煤層氣L型水平井電潛螺桿泵應(yīng)用技術(shù)研究

何 軍 張光波 樊 彬 劉明仁 季 斌 芮 巍

(中石油華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000)

L型水平井因井眼穩(wěn)定、可改造、低成本、產(chǎn)量高的優(yōu)勢(shì)，已成為煤層氣田開(kāi)發(fā)布井的主要井型。該類(lèi)型水平井由直井段、造斜段和水平段組成，井眼軌跡沿著煤層或煤層附近水平方向鉆進(jìn)一定長(zhǎng)度，整個(gè)井眼為單一井眼軌跡，無(wú)其它分支，整個(gè)井身結(jié)構(gòu)呈“L”型的單支水平井(圖1)。且根據(jù)完井方式，該類(lèi)型水平井井底至井口的鉆完井井身結(jié)構(gòu)有兩種，一種是可壓裂改造的套管完井井身結(jié)構(gòu)：人工井底+D139.7mm鉆孔篩管一根+D139.7mm套管+分級(jí)箍+D139.7mm套管+套管頭；另一種是篩管完井井身結(jié)構(gòu)：人工井底+D139.7mm鉆孔篩管+分級(jí)箍+D139.7mm套管+套管頭。

圖1 L型水平井井身結(jié)構(gòu)剖面圖示

由于L型水平井井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及煤層氣井排水降壓要求，決定了在排水降壓時(shí)只能采用無(wú)桿排采方式。近年來(lái)，電潛螺桿泵舉升工藝作為適用性較強(qiáng)的一種無(wú)桿舉升工藝，在L型水平井中的應(yīng)用井?dāng)?shù)逐漸增加；但不同類(lèi)型的電潛螺桿泵工藝因其結(jié)構(gòu)功能的不同，在排采管柱及配套工藝方面均具有差異性。

本文結(jié)合ESPCP型電潛螺桿泵在沁水煤層氣田一口煤層氣L型水平井中的應(yīng)用，進(jìn)行了該型電潛螺桿泵系統(tǒng)配置、管柱設(shè)計(jì)及防串氣、防煤粉、防油管卡阻等配套工藝的應(yīng)用，形成了一種具有綜合性能的煤層氣L型水平井電潛螺桿泵用管柱，保證了電潛螺桿泵在該井的連續(xù)穩(wěn)定排采。

1 ESPCP型電潛螺桿泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介

ESPCP型電潛螺桿泵系統(tǒng)是一種無(wú)桿排采工藝，主要由地面智能排采控制系統(tǒng)、回注水地面控制系統(tǒng)、六通專(zhuān)用井口及井下泵組、配套線纜及線纜固定工具組成。

地面智能排采控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行頻率、電流、井底流壓等參數(shù)的采集、上傳、遠(yuǎn)程控制、參數(shù)預(yù)警及自動(dòng)啟停等功能(圖2)。

回注水地面控制系統(tǒng)包括變頻控制柜、地面小排量注泵和水箱，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)洗井回注水的流量和注水泵的啟?？刂?。

六通專(zhuān)用井口主要實(shí)現(xiàn)扁電纜、注水管、井下壓力計(jì)電纜的穿越及密封。

井下泵組由電機(jī)、減速器、保護(hù)器、撓性軸、電潛螺桿泵組成，實(shí)現(xiàn)井液的舉升。

配套線纜包括壓力計(jì)電纜、電機(jī)扁電纜及洗井管線，線纜固定工具包括D116mm三槽電纜扶正器(可實(shí)現(xiàn)三線纜固定及扶正)、剛帶及D121mm四爪扶正器(主要實(shí)現(xiàn)泵組位置電機(jī)電纜固定及扶正)。

圖2 ESPCP型電潛螺桿泵系統(tǒng)地面裝置照片

2 FH平9-1L井井況簡(jiǎn)介

FH平9-1L井為一口煤層氣L型水平井，預(yù)測(cè)該井最大產(chǎn)液量在30m3/d，最高產(chǎn)氣量在10000m3/d，在排采后期產(chǎn)液量為0.5m3/d；套管完井，套管外徑139.27mm，套管內(nèi)徑 124.26mm；投產(chǎn)前壓裂改造，產(chǎn)出水含有煤粉或出少量壓裂砂；井斜數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

3 FH平9-1L井電潛螺桿泵系統(tǒng)選型

3.1 泵深確定

ESPCP型電潛螺桿泵機(jī)組要求所處井段位置全角變化率≤3°/30m、井斜角78°～86°，結(jié)合該井井斜數(shù)據(jù)，確定該井螺桿泵下泵位置在斜深877.50m，該處井斜角82°，垂深750m，全角變化率2.5°/30m，確保螺桿泵機(jī)組的平穩(wěn)放置和平穩(wěn)運(yùn)行。

