煤層氣井回注水排采技術(shù)理論研究及在FX井的應(yīng)用

摘" 要：本文通過對煤層氣井回注水排采技術(shù)理論及在抽油機排采井——FX井的應(yīng)用研究，總結(jié)分析了在FX井的使用情況，該技術(shù)很好的解決了弱含水煤層極低產(chǎn)水量的排采難題，不但能讓設(shè)備在合理范圍內(nèi)連續(xù)、長久正常運行，實現(xiàn)煤層氣井排采“連續(xù)、平穩(wěn)、緩慢、長期”的原則[1-2]，同時還延長了檢泵周期，對貴州低產(chǎn)水量煤層氣井的排采提供了一定的技術(shù)參考，值得在貴州低產(chǎn)水煤層氣井中推廣使用。

關(guān)鍵詞：煤儲層；弱含水；低產(chǎn)水；回注水；排采

1.引言

弱含水是貴州煤層的一大特點，該特點導(dǎo)致部分煤層氣井排采期間產(chǎn)水量很低，甚至超出了設(shè)備正常的運轉(zhuǎn)范圍，出現(xiàn)排采設(shè)備不能滿足煤層氣井“連續(xù)、平穩(wěn)、緩慢、長期”的排采要求，如何讓產(chǎn)水量很低的煤層氣井的排采設(shè)備能連續(xù)、長久正常運轉(zhuǎn)，滿足排采要求，是一個需要解決的技術(shù)難題。煤層氣井回注水排采技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了該難題，該技術(shù)在2016年遵義FX井的應(yīng)用中，獲得了較好效果。

2.煤層氣井回注水排采技術(shù)說明

煤層氣井回注水排采技術(shù)，即在煤層氣井煤儲層產(chǎn)水量很低，導(dǎo)致排出水很難將排采管柱內(nèi)的固相雜質(zhì)從井底攜帶到地面和無法讓排采設(shè)備正常運行時，通過地面回注水設(shè)備帶壓從井口向油套環(huán)空注水，控制注水流量和注水量，進而控制流壓變化，保持抽油泵和井底壓力計一定的沉沒度，實現(xiàn)排采設(shè)備在額定運行速度范圍內(nèi)穩(wěn)定、長久運轉(zhuǎn)。通過調(diào)控抽排水量與注水量和煤儲層產(chǎn)出水量的關(guān)系，控制井底流壓在一定周期內(nèi)相對穩(wěn)定或?qū)崿F(xiàn)一定的降幅，讓排采總體達到“連續(xù)、平穩(wěn)、緩慢、長期”的目標，這是該技術(shù)控制的核心。同時，在油管不變的情況下，排水流量增大的同時也增大了排水流速，進而增大了攜帶固相雜質(zhì)的能力，減少了固相雜質(zhì)在泵筒及整個油管柱內(nèi)的淤積，一定程度延長了檢泵周期。該技術(shù)的實施設(shè)備具有操作簡單、成本低、影響小的優(yōu)勢。

工藝方面，該技術(shù)通過控制柜實現(xiàn)對電機、注水流量、注入壓力等相關(guān)參數(shù)的集中顯示和控制。水從儲水箱出發(fā)，沿進水管線，經(jīng)過濾器進入柱塞泵增壓后通過止回閥、流量計、壓力表探頭、注水管線進入井內(nèi)油套環(huán)空。控制柜通過電源開關(guān)和調(diào)頻裝置控制電機的啟停、轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)柱塞泵的啟停和注水流量大小的控制，并對壓力、流量和井底流壓的變化進行監(jiān)測和分析，及時調(diào)整注水設(shè)備運行工況，從而更好地完成注水施工。變頻電機的使用，能實現(xiàn)對注水流量的精細控制。水注入井口，在重力的作用下沿著油管外壁和套管內(nèi)壁向下流動，最終到達井下與井底的水混合，再通過抽油泵沿著油管抽排到地面。地面和井下工藝示意圖如圖1和圖2所示[3]。

