射流泵工藝在常壓頁巖氣排水采氣中的研究與應(yīng)用

王玉海，夏海幫，包 凱，仇衛(wèi)東

（中國石化華東油氣分公司南川頁巖氣項目部，重慶408400）

中國頁巖氣具有巨大的開發(fā)潛力，資源量豐富，但我國頁巖氣勘探開發(fā)剛剛起步，處于探索階段，開發(fā)方面的研究重點以鉆井技術(shù)和壓裂改造技術(shù)為主，雖已取得顯著成績，但對于常壓頁巖氣井排采方式的探索還處在起步階段。尤其是對于經(jīng)過壓裂改造后無法自噴生產(chǎn)的頁巖氣井來說，排采工藝和排采技術(shù)在整個開發(fā)過程中扮演著舉足輕重的角色[1]。彭水區(qū)塊屬于四川盆地外緣渝東南地區(qū)的頁巖氣藏，成藏期后經(jīng)歷了多期構(gòu)造作用，改造更為復(fù)雜，保存條件相對較差，多表現(xiàn)為原始地層壓力系數(shù)低，地層能量不足，通常無法自噴生產(chǎn)，需借助人工舉升方式進行開采。根據(jù)彭水區(qū)塊生產(chǎn)井特點，初期優(yōu)選電潛泵進行排水采氣，排水工藝技術(shù)相對單一，生產(chǎn)過程中地層能量逐步下降，地層供液逐步減弱且產(chǎn)液含砂、黏土顆粒等雜質(zhì)，電潛泵工藝已很難適應(yīng)此階段生產(chǎn)需求，很難實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)排采，作業(yè)頻繁、生產(chǎn)成本高[8-10]。為了解決常壓頁巖氣井排水采氣中遇到的問題，我們在彭水區(qū)塊常壓頁巖氣井中研究應(yīng)用了射流泵工藝，并對射流泵工藝參數(shù)、配套工藝進行了優(yōu)化，形成了一套適合常壓頁巖氣排水采氣的射流泵工藝，不僅有利于彭水頁巖氣排采穩(wěn)定，提高產(chǎn)量，同時降低了現(xiàn)場管理難度，節(jié)約了頁巖氣開發(fā)成本，為常壓頁巖氣藏的有效“低成本”開發(fā)提供新的技術(shù)支持。

1 彭水區(qū)塊電潛泵排液生產(chǎn)特征

1.1 彭水區(qū)塊概況

彭水區(qū)塊構(gòu)造位置位于四川盆地與雪峰隆起之間的武陵褶皺帶上。該區(qū)塊目前已完鉆頁巖氣水平井四口，主要目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖地層。從已完鉆頁巖氣水平井注入/壓降測試結(jié)果來看，彭水區(qū)塊地層壓力系數(shù)較低，屬常壓頁巖氣藏，水平井經(jīng)過壓裂改造后，初期無法依靠地層能量實現(xiàn)自噴，均借助人工舉升方式進行排液生產(chǎn)，表現(xiàn)出常壓頁巖氣藏的普遍特點[1-2]。

目前現(xiàn)場應(yīng)用廣泛的排液采氣工藝包括：有桿泵排水采氣工藝、螺桿泵排水采氣工藝、電潛泵排水采氣工藝和氣舉排水采氣工藝等，考慮到彭水區(qū)塊低壓頁巖氣井壓裂后無法直接實現(xiàn)自噴，同時頁巖氣水平井壓裂改造通常采用大型水力分段壓裂的方式，壓裂液用量大，單段1 000～4 000 m3，全井段15 000～48 000 m3。因此頁巖氣井壓裂后排水采氣工作主要圍繞快速排液提高返排率，降低壓裂液對儲層的污染和促使頁巖氣快速解吸開展，所以初期優(yōu)選電潛泵排采工藝[2-4]（表1）。

表1 頁巖氣主要排液方式對比Table 1 Comparison of main drainage methods of shale gas

1.2 彭水區(qū)塊電潛泵排水采氣遇到的問題

彭水區(qū)塊壓后初期均采用電潛泵排液，其中PY1、PY2，PY3 井初期主要采用額定排量70 m3/d 和100 m3/d 的電潛泵，PY4 井初期分別采用額定排量150 m3/d、70 m3/d、100 m3/d的電潛泵。初期采用大排量電潛泵排液，排液速度快，動液面快速下降，隨著壓裂液快速返排，地層供液逐步減弱，60 d內(nèi)地層供液能力均降至50 m3/d 以下，此時地層供液已達不到電潛泵連續(xù)排液范圍要求，因沉沒度低，頻繁出現(xiàn)欠載停機，大排量泵已不能實現(xiàn)連續(xù)排液，需進行換小泵作業(yè)才能保證連續(xù)生產(chǎn)。