表1 FH平9-1L井井斜數(shù)據(jù)表

3.2 井下螺桿泵型號(hào)確定

該井預(yù)測(cè)最液量0.5～30m3/d，對(duì)于 0.5～30m3/d的產(chǎn)液范圍可以理解為：一是低揚(yáng)程和最大揚(yáng)程條件下產(chǎn)液量可能低至 0.5m3/d，二是解吸前(揚(yáng)程約 300～500m時(shí))產(chǎn)液量可能達(dá)30m3/d；根據(jù)煤層氣井排采經(jīng)驗(yàn)，選取揚(yáng)程800m、轉(zhuǎn)速300R/MIN時(shí)泵效60%的泵型(圖3、圖4)。

圖3 選定泵型泵效特征曲線圖

圖4 選定泵型不同轉(zhuǎn)速下的排量揚(yáng)程曲線圖

對(duì)于該泵型的轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程和排量，選取3個(gè)典型工況下的運(yùn)行點(diǎn)運(yùn)用相關(guān)計(jì)算軟件模擬結(jié)果如下：

情況1：在初期水量5m3/d，揚(yáng)程100m時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為50RPM；

情況2：對(duì)于泵深約800m的井，其解吸壓力一般在4～5MPa左右，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程即為300～400m，該泵在該揚(yáng)程條件下最大排量35m3/d，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為350RPM；

情況3：后期正常產(chǎn)氣階段，水量0.5m3/d，揚(yáng)程800m時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速160RPM。

理論上，該型號(hào)泵可實(shí)現(xiàn)最低產(chǎn)液量達(dá)到0，但考慮井下電機(jī)的散熱問(wèn)題，當(dāng)產(chǎn)液量低于0.5m3/d后，將開(kāi)啟回注水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)回注水，將實(shí)際的產(chǎn)液量控制在1～5m3/d左右。

綜上，對(duì)比各型號(hào)螺桿泵，最終確定該井采用65B1300型泵，根據(jù)公式1，該型螺桿泵最大排量為31m3/d。

Q=R×65÷6.29÷100

其中，Q，最大排量，m3/d；R，運(yùn)行轉(zhuǎn)速，r/min。

如果該井產(chǎn)液量大于30m3/d，則依據(jù)綜合分析預(yù)測(cè)產(chǎn)液量后更換大型號(hào)螺桿泵。

3.3 井下驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率確定

運(yùn)用相關(guān)計(jì)算軟件模擬，根據(jù)揚(yáng)程400m和800m時(shí)不同產(chǎn)液與轉(zhuǎn)速下的總功率 (表2，表3)，由于消耗總功率不超所用電機(jī)額定功率的80%，同時(shí)根據(jù)常用電機(jī)功率型號(hào)，選取井下驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為11kW。

表2 揚(yáng)程400m時(shí)不同轉(zhuǎn)速及排液量下的總功率計(jì)算表

表3 揚(yáng)程800m時(shí)不同轉(zhuǎn)速及排液量下的總功率計(jì)算表

4 FH平9-1L井電潛螺桿泵管柱及配套工藝

4.1 油管優(yōu)選

配套應(yīng)用三槽電纜扶正器外徑116mm，內(nèi)徑60mm，選用D60mm平式油管作為井下液流通道；在井斜角大于60度至螺桿泵頂端的井段應(yīng)用D60mm倒角平式油管(油管接箍加工成3×45°導(dǎo)角)，總長(zhǎng)度為145.16m，防止管串在經(jīng)過(guò)大井斜角(60°～90°之間)井段時(shí)油管接箍與套管之間的刮蹭或卡阻，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 配套工藝設(shè)計(jì)

(1)倒置倒流罩防串氣工藝

整體管柱吸入口在螺桿泵底部，通過(guò)倒置導(dǎo)流罩與螺桿泵泵體的組合結(jié)構(gòu)改變流體的流向，氣液混合流體經(jīng)過(guò)導(dǎo)流罩，由于重力的作用液體向下進(jìn)入螺桿泵吸入口，氣體向上從套管排出，起到氣液分離作用，達(dá)到防串氣目的(圖5)。

