延川南煤層氣井無損智能間抽技術(shù)研究

葛靜濤，姚榮昌，馬繼勝

（中國石化華東油氣分公司臨汾煤層氣分公司，山西臨汾041000）

延川南煤層氣田作為中國石化唯一的煤層氣田，是目前國內(nèi)開發(fā)深度最深的煤層氣田，在經(jīng)歷5 a的勘探評價和開發(fā)準備后，于2013年啟動5×108m3產(chǎn)能建設(shè)。延川南煤層氣井開發(fā)進入產(chǎn)氣階段后，目前大部分井日產(chǎn)液量逐漸減少，其中有90%的井進入供液不足期，最低沖次0.2次/min，不能滿足煤層氣“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定、長期”排采要求，且泵效明顯下降，導(dǎo)致活塞在泵筒里干磨，容易損壞泵，同時檢泵周期縮短，增加作業(yè)費用；泵效降低還導(dǎo)致電能的浪費，增加煤層氣井排采費用[1]。

1 智能間抽技術(shù)現(xiàn)狀及創(chuàng)新點

為了解決抽油機在低滲透油田運行時因供液不足引起的空抽、干磨等一系列問題，間抽技術(shù)屢有應(yīng)用。2003年3月，美國得克薩斯電子資源公司發(fā)表了“抽空控制已經(jīng)是一個成熟的技術(shù)”，標志著油井采用時鐘和電子定時器控制間抽技術(shù)已經(jīng)到達了成熟的階段。由于煤層氣開采的特殊性，現(xiàn)有的定時間抽技術(shù)在煤層氣開采中的應(yīng)用受到限制，定時間抽對煤層氣的解吸、滲流會產(chǎn)生很大的影響。2016年，在夏店區(qū)塊對動液面在煤層以下的井采用了間抽技術(shù)[2]，提高了部分井的機采效率，但對于動液面在煤層氣以上需要控流壓生產(chǎn)的井并沒有應(yīng)用先例。

延川南區(qū)塊目前供液不足的井占總井?dāng)?shù)的49.78%，而在這些供液不足的井中幾乎均采用控套壓穩(wěn)流壓生產(chǎn)，采用低沖次，日產(chǎn)液控制在1 m3以下，這部分井常出現(xiàn)“干磨”泵、偏磨嚴重、產(chǎn)液速度過慢、煤粉無法攜帶出井筒等問題，因此，研究不影響地層壓力擾動的間抽方式是解決此類問題的方法之一[3]。

針對延川南深煤層的開發(fā)特點，嚴格遵守煤層氣開采八字方針“緩慢、穩(wěn)定、長期、持續(xù)”[4-5]，從煤層氣的滲流機理入手，利用井下壓力計、井場視頻監(jiān)控、井口壓力傳感器、抽油機變頻器等自動化采集和控制設(shè)備，綜合考慮設(shè)備運行安全、井下泵筒防卡、市電峰谷計價等因素，在減小地層壓力波動的前提下實現(xiàn)智能間抽。

2 定時間抽對煤層氣生產(chǎn)的影響因素分析

延川南煤層氣田開采的是二疊系山西組2號煤層，構(gòu)造簡單、地層平緩，譚坪構(gòu)造帶儲層埋深800～1 000 m，萬寶山構(gòu)造帶儲層埋深1 000～1 500 m，煤相以中位泥炭森林沼澤相為主[6-7]，宏觀煤體結(jié)構(gòu)以原生-碎裂煤為主，含氣量平均12 m3/t，孔隙度3.0%～6.7%，滲透率（0.01～0.48）×10-3μm2，壓力系數(shù)0.5～0.8，生物碎屑含量15%～30%，水動力條件為較弱徑流-高壓滯留區(qū)，屬低孔、低滲、低壓煤層氣藏[8]。

煤層氣的排采是通過排出地層水，降低地層孔隙壓力，實現(xiàn)井筒近井地帶與地層遠端壓力差變大，在保持地層壓差處于動態(tài)平衡狀態(tài)時，地層水與煤層氣在儲層中形成解吸—滲流—采出—降壓—解吸兩相流的動態(tài)循環(huán)。保持這種動態(tài)循環(huán)從而保障煤層氣的產(chǎn)能[9]。而常規(guī)的定時間抽在不適當(dāng)?shù)臅r刻停抽時會造成排采中斷，地層水停止?jié)B流，煤儲層孔隙度、滲透率等物性參數(shù)的穩(wěn)定變化受到抑制，導(dǎo)致壓力擴散波及范圍縮小，此外還可能造成降壓漏斗不能夠順利擴展，如果恢復(fù)排采，則需要較長的排水時間，導(dǎo)致產(chǎn)氣效率降低。地層水極易將煤層裂隙填充，從而導(dǎo)致氣流阻隔，地層壓力回升，煤層中甲烷被再次吸附[10]。

3 無損智能間抽原理

無損智能間抽即是在不傷害儲層不影響產(chǎn)量的前提下實現(xiàn)間抽。通過分析間抽影響煤層氣生產(chǎn)的因素可知，間抽在停抽和啟抽時不影響或減少井底流壓的波動，即可避免降壓漏斗的擴展，防止產(chǎn)生速敏、氣鎖等影響[11]。結(jié)合延川南目前生產(chǎn)情況，可把需要間抽的井分為兩類：一類是動液面已經(jīng)降到煤層或煤層以下，地層供液不足，液面深度滿足不了機抽的沉沒度，需要間抽；另一類是液面在煤層以上，地層供液能力減小，氣井進入遞減期，為了提高采收率減緩遞減速率，采用間抽控制液面下降速度，即控制流壓生產(chǎn)。