同時由于地層出砂、出黏土等固體物質(zhì)，通過檢泵作業(yè)，發(fā)現(xiàn)單流閥被黑色固體物質(zhì)堵死（圖1），受此類雜質(zhì)的影響，電潛泵排液中出現(xiàn)過載停機、卡泵、葉導輪磨損等問題，檢泵頻繁，嚴重影響生產(chǎn)穩(wěn)定。

圖1 單流閥均被黑色物質(zhì)堵死Fig.1 Check valves are all blocked by muddy material

為了保證能連續(xù)穩(wěn)定排液，針對性的選用小排量電潛泵，并盡可能的加深泵掛來增大電潛泵沉沒度。電潛泵的下入深度是電潛泵施工中的一個重要參數(shù),也是影響電潛泵工況的一個重要因素。確定泵掛深度時，要考慮泵的沉沒度、泵掛處氣液比和泵掛處狗腿因素。生產(chǎn)前期，為了最大程度地降低流壓，更徹底地排液，其中PY1、PY4井嘗試將電潛泵下入至炮眼段以下，生產(chǎn)中因地層出泥、出砂導致電潛泵頻繁過載停機、卡泵。另外，當電潛泵下至炮眼段以下時，由于地層出砂等，增大了管柱井下事故的風險，實際中管柱上提和下放管過程也出現(xiàn)遇卡現(xiàn)象。在常壓頁巖氣排液后期，電潛泵工藝已很難滿足排液要求，故障頻發(fā)、作業(yè)費用高等問題嚴重制約著常壓頁巖氣的經(jīng)濟開采，為了解決此問題，我們在彭水區(qū)塊常壓頁巖氣井中研究應(yīng)用了射流泵工藝[1-4]。

2 射流泵工藝原理及工藝參數(shù)的優(yōu)選

2.1 射流泵工藝原理

高壓動力液，經(jīng)過流量控制閥和計量裝置后，從井口沿中心油管下行，到達井下射流泵，通過小尺寸縮徑端面（噴嘴）時，其速度能增加，導致壓力能降低，從而在端面周圍形成相對“低壓”區(qū)，產(chǎn)生抽吸作用，地層液在沉沒壓力作用下進入噴射泵內(nèi)“低壓”區(qū)，在喉管、擴散管內(nèi)，地層液從高壓動力液中獲得能量，將動能轉(zhuǎn)換為壓力能，其壓力值將混和液沿油套管環(huán)形空間舉升至地面[5]。

2.2 射流泵排采裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)成

射流泵排采裝置分為井上和井下兩部分。井下部分包括外油管、中心油管、射流泵、繞絲篩管、壓力計及電纜等。井上部分包括井口采氣樹、柱塞泵、高壓流量計、低壓流量計、高壓過濾器、泥砂水分離罐、變頻器及連接管路、閥門等[6-7]。

2.3 工作參數(shù)模擬計算

井下泵位置的確定以PY1 井為例，該井造斜點1 540 m，油管錨下在直井段，以方便其座封、解封。該井射孔井段為2 300～3 400 m，對應(yīng)垂深為2 205～2 515 m，高度差310 m，井下泵若下至射孔井段之上，則不利于下部頁巖層的排水。井下泵若下至水平段，雖然利于頁巖層的排水，但增大了管柱井下事故的風險，綜合考慮，初期下至射孔段以上，后期根據(jù)需要逐步加深[5-7]。

舉升條件：套管尺寸?139.7 mm，套管內(nèi)徑?118.62 mm，動力液管柱為1.9 TBG 油管，混合液管柱為31/2TBG 油管，井下泵下至頁巖層中部的2 740 m（垂深2 360 m），根據(jù)動液面位置、井口管網(wǎng)的工作壓力、井口回壓、最大效率等參數(shù)，以確定流量比和壓力比，通過數(shù)值模擬計算出所需的噴嘴、喉管直徑等工作參數(shù)（表2）。

2.4 井下及地面設(shè)備配套

2.4.1 井下管柱及井下工具

泵斜深2 740 m（垂深2 360 m），噴嘴直徑2.57～3.21 mm，喉管直徑3.49～4.88 mm，動力液壓力要求23.6 MPa 以上，動力液排量120 m3/d 左右，日產(chǎn)水量25 t/d 左右。外管? 89 mm 平式N80 油管，內(nèi)管? 48.26 mm平式N80油管。