圖5 倒置倒流罩防串氣原理示意圖

根據(jù)導(dǎo)流罩底端至頂端開(kāi)口處最小垂深1m的原則，結(jié)合該井井斜數(shù)據(jù)，選用三根5m的無(wú)接箍?jī)?nèi)扣導(dǎo)流罩，導(dǎo)流罩底端位置在斜深877.5m(垂深750m)，導(dǎo)流罩頂端開(kāi)口位置在斜深862.5m(垂深748.6m)，最終導(dǎo)流罩底端至頂端開(kāi)口處垂深1.4m，可達(dá)到防串氣目的。

(2)注水管回注水防煤粉工藝

導(dǎo)流罩頂端開(kāi)口至井口應(yīng)用D25mm洗井管，結(jié)合地面洗井裝置可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流罩與螺桿泵環(huán)空內(nèi)的煤粉清理，同時(shí)在排采后期日產(chǎn)液量小于0.5m3階段可循環(huán)回注清水使產(chǎn)液量維持在1～5m3/d，確保電潛螺桿泵系統(tǒng)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)

(3)三凹槽管線固定工藝

應(yīng)用三凹槽設(shè)計(jì)的D116mm電纜扶正器(長(zhǎng)度21cm)，將電機(jī)電纜、D25mm注水管、壓力計(jì)電纜用一個(gè)電纜保護(hù)器固定在油管上，且一根油管僅用一個(gè)電纜保護(hù)器實(shí)現(xiàn)拉直、固定三種管線的功能，方便操作，減少了各種管線固定工具的使用量，降低了井筒故障風(fēng)險(xiǎn)及投資成本。

圖6 FH平9-1L井電潛螺桿泵管柱示意圖

將以上各種不同功能的井下工藝工具組合應(yīng)用，形成了該井的綜合性能管柱(圖6)。從井下電機(jī)到油管掛的管柱結(jié)構(gòu)及各井下工具位置為：D114mm電機(jī)(型號(hào)450SP)×1.40m+D108mm減速器×0.51m+D102mm保護(hù)器×2.02m+D102mm撓性軸×2.65m+D73mm電潛螺桿泵(型號(hào)65B1300)×2.89m+D60mm平式油管短節(jié)×2根×3.04m (2.02m×1根+1.02m×1根)+D60mm平式油管短節(jié)×2根×9.44m(4.72m×2根)(短節(jié)外套D102mm導(dǎo)流罩×3根×14.88m，每根4.96m，短節(jié)在導(dǎo)流罩上方外露0.42m)+D60mm單流閥×0.18m+D60mm平式油管短節(jié)×1根×1.73m+D60mm平式油管短節(jié)×1根×4.79m+D60mm壓力計(jì)托筒(最大外徑D95mm)×1.02m+D60mm倒角平式油管×15根×145.16m+D60mm平式油管×78根×702.30m+D60mm平式油管短節(jié)×1根×4.90m+D60mm油管雙公×0.06m+油管掛×0.18m+油補(bǔ)距×1.81m。配套管線及固定工具位置分別為：四爪扶正器3個(gè)，分別下在電機(jī)和減速器之間1個(gè)，位置在882.68m，最大投影外徑D121mm,減速器和保護(hù)器之間一個(gè),位置在882.17m，最大投影外徑D116mm，保護(hù)器撓性軸之間1個(gè)，位置在880.15m,最大投影外徑D116mm；鋼帶9個(gè)，最大投影外徑D116mm，分別在減速器中部1個(gè)，保護(hù)器上2個(gè)，撓性軸上1個(gè)，第1根導(dǎo)流罩上1個(gè)，第2根導(dǎo)流罩上2個(gè)，第3根導(dǎo)流罩上1個(gè)，導(dǎo)流罩上部短節(jié)1個(gè)；電纜保護(hù)器(長(zhǎng)度21cm，外徑D116mm)98個(gè)，在壓力計(jì)托筒上下接箍各1個(gè)，托筒以上每根接箍處1個(gè)至井口；扁電纜線連接在電機(jī)上口處，扁電纜接頭固定在導(dǎo)流罩以上D60mm油管短節(jié)中部，D25mm注水管插在導(dǎo)流罩頂部吸入口；壓力計(jì)底部離托筒底部0.15m；壓力計(jì)及電纜一套，注水管一套，電機(jī)小扁電纜一套全部隨管柱一同下入井內(nèi)。

5 應(yīng)用效果

該井于2018.5.15～5.18號(hào)順利下泵完井，下泵過(guò)程中無(wú)管柱卡阻現(xiàn)象發(fā)生；2018.5.29日正常啟抽，截至目前正常排采220天，目前日產(chǎn)液10.4m3，日產(chǎn)氣3160m3，井底流壓1.50MPa，套壓0.81MPa，滿足連續(xù)穩(wěn)定的排采降壓需求(圖7)。

圖7 FH平9-1L井排采曲線