煤層氣L型井隔膜泵舉升及配套技術研究*

秦紹鋒 曹愛娟 付 鑫 顧根堂 譚章龍

(1.中聯(lián)煤層氣有限責任公司 2.中海石油(中國)有限公司非常規(guī)油氣分公司3.中石化中原石油勘探局有限公司燃氣技術服務分公司 4.中石油測井有限公司遼河分公司)

0 引 言

近年來，受開采煤層氣地面條件及降低建井綜合成本的迫切需要，沁南煤層氣田大規(guī)模應用了L型水平井鉆完井技術，并通過采用地面驅動螺桿泵主體工藝，配套減阻、扶正、防偏磨、井下氣液分離、回注水井筒稀釋煤粉及自動控制等技術[1]，較好地實現(xiàn)了煤層氣排采的“八字方針”，整體產氣效果良好。但隨著此舉升工藝技術不斷地實踐，暴露出了一些亟待解決的問題：①管桿的偏磨仍需進一步改善，雖然配套了減阻、扶正及桿導向等技術，但由于井下管桿受力條件復雜，管桿偏磨普遍存在，甚至仍然存在油管被磨穿的現(xiàn)象；②在井筒煤粉嚴重的惡劣條件下，仍然存在煤粉卡泵而停機較多的問題，因為煤層自身產水量較低時，為控制井筒液面平穩(wěn)，主動采取了降低轉速或間抽的生產方式，造成螺桿泵因攜煤粉能力變弱和煤粉沉積而發(fā)生卡泵；③對產水量較小的井適應性差，轉速過低，泵效大幅下降，井口不產液，轉速稍提高，液面快速下降，違背了煤層氣平穩(wěn)降液的生產要求，同時轉子空轉，容易造成定子高溫燒泵停機；④在貫徹科學發(fā)展和節(jié)約資源的基本國策方面，進一步降低地面驅動螺桿泵舉升工藝的電力消耗也是企業(yè)發(fā)展中要考慮的重要問題。

以存在的問題為導向，舉升工藝總體如果要滿足低產水煤層氣井，那么不僅應進一步解決管桿偏磨問題，應對井筒煤粉有較強的適應性，而且還應滿足節(jié)能的要求?，F(xiàn)有舉升工藝中，無桿泵能夠徹底解決管桿偏磨問題[2-3]，也是未來大斜度井舉升工藝的發(fā)展方向[4-7]。其中同心管水力射流泵和氣舉工藝在煤層氣田做過試驗[8-9]，但這兩種工藝需要地面配套注水泵或壓縮機等高能耗設備，存在占地面積大、地面工藝復雜以及地面噪聲大等不利因素。而隔膜泵舉升工藝在國外油田低產井已有應用，主要集中在俄羅斯和阿塞拜疆[10-11]；在國內大慶油田和長慶油田近幾年也進行過試驗，效果良好[12-14]。但國內外未見隔膜泵在煤層氣田試驗的報道，為此開展了煤層氣井隔膜泵舉升及配套工藝技術研究，并在沁南盆地2口煤層氣L型井中應用，該技術消除了管桿偏磨，降低了能耗，應用效果良好。

1 技術分析

1.1 工藝總體思路

無桿泵能夠徹底解決偏磨，容積式泵可增強對井筒煤粉的容耐性，故工藝總體思路為：選擇以容積式無桿泵舉升為主體工藝，下至?177.8 mm(7 in)技術套管內，位于?114.3 mm(4in)生產套管懸掛器之上，并輔以其他配套技術。

目前，容積式無桿泵有螺桿泵、離心泵及隔膜泵等。其中：電潛離心泵適合大產量井，因能耗太高且對地面設備要求高，故不適宜采用；電潛螺桿泵的井下電機直接驅動轉子運轉，具有能耗低的優(yōu)點，但和地面驅動螺桿泵相同，低產水時存在轉速低、間抽方式不能解決平穩(wěn)降液和卡泵風險等問題；電潛隔膜泵具備了電潛螺桿泵的優(yōu)點，同時因運動部件不與井液接觸，不存在卡泵的風險，故選用電潛隔膜泵舉升作為主體工藝。

由于隔膜泵的隔膜腔室受氣體影響較大，容易造成氣鎖后不排出井液，故配套技術中需要考慮井下氣液分離；同時，舉升井液中煤粉的增多會增大隔膜舉升的水頭壓力，對泵效及隔膜的壽命造成一定影響，故也要考慮煤粉和井液的分離，以減小舉升水頭壓力，提高舉升能力和延長泵的工作時間。