2.4.2 地面泵的選擇

最高動力液壓力為23.6 MPa，考慮地面泵的工作效率，井口設(shè)備配套等綜合考慮，額定壓力按最高工作壓力的1.2倍選擇，選用地面泵的額定工作壓力應(yīng)大于32 MPa左右，優(yōu)選額定壓力35 MPa柱塞泵。

地面泵額定排量：根據(jù)所列的參數(shù)，最大單井動力液需用量為126.11 m3/d（5.25 m3/h），額定排量按最大工作排量的1.2倍選擇，考慮地面泵的系列和起下井下泵芯的要求，地面泵的額定排量應(yīng)大于或等于6.3 m3/h（表3）。

表2 PY1井工作參數(shù)優(yōu)選（? 89 mm混合液油管）Table 2 Optimization of work parameters of well-PY1

表3 管柱強度計算和校核Table 3 Calculate and check of column strength

2.4.3 變頻器的選擇

選擇JX—BPDK—110 變頻器，具有壓力閉環(huán)系統(tǒng)，過載、欠載、短路、斷路自動保護停機功能。

2.4.4 泥砂、水分離罐的選擇

單井動力液最多用量為126.11 m3/d，地層最多產(chǎn)液量為45 m3/d，混合液最大排量為171.11 m3/d。按混合液進入泥砂、水分離罐緩沖、沉降，泥砂、水分離罐容量為5.9 m3，選擇10 m3的泥砂、水分離罐1座。

3 射流泵應(yīng)用效果分析

試驗過程可大體分為四次，第一次試驗出現(xiàn)了地面柱塞泵額定工作壓力不足、井下氣液分離效果差以及排液量低等問題。針對以上問題，優(yōu)化了地面柱塞泵以及地面管匯流程與規(guī)格，優(yōu)選額定工作壓力為35 MPa 的液壓調(diào)剖堵水泵，同時在井下安裝多級氣錨，改進完善后進行了第二次試驗，效果較第一次明顯改觀。但在第二次試驗中多次出現(xiàn)柱塞泵故障，動力液管柱長時間在高壓條件下運行時出現(xiàn)滲漏，試驗效果沒有達到理想狀態(tài)。經(jīng)過優(yōu)化地面柱塞泵后進行第三次試驗，效果明顯變好。在第三次試驗中我們進一步對井下噴嘴、喉管材質(zhì)進行了改良，提高噴嘴、喉管耐高壓、耐腐蝕性能，使噴嘴、喉管在高壓、易磨損、易腐蝕的工作環(huán)境下保持更長的壽命。在探索性試驗過程中我們通過不斷地對射流泵工藝參數(shù)、配套工藝進行優(yōu)化，最終在PY1井中實現(xiàn)了成功（表4）。

射流泵工藝在PY1 井中成功應(yīng)用，解決了電潛泵生產(chǎn)中的一系列問題，實現(xiàn)了穩(wěn)定連續(xù)排液生產(chǎn)，產(chǎn)氣量較電潛泵排采時有所上升，且產(chǎn)氣更加穩(wěn)定，大大降低了現(xiàn)場管理難度，同時射流泵工藝井下故障出現(xiàn)頻率較低，正常井下故障維護只需更換井下噴嘴、喉管等，不需要動管柱就可以實現(xiàn)維護，生產(chǎn)成本大幅降低。優(yōu)化后的方案也在其他頁巖氣井中得到了成功應(yīng)用，不斷優(yōu)化后的方案形成了一套適合常壓頁巖氣排水采氣的射流泵工藝，豐富了常壓頁巖氣排水采氣工藝，也對常壓頁巖氣經(jīng)濟開采具有重要指導意義（圖2）。

圖2 PY1井電潛泵與射流泵生產(chǎn)日產(chǎn)氣對比Fig.2 comparison of daily gas production of electric submersible pump and jet pump of well PY1

4 結(jié)論

1）射流泵工藝在常壓頁巖氣排水采氣中是適用的，一定程度上解決了彭水常壓頁巖氣排采中的技術(shù)難題，豐富了常壓頁巖氣排水采氣工藝。

2）相比電潛泵排水采氣工藝，射流泵工藝更適合常壓頁巖氣井后期生產(chǎn)中的排水采氣，能有效降低生產(chǎn)成本。

表4 試驗情況Table 4 Test situation