液力驅(qū)動(dòng)無(wú)桿泵排采技術(shù)在保-平10水平分支井的應(yīng)用

閆永維，李志廣，劉 凱，李風(fēng)濤，張子佳

(1.中國(guó)石油大港油田 石油工程研究院，天津 300280； 2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司 工程技術(shù)研究院，西安 710000)

保-平10井是中石油煤層氣忻州分公司位于山西保德縣的一口水平分支井，通過總結(jié)該井近年的生產(chǎn)情況，存在4方面的問題：①供液不穩(wěn)定。日產(chǎn)液由2020-02-08的5.65 m3/d降至2020-07-24的0.45 m3/d，動(dòng)液面由2020-02-08的596.45 m變化至2020-07-24的586.54 m；②易卡泵停機(jī)。該井于2017-08-18因供液不足檢泵完成，隨后正常啟抽，有效排采839 d后，于2019-12-05日發(fā)現(xiàn)卡泵停機(jī)。作業(yè)隊(duì)需首先對(duì)該井實(shí)施解卡作業(yè)，若解卡成功則作業(yè)車仍需高沖次試抽1～2 h，緩解煤粉沉淀對(duì)泵閥的影響。若解卡失敗則進(jìn)行檢泵作業(yè)。于2020-07-29發(fā)現(xiàn)卡泵停機(jī)，下沖程距離上死點(diǎn)30 cm處卡泵，需要檢泵；③泵掛水平段桿管偏磨嚴(yán)重。保-平10水平井原井內(nèi)為?73 mm平式油管配套?38 mm×3 m多級(jí)分段桿式抽油泵，下泵深度為650 m；④產(chǎn)氣量波動(dòng)大。2020-02-08—2020-07-24日產(chǎn)氣在356～1 225 m3/d之間波動(dòng)。該井后期動(dòng)液面585 m，泵掛深度650 m,但產(chǎn)液僅為0.45 m3/d。針對(duì)煤層氣保-平10水平井使用有桿泵排采工藝，桿管偏磨、排采泵效率低、能耗高、檢泵周期短等問題，經(jīng)過反復(fù)論證，在上下行程換向、井口限壓、煤粉自清潔、自攜液舉升4個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，形成了具有煤層氣特色的液力驅(qū)動(dòng)無(wú)桿泵排水采氣工藝技術(shù)。

1 液力驅(qū)動(dòng)無(wú)桿泵排采方案設(shè)計(jì)

地面動(dòng)力泵液壓驅(qū)動(dòng)井下活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)井下抽油泵排液(如圖1)。空心桿輸送動(dòng)力液，油管與空心桿環(huán)空為產(chǎn)出液通道，套管與油管環(huán)空為氣體通道，地面換向閥控制井下抽油泵的換向。上行程時(shí)，動(dòng)力液進(jìn)入液缸，下行程時(shí)，進(jìn)入液缸的動(dòng)力液返回水箱，動(dòng)力液反復(fù)利用，與產(chǎn)出液不混合。活塞行至液缸最上端時(shí)，柱塞從泵筒內(nèi)脫出，動(dòng)力液通道與產(chǎn)出液通道打通，能夠沖洗煤粉，防止煤粉堵泵，同時(shí)解決抽油泵氣鎖問題。隨著產(chǎn)氣量的上升，產(chǎn)水量的下降，達(dá)到自噴產(chǎn)氣時(shí)，上提桿式泵0.5 m，上、下插入密封均脫出，氣攜水走空心桿，實(shí)現(xiàn)速度管自噴。

圖1 液力驅(qū)動(dòng)無(wú)桿泵排采4種狀態(tài)

2 井液力驅(qū)動(dòng)排采結(jié)構(gòu)組成

液力驅(qū)動(dòng)排水采氣裝置主要由地面動(dòng)力站撬裝(如圖2)和井下設(shè)備組成。

圖2 液力驅(qū)動(dòng)無(wú)桿泵排采地面流程

地面動(dòng)力站撬裝主要由動(dòng)力泵、換向閥、節(jié)流閥、蓄能器、電控柜、水箱、補(bǔ)液閥、定壓閥等組成。

井下設(shè)備主要由液壓缸、特種桿式泵等組成，在上下行程換向、井口限壓、煤粉自清潔、自攜液舉升4個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用井口限壓產(chǎn)生液力反饋并驅(qū)動(dòng)無(wú)桿泵下行程，避免水平井桿管偏磨。

3 液力驅(qū)動(dòng)排采管柱設(shè)計(jì)

保-平10水平分支井液力驅(qū)動(dòng)排采管柱由內(nèi)、外管組成，外層管柱結(jié)構(gòu)組合由下至上依次為：?73 mm平式母絲堵+?73 mm×9.6 m平式油管+?73 mm篩管×1.5 m+?73 mm篩管×1.5 m+?73 mm液力驅(qū)動(dòng)式管式泵外管(內(nèi)懸掛?38 mm泵筒)9.6 m+?102 mm液力驅(qū)動(dòng)式管式泵總成(包括空心桿插入密封總成+液缸總成+柱塞總成)10 m+?73 mm平式油管400 m+?73 mm回音標(biāo)+?73 mm平式油管240 m+?73 mm平式油管懸掛器，如圖3所示。

