□ 文/何軍 楊建雨 竇武 董洪青劉峰 樊彬

螺桿泵井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

□ 文/何軍 楊建雨 竇武 董洪青*劉峰 樊彬

分析螺桿泵井在解吸產(chǎn)氣階段燒泵的原因，可以進(jìn)一步優(yōu)化管柱設(shè)計(jì)，保證煤層氣螺桿泵井的平穩(wěn)、持續(xù)開采，達(dá)到煤層氣井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)。

2006年以來，我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)已步入快速發(fā)展的軌道，立足于應(yīng)用低成本適用技術(shù)的開發(fā)特點(diǎn)，螺桿泵舉升工藝因其價(jià)格低廉、排量調(diào)節(jié)范圍廣、維護(hù)方便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)在煤層氣井的應(yīng)用已初具規(guī)模。山西沁水盆地樊莊區(qū)塊、河?xùn)|煤田南部區(qū)塊、韓城區(qū)塊等煤層氣田，螺桿泵舉升工藝均有小規(guī)模應(yīng)用，并且，在應(yīng)用過程中，均突顯出排采前期壓裂砂和煤粉卡泵、桿管偏磨失效、解吸產(chǎn)氣階段燒泵等問題。通過桿管柱結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與排采制度的合理匹配，螺桿泵井排采前期壓裂砂、煤粉卡泵及桿管偏磨失效等問題在我沁水煤層氣田沁南區(qū)塊已解決，但在解吸產(chǎn)氣階段螺桿泵燒泵問題仍待攻關(guān)。

螺桿泵井解吸產(chǎn)氣階段生產(chǎn)特點(diǎn)及問題

解吸產(chǎn)氣階段指井筒液柱壓力低于煤巖臨界解吸壓力以后，持續(xù)產(chǎn)氣的階段。當(dāng)煤儲(chǔ)層壓力低于煤巖解吸壓力以后，在煤儲(chǔ)層壓差作用下，氣水兩相從煤層中產(chǎn)出，促進(jìn)煤巖的進(jìn)一步解吸。

在此階段，井底流壓逐漸降低，螺桿泵井產(chǎn)液量及煤沒度逐漸降低，產(chǎn)氣量逐漸增加，套壓逐漸增長(zhǎng)至與流壓持平。隨著煤沒度降低，井底流壓降低，氣量增加，產(chǎn)出液氣液比增大，螺桿泵燒泵問題突顯。

螺桿泵燒泵原因分析及對(duì)策

螺桿泵在正常運(yùn)行當(dāng)中，轉(zhuǎn)子部件在橡膠定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，需要通過井液對(duì)泵進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。由于氣體起不到有效地潤(rùn)滑作用，所以當(dāng)?shù)兔簺]度下氣液比較高的井液通過泵腔時(shí)，對(duì)泵的潤(rùn)滑效果降低，轉(zhuǎn)子和定子在運(yùn)行過程中摩擦生熱，使定子的橡膠材料軟化，導(dǎo)致燒泵。

解吸產(chǎn)氣階段有很多因素可以造成泵腔內(nèi)的氣液比升高，其中包括井口環(huán)空壓力高、泵抽空和井下氣液分離太差等。

井口壓力直接關(guān)系到煤層氣的產(chǎn)出，因此必須調(diào)整地面裝置的配置，盡量降低井口壓力保證螺桿泵在正常條件下工作。

泵抽空是由于螺桿泵的排量大于地層的產(chǎn)液能力，從而造成泵效的降低甚至是空載運(yùn)行；此類問題要根據(jù)實(shí)際情況通過改變泵的型號(hào)，調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速，或者在螺桿泵以下管柱的適當(dāng)位置配置單流閥等辦法對(duì)泵的抽汲能力進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)地層的產(chǎn)液能力。

井下氣液分離太差也是影響泵腔內(nèi)氣液比升高的重要原因，通過調(diào)整生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)及泵相對(duì)煤層的位置來改善。螺桿泵吸入口相對(duì)于煤層的位置對(duì)井下氣液分離有著很大的影響，在起抽及排水降壓階段，將泵下到煤層井段以上避免壓裂砂、煤粉所造成的泵磨損問題，同時(shí)預(yù)防油管錨卡瓦內(nèi)堆積壓裂砂、煤粉致使油管錨失靈，管柱大修甚至煤層氣井

報(bào)廢，若該種管柱結(jié)構(gòu)持續(xù)到解吸產(chǎn)氣階段會(huì)影響氣液分離的效果。因此，解吸產(chǎn)氣階段將螺桿泵的吸入口直接下至煤層以下，氣液從煤層流出后依靠自重自動(dòng)分離，氣體上浮進(jìn)入套管，液體進(jìn)入泵腔，減少了進(jìn)入泵腔內(nèi)的氣體量。