回注水設(shè)備中，控制柜控制柱塞泵的啟停、運行速度、注水流量等，是整個系統(tǒng)的“大腦”；變頻異步防爆電機提供動力，帶動柱塞泵工作，是整個系統(tǒng)的“心臟”；柱塞泵增加注水壓力，使水克服井內(nèi)套壓注入井內(nèi)油套環(huán)空；流量計監(jiān)測注水流量值，為調(diào)整注入流量提供依據(jù)；壓力表監(jiān)測注水壓力，輔助控制；儲水箱儲存施工用水；過濾器濾除水中固相雜質(zhì)，凈化水質(zhì)，防止二次污染和影響柱塞泵運行；止回閥防止注水過程中水流回流；高壓管線對水進行導(dǎo)流；接頭連接管線和井口等；安全閥防止注水管中壓力超壓。

3.FX井基本情況

3.1地質(zhì)構(gòu)造特征

FX井是遵義一煤層氣區(qū)塊部署的煤層氣評價井，所在勘查區(qū)大地構(gòu)造位于上揚子臺東部，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動的疊加，形態(tài)復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)發(fā)育一條近東西向延伸、傾向310°左右、傾角60°至70°的正斷層，另在區(qū)內(nèi)西部和北部發(fā)育一些小的斷層。除煤層外，地層巖性致密，孔隙不發(fā)育，裂縫特征不明顯。

FX井綜合解釋煤層11層8.8m，煤層含氣量較高，目標層位龍?zhí)督MX1#、X2#、X3#煤層含氣量分別為21.0m3/t，21.6m3/t，20.8m3/t，測井滲透率分別為0.09mD、0.30mD、0.12mD。本區(qū)為正常地層壓力和正常地溫梯度區(qū)。煤質(zhì)特征方面，該區(qū)塊煤顏色為黑色，塊狀構(gòu)造為主，結(jié)構(gòu)為條帶狀，以金剛光澤為主，少部分為玻璃、絲絹光澤，階梯狀斷口為主，其次為貝殼及參差狀斷口。宏觀煤巖成分以半亮煤為主，夾少量光亮煤。顯微組分鏡質(zhì)組含量平均為81.63%，惰質(zhì)組含量平均為18.37%。可采煤層顯微硬度平均為41.6kg/mm2，鏡質(zhì)組最大反射率平均為3.561%，為高階煤，以原生結(jié)構(gòu)為主。

3.2井身結(jié)構(gòu)

FX井完鉆井深712m，最大井斜1.33°，方位角273.09°，所在井深325.00m，產(chǎn)層套管外徑139.70mm、壁厚9.17mm，入井深度709.12m，人工井底697m。

3.3儲層改造情況

壓裂改造了龍?zhí)督M的3層煤，累計儲層厚度4m，深度范圍642.2至692.7m。壓裂液體系為活性水，共注入壓裂液1237.6m3，用砂50m3，施工排量6至8m3/min，停泵壓力11.3至18.6MPa，具體情況見表1。

3.4 排采管柱結(jié)構(gòu)和排采設(shè)備

FX井于2015年11月完成新井下泵施工開始排采，管柱結(jié)構(gòu)中，回音標深度102.86m、Φ38mm管式泵深度663.17m、壓力計深度664.16m、復(fù)式高效脫氣篩管深度672.69m、絲堵深度682.08m。地面排采設(shè)備為抽油機，型號CYJ4-1.5-9HY，沖程0.9m、1.2m、1.5m，沖次0至6r/min；配套電機為變頻異步電機，型號YVF2-1602-6，功率7.5kW，恒轉(zhuǎn)矩范圍5至50Hz。根據(jù)廠家意見，最低運轉(zhuǎn)沖次0.028r/min，再低有設(shè)備故障風(fēng)險。