圖3 保-平10水平分支井管柱結(jié)構(gòu)

內(nèi)層空心桿管柱結(jié)構(gòu)組合由下至上依次為：密封插管1.4 m+插管變扣0.2 m+?36 mm空心抽油桿及短節(jié)640.8 m+懸掛密封管2.4 m。插管變扣設(shè)有錐形坐落臺(tái)階，坐落密封在空心桿插入密封總成臺(tái)階上，調(diào)節(jié)?36 mm空心桿長(zhǎng)度，在錐形坐落臺(tái)階上壓全部載荷，坐好井口錨定密封提升裝置， 懸掛密封管高出井口錨定密封提升裝置上端面0.2～0.3 m。

4 液力驅(qū)動(dòng)排采工作程序

調(diào)節(jié)蓄能器壓力，動(dòng)力端蓄能器I調(diào)節(jié)至4 MPa，無(wú)桿泵出口回壓端蓄能器II調(diào)節(jié)至2 MPa。連接管線灌水排除管路中的氣體。采氣樹密封懸掛部位端口與撬裝動(dòng)力管線連接好，產(chǎn)液出口端通過小四通，其中一個(gè)出口與回壓蓄能器II連接，小四通另一個(gè)出口連接定壓閥，底部連接水箱，使泵內(nèi)灌滿水。液缸灌滿水，換向閥調(diào)至左位狀態(tài)。調(diào)節(jié)出口端定壓閥壓力初始狀態(tài)為2 MPa，無(wú)桿泵出口回壓即為2 MPa。通過換向電機(jī)調(diào)節(jié)換向閥換向時(shí)間，即調(diào)節(jié)沖次。換向閥的沖次定好后，通過調(diào)節(jié)動(dòng)力泵的排量即可調(diào)節(jié)無(wú)桿泵在行程。開始試驗(yàn)，先啟動(dòng)換向閥電機(jī)，看換向閥運(yùn)行狀態(tài)，觀察換向閥是否為設(shè)定的換向時(shí)間。換向閥運(yùn)行正常后，調(diào)節(jié)換向閥出口端節(jié)流閥為全開狀態(tài)，開啟動(dòng)力泵，進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量節(jié)流閥出口的回液量，即可判斷無(wú)桿泵及液缸的行程。測(cè)量定壓閥的出液量，即可得出無(wú)桿泵在該沖程、沖次下的日產(chǎn)液量。

剛開始時(shí)無(wú)桿泵出口端蓄能器II未蓄能，無(wú)桿泵前幾個(gè)行程未能到達(dá)下死點(diǎn)。隨著無(wú)桿泵不斷地抽吸，無(wú)桿泵出口端壓力逐漸升高，換向后，液缸回液通過節(jié)流閥直接排向水箱，幾個(gè)行程后，無(wú)桿泵便能回到下死點(diǎn)，正常工作。通過調(diào)節(jié)無(wú)桿泵出口蓄能器的壓力、定壓閥的壓力及換向閥出口節(jié)流閥的流量，即可調(diào)節(jié)液缸下行程的時(shí)間。

5 問題解決情況及后期自噴生產(chǎn)

本次保-平10井采用液力驅(qū)動(dòng)?70 mm/?38 mm無(wú)桿泵排采，泵掛在主井眼的深度為650 m，泵掛處井斜接近80°，于2020-09-03開機(jī)啟動(dòng)，沖次為2 min-1，控制柜變頻器的頻率調(diào)到20 Hz時(shí)產(chǎn)液量可達(dá)到15 m3/d,初期產(chǎn)氣量500 m3/d，可有效解決前言中提出的4個(gè)問題(如表1)。隨著產(chǎn)氣量的上升，產(chǎn)水量的下降，保-平10井選用KG36型空心抽油桿為內(nèi)層管，當(dāng)達(dá)到自噴產(chǎn)氣量1 400 m3/d時(shí)，上提桿式泵2 m，空心桿最下端的插入頭脫出，泵上端的橋通主體實(shí)現(xiàn)內(nèi)外連通，氣攜水在空心桿內(nèi)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)速度管自噴(自噴條件如表2所示)，降低生產(chǎn)成本，提高煤層氣生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

表1 解決方案

表2 速度管攜液自噴條件(入口溫度為40 ℃時(shí)，最小實(shí)現(xiàn)自攜液所需產(chǎn)氣量的理論值)

續(xù)表2

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)煤層氣保-平10水平井使用有桿泵排采工藝中桿管偏磨、排采泵效率低、能耗高、檢泵周期短等問題，在上下行程換向、井口限壓、煤粉自清潔、自攜液舉升4個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，形成了具有煤層氣特色的液力驅(qū)動(dòng)無(wú)桿泵排水采氣工藝技術(shù)。液力驅(qū)動(dòng)無(wú)桿泵排水采氣技術(shù)在中石油煤層氣忻州分公司的保-平10井得到成功應(yīng)用，標(biāo)志著液力驅(qū)動(dòng)無(wú)桿泵排水采氣工藝在煤層氣水平井上首次應(yīng)用成功，工藝適用范圍廣、一次性投入低、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、節(jié)能環(huán)保效果好，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著該項(xiàng)技術(shù)的規(guī)模推廣應(yīng)用，將會(huì)產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。