此外，為滿足煤層氣排采連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定及長期降低井底流壓的生產要求，需要配套回注水、井下流壓監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)等配套技術。

1.2 系統(tǒng)組成

電潛隔膜泵系統(tǒng)由地面系統(tǒng)、井下管柱和井下隔膜泵機組等3個部分組成。隔膜泵工藝管柱關鍵部位結構如圖1所示。

1—進液閥總成；2—出液閥總成；3—隔膜泵上接頭；4—螺旋葉片；5—金屬濾網；6—篩管；7—三相分離器中間連接接箍；8—密封座；9—橡膠密封件；10—中線管；11—密封壓緊件；12—防砂導流罩。

1.3 工藝原理

地面系統(tǒng)供電，經動力電纜將電能傳遞至井下電機，電機啟動并帶動直角減速器旋轉，直角減速器帶動偏心輪旋轉，偏心輪帶動柱塞做上下往復運動，從而使上部彈簧壓縮和復位，最終形成隔膜的壓縮和復位運動。由于隔膜的往復“呼吸”運動，進液閥和出液閥分別打開和關閉，實現(xiàn)隔膜腔內的進液和出液舉升動作。當隔膜泵進液閥打開時，出液閥關閉，油套環(huán)空液從篩管進入，經螺旋葉片，受自身重力的作用，實現(xiàn)氣液分離，氣體向上聚集并從篩管上部的排氣孔排出到油套環(huán)空，液體向下經隔膜泵進液閥進入隔膜腔室；當隔膜泵出液閥打開時，進液閥關閉，隔膜腔室內的井液經出液閥向上進入中心管內；進液閥和出液閥連續(xù)工作，中心管的井液不斷向上被舉升，當井液流動到中心管上端面后，通過側向導流口進入油管內，由于流動截面增大，流速降低，井液攜帶煤粉能力減弱，在此處進行固液分離，煤粉逐漸沉積在密封座以上中心管與油管的環(huán)空內。而井液繼續(xù)向上直至被舉升至地面。

1.4 舉升工藝設計

1.4.1 地面工藝設計

地面系統(tǒng)由集成控制柜、井口及回注水箱等組成。其主要功能為電路控制、多纜線井口穿越連接井下、備用回注水、集水和集氣。地面工藝流程如圖2所示。

1—控制柜；2—上部井口；3—水表；4—水箱；5—注水管線；6—下部井口；7—套壓表；8—氣流量表；9—電纜電線；10—放空火炬。

地面控制柜為戶外型，無需額外防護措施，具備遠程監(jiān)測、參數調整和啟停功能。控制柜工作溫度為-60～50 ℃，相對濕度100%(25 ℃以下)，工作頻率50 Hz，供電電壓380 V±38 V。地面井口為專用井口，其上法蘭盤采用了“井口電纜穿越”技術，設置有回注管線、井下壓力計電纜及隔膜泵動力電纜穿越口。水箱為簡易型，可備1 m3清水。地面井口集水管線上設有水表，集氣管線上設有氣流量表，套管另一端設有套壓表。

1.4.2 舉升工藝井下管柱設計

本設計采用了以電動潛油隔膜泵為主體并配套舉升工藝井下管柱(見圖3)的形式。井下管柱包括油管、泄流器、井下三相分離裝置及壓力計托筒。氣液固在井筒內分離。起管時，井下管柱具有環(huán)境保護、連接井口及隔膜泵機組的作用。井下隔膜泵機組包括導鞋、補償器、電機、傳動體及隔膜體。另外，油管外壁配套油管扶正器及單/雙聯(lián)保護器，以保護回注水管線、壓力計電纜及動力電纜。

1—單聯(lián)保護器；2—回注水管線；3—雙聯(lián)保護器；4—泄流器；5—壓力計電纜；6—篩管；7—動力電纜；8—壓力計；9—壓力計托筒；10—隔膜體；11—傳動體；12—電機；13—補償器；14—導鞋。