4.FX井排采情況

4.1 排采簡述

FX井于2015年11月30日以沖程0.9m、沖次0.48r/min開抽，日產(chǎn)水0.49m3/d；同年4月16日見套，臨界解吸壓力3.40MPa；產(chǎn)水0.58m3/d；23天后放氣試產(chǎn)；34天后出現(xiàn)抽油泵故障，進行檢泵致排采中斷，抽油泵故障前產(chǎn)水已降至0.27m3/d，經(jīng)14天完成檢泵恢復(fù)排采。59天后開始回注水排采，檢泵后至2016年12月12日，排采生產(chǎn)正常，至此共累計排采379天，最高日產(chǎn)氣1058m3/d，累計產(chǎn)氣156319m3，累計產(chǎn)水160.76m3，返排率27.6%，在實施回注水排采的情況下，產(chǎn)水量0.006m3/d，已極低。

4.2 排采技術(shù)難題的研究分析

FX井開抽時產(chǎn)水量和沖次便均較低，分別為1.29m3/d、0.48r/min，之后逐步下降，至抽油泵故障時分別為0.23m3/d、0.30r/min。檢泵恢復(fù)排采后，產(chǎn)水量仍較低，分別為0.30m3/d、0.45r/min，并存在進一步下降趨勢，判斷此后隨著排采的進行，當產(chǎn)水量降低至排采設(shè)備的最低沖次無法連續(xù)運轉(zhuǎn)時，需采用其他技術(shù)手段輔助控制流壓，以保持產(chǎn)氣量的穩(wěn)定，當時，重點在間抽排采和回注水排采中進行了研究。

同時，在FX井檢泵期間，抽油桿和油管無彎曲變形、腐蝕及抽油桿扶正器和油管扶正器完好，無偏磨情況；活塞及泵完好，活塞表面無磨損和腐蝕；活塞防砂槽中有固結(jié)的煤粉，管式泵游動凡爾處、泵筒內(nèi)有少量煤粉和細砂混合物、泵筒以上1根油管內(nèi)流體近似“面糊”狀，粘稠且為黑色，固定球座被煤粉和細砂混合物完全充填等，結(jié)合排采歷史，深入分析抽油泵故障原因，判定煤粉和細砂混合物進入了泵筒內(nèi)，由于排采期間泵筒內(nèi)水流量小、流速慢，密度較大的固相雜質(zhì)逐漸在固定閥內(nèi)沉積，影響到固定球閥正常工作，當逐步增多到一定量時，固定球已無法與固定球座實現(xiàn)密封，開始泵漏，繼而固定球被卡死無法正?；顒佣鲁橛捅霉收?。檢泵期間，根據(jù)以上情況判定該井當前Φ38mm管式泵較大，更換為Φ28mm管式泵，以便在相同沖次下，將泵內(nèi)液體流速提高，以更好地將固相雜質(zhì)攜帶至抽油泵以上避免抽油泵故障。同時表明在當前生產(chǎn)制度下該井出砂、出煤粉較為嚴重，應(yīng)適當調(diào)整生產(chǎn)制度，以緩慢、穩(wěn)定為主，適當穩(wěn)定井底流壓生產(chǎn)，堅持穩(wěn)定排水，通過排水疏通儲層煤粉，擴大解吸面積，提高滲透率，為后期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供有利條件。

根據(jù)FX井所處地質(zhì)條件和換泵前排采歷史分析，即使在更換抽油泵為Φ28mm管式泵的情況下，隨著該井產(chǎn)水量的下降，仍將遠低于該井抽油機額定沖次。