對于第一類井，只需要把動液面控制在煤層以下，啟抽時間設(shè)定為動液面在產(chǎn)層下底板時，停抽時間設(shè)定為動液面在泵的吸入口附近，柱塞停在上止點防止煤粉卡泵[12]。因停抽和啟抽時，動液面均不與產(chǎn)層在同一個壓力系統(tǒng)下，所以間抽不影響產(chǎn)層流體壓力的變化，可實現(xiàn)無損間抽。

對于第二類井，據(jù)現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)的收集和整理可知，在停井后壓力并不是立刻傳遞到地層遠端，而是在流壓上升一段時間后，上升速率逐漸降低（圖1）。由此可以判斷，在停抽時，壓降漏斗還在向遠端擴散[13]，只是速率在不斷減小，當(dāng)井筒近井地帶的壓力變化率趨于水平時，壓降漏斗才停止傳遞，如果在此時之前啟抽，即可保證壓降漏斗的擴散不停。

圖1 間抽流壓變化曲線Fig.1 Curve of flow pressure variation for intermittent pumping

4 無損智能間抽的實現(xiàn)

煤層氣開采主要是控流壓排水采氣，無損智能間抽必須實時獲取準確的井底流壓或者動液面值。因此，建議對采用無損間抽的井，在泵筒的下方安裝井下壓力計，在實時測得流壓的同時也可以獲得泵筒下方的井溫，在發(fā)生“干磨”的現(xiàn)象時，泵筒溫度會上升，此時可以通過井下壓力計獲取的井溫變化來判斷是否發(fā)生“干磨”的現(xiàn)象。

根據(jù)無損間抽的原理，井場采用PLC控制器控制抽油機的啟停，為減輕前端控制器的運算量[14]，在延川南采用了OPC服務(wù)提取單井PLC數(shù)據(jù)，通過上位機服務(wù)器[15-17]。根據(jù)單井的井況統(tǒng)一運算，綜合分析后，分別下達指令實現(xiàn)無損智能間抽[18]。

實現(xiàn)遠程啟動抽油機時，在抽油機運動部件區(qū)域內(nèi)可能有人或動物，存在安全風(fēng)險，因此，在抽油機周邊設(shè)定電子圍欄，通過攝像頭SDK反饋的信息程序判斷井場是否有人或動物[19]。在啟抽前如發(fā)現(xiàn)電子圍欄內(nèi)有人和動物，必須停止啟抽并喊話驅(qū)趕[20]。在確定電子圍欄內(nèi)沒有人和動物時再啟抽。

第一類煤層氣井只需要控制動液面在煤層產(chǎn)層底板以下，結(jié)合市電峰谷電價選擇在峰電價時停抽，再實時讀取井下壓力計的壓力、溫度，由上位機進行邏輯計算，控制流程如圖2。動液面計算方法：

式中：h為動液面深度，m；p為井下壓力計讀數(shù)，MPa；p2為套壓，MPa；h1為井下壓力計下深（垂深），m；h0為煤層下底板垂深，m。

第二類煤層氣井啟抽時間參考值主要是動液面的變化率，井下壓力計的數(shù)據(jù)讀取頻次可達到1次/s，為了數(shù)據(jù)更為精確判斷動液面的變化率，每10 s取一次井下壓力計數(shù)據(jù)，取前后5個數(shù)據(jù)點采用最小二乘法做曲線擬合[21]，即可得到動液面的變化曲線的線性表達式，將線性表達式求一階導(dǎo)數(shù)做為動液面的變化率K值，當(dāng)K=0時即為動液面變化率趨近于水平，此時為啟抽時間，控制流程如圖3。

圖2 第一類程序Fig.2 Process type Ⅰ

圖3 第二類程序Fig.3 Process type Ⅱ

5 現(xiàn)場應(yīng)用

延A井于2014年4月采用抽油機投產(chǎn)，煤層中深1 431.30 m，煤層厚4.6 m，管式泵下入深度1 452.2 m，泵吸入口在煤層底板下兩根油管處。該井在連續(xù)產(chǎn)氣1 a 后出現(xiàn)供液不足，動液面降到煤層以下，井底流壓為0 MPa，產(chǎn)氣量出現(xiàn)波動。在采用無損智能間抽后，每天工作約2 h，產(chǎn)液約0.5 m3，系統(tǒng)自動判斷停抽和啟抽時間，始終控制動液面在煤層以下，采用這種控制方法得到延A井排采綜合曲線如圖4。

圖4 延A井排采綜合曲線Fig.4 Comprehensive recovery curve of well-Yan-A

延B井于2014年9月投產(chǎn)，日產(chǎn)液在1 m3以下，地層產(chǎn)液量小，見氣后控套壓生產(chǎn)，在采用無損間抽后，井底流壓和套壓均得到有效控制，日產(chǎn)氣量進入穩(wěn)產(chǎn)期。采用這種控制方法得到延B井排采綜合曲線如圖5。

圖5 延B井排采綜合曲線Fig.5 Comprehensive recovery curve of well-Yan-B

6 結(jié)論

1）利用井下壓力計、井場視頻監(jiān)控、井口壓力傳感器、抽油機變頻器等自動化采集和控制設(shè)備，綜合考慮設(shè)備運行安全、井下泵筒防卡、市電峰谷計價等因素，針對延川南不同井況的低產(chǎn)液井，采用無損智能間抽技術(shù)，均取得較好效果。

2）無損智能間抽技術(shù)避免了間抽對煤層氣產(chǎn)能的影響，有效延長了延川南低產(chǎn)液井的穩(wěn)產(chǎn)期，降能提效、延長設(shè)備使用壽命，提高了煤層氣的采收率；

3）該技術(shù)實現(xiàn)了煤層氣間抽井無人值守定期巡井的管理方式，提高了排采井管理效率，為煤層氣的效益開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。