2 關鍵技術

2.1 電潛隔膜泵機組

隔膜泵機組選用電驅動的潛油隔膜泵，將電機放置在井下，直接驅動電機運轉，可有效降低能耗。其中的傳動體由傳動軸、軸向錐齒輪、徑向錐齒輪、凸輪、柱塞、襯套、滑閥、泄油閥、進油閥和彈簧等組成。隔膜體內裝有橡膠隔膜(將潤滑油與舉升井液隔開)、進液閥總成及出液閥總成。該泵機組實際上是一種單獨工作的柱塞泵，其排量取決于柱塞直徑、行程和沖數(電源頻率)。通過安裝不同直徑的柱塞或頻率可控制排量大小。隔膜泵優(yōu)點是執(zhí)行部件通過橡膠隔膜與泵送介質的隔離，這些部件在充滿純凈潤滑油的密封腔內工作。這種油還起工作液的作用，在柱塞泵的作用下推動液力驅動的隔膜“呼吸”工作。

本設計選用的電潛油隔膜泵機組外徑117 mm，排量4 m3/d，揚程1 600 m，裝機額定功率3 kW，長度3.1 m，質量125 kg。

2.2 井下三相分離裝置

井下三相分離裝置(見圖1)主要由篩管短節(jié)、金屬濾網(可選)、中心管、螺旋葉片、密封總成、防砂導流罩和沉砂杯(位于油管與中心管的環(huán)空)組成。篩管短節(jié)外壁均勻分布有圓孔，下部具有進液通道，上部為排氣通道?？筛鶕枰x擇是否在篩管外壁包裹金屬濾網，若井筒內黏性煤泥較多，建議去掉濾網，避免金屬濾網被堵塞。篩管之下中心管外壁分布有螺旋葉片，其作用為更好地進行氣液分離。密封總成由密封座、橡膠密封體和密封壓緊件組成，具有封堵中心管和油管上、下環(huán)空的作用。防砂導流罩結構簡單，通過螺紋連接在中心管的上部，將中心管上部封堵，防止生產時或停機后上部液體中的煤粉下沉進入中心管內部，造成開機舉升不暢或堵死后無法舉升的問題；同時，防砂導流罩的側面設有導流口，隔膜泵出液閥排出后的井液經導流口進入油管內，再被舉升至地面。對井下三相分離裝置中的篩管及側外壁圓孔，可根據進液量設計其過流面積，從而確定其他相關參數；對防堵過流罩側孔，可根據排液量設計其過流面積，從而確定其他相關參數。

本設計采用了?73.0 mm油管、?38.1 mm中心管及?73.0 mm篩管，篩管外未包裹金屬濾網。密封總成以上的中心管長度約20 m，以下約10 m，篩管外壁均勻分布直徑1 cm的圓孔，防砂導流罩側面分布2個0.8 cm×2.0 cm的長方形孔。

2.3 泄流器

泄流器的功能是實現(xiàn)管柱工藝環(huán)保，起管柱前建立油管內與套管內的連通，避免井液污染地面環(huán)境。其結構簡單，由上接頭、泄流銷釘及下接頭組成。泄流器軸向為舉升液體通道，側面開孔由泄流銷釘封堵，液體不能流通。修井作業(yè)時，在起生產管柱前，從地面向油管內投入專用撞擊棒，使泄流銷釘脫落，油管與套管連通，泄流器以上油管內的井液在起油管過程中流入套管內，故起至井口的管柱內沒有容納井液，不會產生地面污染問題。本文設計的泄流器外徑88.9 mm(3in)，內徑50.8 mm(2 in)，長度0.1 m。

2.4 單/雙聯(lián)保護器

單聯(lián)保護器和雙聯(lián)保護器功能是扶正保護動力電纜、壓力計鎧裝電纜和回注水管線，并使其緊固在油管外壁上，避免管柱在起下過程中的磕碰與損傷。其中單聯(lián)保護器在油管中部使用，雙聯(lián)保護器在油管接箍處使用。單/雙聯(lián)保護器技術參數如表1所示。在隔膜泵機組電機上端面引接電纜處，采用鑄鋼型電纜保護器，同時在L型井二開造斜點以下配套油管扶正器。通過一系列剛性保護，保障了起下管柱及生產過程中電纜和管線完好。

表1 單/雙聯(lián)保護器主要技術參數 mm

2.5 回注水工藝裝置

回注水工藝裝置主要由地面水箱、地面注水泵及井下注水管線組成。其功能是改變井筒煤粉濃度，提高舉升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。其中注水管線通過井口穿越密封后，緊固在井下油管外壁，注水管線下端位于井下三相分離裝置中篩管處。工作時，通過打開地面水箱開關，依靠水勢差將潔凈水不斷向井筒內補給，稀釋井筒煤粉濃度，改善井下泵工作環(huán)境，提高泵運行穩(wěn)定性。若井套壓高，可通過開啟地面注水泵實施回注水工藝。