4.3 排采技術(shù)難題解決對策的確定

鑒于FX井以上情況，若采用常規(guī)間抽排采技術(shù)，根據(jù)同區(qū)塊鄰井間抽經(jīng)驗，間抽可能存在流壓控制不連續(xù)、不平穩(wěn)的情況，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降，且間抽停抽期間會使固相雜質(zhì)沉降，增加了抽油泵故障的風(fēng)險。因此，在進一步深入研究排采理論和規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)排采控制井底流壓這一核心本質(zhì)，結(jié)合排采經(jīng)驗和FX井存在的煤儲層產(chǎn)水量低及相應(yīng)引起的一系列技術(shù)難題，進行技術(shù)研究和綜合比較，最終采取回注水排采技術(shù)來解決該井產(chǎn)水量低的排采技術(shù)難題。

5. 煤層氣井回注水排采技術(shù)在FX井的應(yīng)用

2016年8月24日，F(xiàn)X井沖次降到0.28r/min，之后無法通過降低抽油機沖次來實現(xiàn)井底流壓平穩(wěn)、緩慢、連續(xù)下降的控制。于是從2016年8月24日開始，對FX井實施回注水排采，主要根據(jù)該井流壓和液面深度，制定回注水排采制度，當液面下降到接近泵筒下端（663.23m）時開始注水，控制流壓降幅以符合相應(yīng)排采階段要求，注水0至2次/d、0.05至0.1m3/次，注水流量0.3m3/h，回注水用FX井返出液或清水加入氯化鉀進行配置，沖次正常情況下控制在0.28r/min。

至2016年12月，共實施回注水排采111天，共對FX井實施回注水113次，共注水5.95m3，期間沖次總體維持在0.28r/min，流壓從0.95MPa降至0.28MPa，期間產(chǎn)氣量較為穩(wěn)定，日均1009m3/d，最高1058m3/d，最低938m3/d；回注水排采期間，泵效明顯上升，出水口有少量煤粉等固相雜質(zhì)排出?；刈⑺挪善陂g排采情況見圖5。

在實施回注水期間，抽油機和抽油泵運轉(zhuǎn)連續(xù)、穩(wěn)定；抽油泵、壓力計維持一定沉沒度，泵效穩(wěn)定、流壓監(jiān)測準確；煤粉等固體雜質(zhì)能更好從泵筒、油管中排出，未發(fā)生檢泵情形，較好延長了檢泵周期；流壓降幅合理控制，壓降漏斗持續(xù)擴大；產(chǎn)氣量長期維持較高水平。綜合判斷，回注水排采技術(shù)讓FX井實現(xiàn)了“連續(xù)、平穩(wěn)、緩慢、長期”的排采要求，初步判斷該技術(shù)對產(chǎn)氣量基本無負面影響。

6.結(jié)論

①貴州部分煤層氣井因儲層產(chǎn)水量低，排采設(shè)備無法在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，繼續(xù)降低轉(zhuǎn)速存在損傷排采設(shè)備的風(fēng)險。

②煤層氣井過低的排水量導(dǎo)致攜帶固相雜質(zhì)的能力弱，長時間將積累大量固相雜質(zhì)懸浮在抽油泵中及泵筒頂部的油管內(nèi)，嚴重時會造成固定閥無法正常工作，導(dǎo)致抽油泵抽不出液而故障，影響排采的連續(xù)和穩(wěn)定等。

③煤層氣井回注水排采技術(shù)能較好解決低產(chǎn)水煤層氣井在現(xiàn)有排采設(shè)備下無法實現(xiàn)“連續(xù)、平穩(wěn)、緩慢、長期”排采的問題，并增強了固相雜質(zhì)排出能力，大大降低了抽油泵故障的風(fēng)險，延長了檢泵周期。

④煤層氣井回注水排采技術(shù)的實施成本低、操作簡便、運行時效快、易于控制。

⑤從煤層氣井回注水排采技術(shù)在FX井的實施情況看，初步判斷該技術(shù)對煤層氣井產(chǎn)氣量基本無負面影響。

⑥目前，煤層氣井回注水排采技術(shù)在貴州實施的井少、周期較短，注水制度還可進一步優(yōu)化，若長時間實施，是否存在其他影響還需要進一步的研究。

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