圖3），盡管有些井出現(xiàn)了卡泵和不出水等情況造成修井，修井率為51%；但總的來說要遠(yuǎn)低于螺桿泵，檢泵周期也明顯較螺桿泵的檢泵周期長很多。另外，從設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性方面看，也不會出現(xiàn)因某種故障造成無法滿足排采制度要求的情況。

總體來看，有桿泵排采工藝基本能滿足本區(qū)不同井型、不同井身質(zhì)量情況、不同產(chǎn)水量井的排采需要，穩(wěn)定可靠，適用性好。

（2）螺桿泵

螺桿泵排采工藝前后試驗(yàn)了10口井，因頻繁出現(xiàn)卡泵、脫泵問題，檢泵周期短，平均檢泵周期僅41.1d，對排采連續(xù)性的影響較大，后將螺桿泵全部更換為有桿泵的排采方式，修井檢泵情況明顯減少，排采連續(xù)性得到改善，排采效果也逐漸顯現(xiàn)。通過試驗(yàn)證實(shí)螺桿泵排采工藝在示范工程區(qū)適應(yīng)性較差。

（3）水力無桿泵

水力無桿泵是一種新型的排采設(shè)備，其最大的優(yōu)點(diǎn)是沒有運(yùn)動部件，不存在偏磨問題。而FSL-X井是示范工程試驗(yàn)的1口順煤層L型井，采用篩管完井的方式。該井井斜角大，煤粉多，為了防止偏磨造成頻繁卡泵，在該井試驗(yàn)了水力無桿泵排采工藝。在前期使用的105d左右設(shè)備運(yùn)行較穩(wěn)定，基本滿足排采要求，后期由于設(shè)備本身故障造成運(yùn)行不穩(wěn)定，造成流壓波動大，不能滿足井的正常排采降壓要求。總體看，該排采工藝雖然能解決定向井或大斜度井桿管偏磨的問題，但是由于該工藝是近年剛研發(fā)的新工藝，還存在運(yùn)行不穩(wěn)定，易出故障等問題，不能很好滿足煤層氣井“連續(xù)、穩(wěn)定、緩慢”的排采要求，不能很好地適應(yīng)本示范工程煤層氣井排采的需要。

（4）電潛泵

電潛泵具有排量大、不存在桿管偏磨問題等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于排量大的井。示范區(qū)的FS-XX井處于地層轉(zhuǎn)折部位，產(chǎn)水量異常大，采用常規(guī)的抽油機(jī)+有桿泵的方式，換大泵后最大排水量約100m3/d，但仍不能滿足正常的排采降液要求，因此在該井試驗(yàn)了電潛泵排采工藝。該工藝于2015年7月9日投入使用，日產(chǎn)水量最高達(dá)到344m3/d。使用該工藝排采后，F(xiàn)S-XX井流壓能夠按照排采制度要求緩慢下降，排采初期效果較好，但逐漸無法滿足排采要求，至2016年6月4日，電潛泵無法正常啟動，檢泵作業(yè)，發(fā)現(xiàn)油管大量結(jié)垢（見圖4），排采效果一般。

4 結(jié) 論

通過不同排采工藝應(yīng)用數(shù)量、出故障情況以及應(yīng)用效果的對比，證實(shí)有桿泵排采工藝是最適合于新疆阜康白楊河示范區(qū)煤層氣井井身?xiàng)l件和生產(chǎn)狀況的；對于極少數(shù)產(chǎn)水量異常大的井，電潛泵排采工藝可以作為一個備選方案，但是需要考慮井下結(jié)垢問題對電潛泵正常使用的影響。

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收稿日期：2018-5-15