本設計選用了排量3 m3/d，揚程150 m的離心泵，注水管線選用?22.2 mm鋁塑管。

2.6 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)主要由儀表單元、動力單元和控制單元組成，并通過網絡、遠程服務器及用戶終端實現(xiàn)遠程控制。它可滿足煤層氣井“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定、長期”生產要求，實現(xiàn)電機啟停及保護、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測、數字化遠程智能控制等功能，達到閉環(huán)控制管理生產的目的。儀表單元包括井下壓力計、套壓變送器、管壓變送器、氣體流量計及流體流量計。動力單元主要為變頻控制器。控制單元包括電源系統(tǒng)、采集模塊、控制模塊、通信模塊及人機界面。智能控制系統(tǒng)可以對動液面、氣水量、套壓、井底流壓及電流等參數實施測量和診斷、實施遠程調參和及時處理。在必要時根據采集的參數，降低隔膜工作頻率或開展間歇性排水，更好地滿足了經濟工作模式。

2.7 創(chuàng)新點

(1)集成創(chuàng)新了井下三相分離裝置。國內外油田應用的隔膜泵機組沉砂主要依靠油層之下的沉砂口袋[11-14]，而管柱上沒有設計固液分離功能。本文研制的井下三相分離裝置創(chuàng)新設計了沉砂功能。不僅將沉砂功能設計在篩管之上，而且設計了結構簡單的防砂導流罩，實現(xiàn)了氣液固分離及分離后固體的儲存，保障了煤層氣井的正常生產。

(2)實現(xiàn)了國內外首次在煤層氣井的現(xiàn)場應用。該技術在沁南盆地2口L型煤層氣井的首次應用即取得了成功，形成了煤層氣開采領域一項新的舉升工藝及配套技術。

3 現(xiàn)場應用

沁南盆地Q1-H井和Q2-H井為2口割縫篩管完井的L型水平井，造斜點分別為507和556 m，最大井斜角分別為97.5°和98.3°，采用了地面驅動螺桿泵排采配套減阻、扶正、防偏磨、井下氣液分離、回注水井筒稀釋煤粉及智能控制等技術，運行較為平穩(wěn)，產水量在1～4 m3/d之間波動，但排采生產過程中分別因煤粉卡泵和脫扣造成停排。采用電潛隔膜泵配套井下三相分離、回注水稀釋煤粉及智能控制等技術后，兩口井生產曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 Q1-H井生產曲線

圖5 Q2-H井生產曲線

截至目前已分別運行380和450 d，除2020年8月因山區(qū)下雨電力系統(tǒng)影響停機及冬季地面管網凍堵對產量造成影響外，運行較之前螺桿泵排采工藝更加平穩(wěn)，且停機后開機生產正常，泵效穩(wěn)定在85%以上，套壓穩(wěn)定，產水量穩(wěn)定在1 m3/d，產氣量分別穩(wěn)定在3 400和2 800 m3/d。另外，采用螺桿泵舉升工藝的電機額定功率為15 kW，實際運行8～10 kW，年耗電7.0×104～8.7×104kW·h；而采用電潛隔膜泵的電機額定功率為3 kW，實際運行2.0～2.5 kW，年耗電僅1.8×104～2.2×104kW·h，年節(jié)電量達4.8×104～6.9×104kW·h，節(jié)能降耗效果顯著。

4 結論及建議

(1)煤層氣井隔膜泵舉升及配套工藝為無桿泵舉升技術，適用于大斜度、產水量小及煤粉含量高的煤層氣井。

(2)該舉升及配套工藝簡單，地面設備少，沒有驅動裝置，不需要地基，所用隔膜泵具有體積小、質量輕、長度短、泵效高、運行穩(wěn)定以及節(jié)能等優(yōu)點。

(3)該舉升及配套工藝是一種新的開采煤層氣舉升工藝技術，技術總體處于起步階段，工藝的適應性及配套技術有待進一步研究。建議煤層氣行業(yè)積極嘗試電潛隔膜泵舉升工藝，完善配套技術，為煤層氣大斜度井的開采提供有力的技術保障。