西局/圖

應(yīng)用實(shí)例

沁15-31-49井于2012年5月18日投產(chǎn)，采用螺桿泵舉升工藝，初始管柱設(shè)計(jì)：D73mm油管+GLB50—20BCM螺桿泵+油管錨+D73mm油管+8MPa電子壓力計(jì)+80目不銹鋼篩管1根+油管短節(jié)+絲堵；油管錨設(shè)計(jì)在上煤層頂界以上4.7m，泵吸入口即篩管頂設(shè)計(jì)在下煤層底界以下3.3m。

2012年5月18日該井投產(chǎn)時(shí)井底流壓6.8MPa，套壓0MPa，管壓0MPa，煤沒度680m，日產(chǎn)氣量0立方米，日產(chǎn)液量6.3立方米。

2012年6月4日該井開始解吸煤層氣，當(dāng)日井底流壓4.27MPa，套壓0MPa，管壓0MPa，煤沒度427m，日產(chǎn)氣量105立方米，日產(chǎn)液量3.6立方米。

自該井解吸產(chǎn)氣以來，一直正常持續(xù)生產(chǎn)至2013年4月3日，當(dāng)日該井井底流壓降至0.34MPa，套壓0.29MPa-，管壓0.12MPa，煤沒度5m，日產(chǎn)氣量1278立方米，日產(chǎn)液量0立方米。此時(shí)螺桿泵已失效，分析原因?yàn)椋河捎诒梦肟诩春Y管頂離下煤層底界距離近，僅3.3 m，導(dǎo)致井下氣液分離太差，泵腔內(nèi)氣液比升高，轉(zhuǎn)子和定子間潤(rùn)滑性降低，在運(yùn)行過程中摩擦生熱，使定子的橡膠材料軟化而燒泵。

2013年4月4日檢泵作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)觀察，起出泵筒頂端可嗅出橡膠燒焦氣味，且轉(zhuǎn)子中上部凹槽鍍層呈現(xiàn)出高溫?zé)玫慕裹S色。

針對(duì)該井的燒泵原因，同時(shí)結(jié)合該井目前生產(chǎn)情況，此次檢泵作業(yè)優(yōu)化管柱設(shè)計(jì)：D73mm油管+ GLB28—20BCM螺桿泵+8MPa電子壓力計(jì)+油管錨+D73mm油管短節(jié)+單流閥+油管短節(jié)+油管接箍；由于該階段壓裂砂、煤粉排出量已極少（現(xiàn)場(chǎng)取樣已無法肉眼識(shí)別），無需再下篩管，同時(shí)，油管錨卡瓦已無失效隱患，于是設(shè)計(jì)下放螺桿泵和油管錨于煤層下底界以下；螺桿泵設(shè)計(jì)在煤層下底界以下14.3m，泵吸入口即油管接箍設(shè)計(jì)在下煤層底界以下26.8m，并于煤層下底界以下24.8m處配置單流閥（0.2MPa的壓差可開啟）。該管柱設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：（1）泵吸入口距下煤層底界以下26.8m，可以使井下氣液分離充分，避免了氣液比較高的井液進(jìn)入泵筒；（2）螺桿泵設(shè)計(jì)在煤層下底界以下14.3m，和煤層下底界以下24.8m處配置單流閥，可保證井筒液面在下煤層底界以下4.8m時(shí)單流閥（0.2MPa的壓差可開啟）關(guān)閉，無井液進(jìn)入泵筒，井筒內(nèi)液柱不回落對(duì)煤層造成影響，并且可使螺桿泵體外有8.5—13.3m的沉沒度進(jìn)行泵體冷卻，杜絕口袋內(nèi)泵吸入口以上液體抽空后大量氣體進(jìn)入泵筒燒泵。

沁15-31-49井2013年4月6日完井管柱設(shè)計(jì)圖

優(yōu)化管柱設(shè)計(jì)檢泵作業(yè)后，截至2014年3月18日，沁15—31—49井在低煤沒度、高氣液比的井況下已正常運(yùn)行342天，且繼續(xù)正常運(yùn)行。2014年3月18日該井井底流壓0.25MPa，套壓0.1MPa，管壓0.08MPa，煤沒度1m，日產(chǎn)氣量482立方米，日產(chǎn)液量0立方米，運(yùn)行電流2.3—2.5A。

在煤層氣螺桿泵井解吸產(chǎn)氣階段，下放螺桿泵、油管錨至煤層下底界以下，同時(shí)在合理位置配置單流閥的管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可完全杜絕螺桿泵燒泵現(xiàn)象的發(fā)生，保證煤層氣井的平穩(wěn)、持續(xù)開采；并且因螺桿泵下端設(shè)計(jì)了固定凡爾，可在停井時(shí)防止油管柱內(nèi)液柱回落造成的煤儲(chǔ)層傷害，可完全實(shí)現(xiàn)煤層氣螺桿泵井的間開節(jié)能。

作者單位：中國(guó)石油長(zhǎng)治煤層氣勘探 開發(fā)分公司

*中國(guó)石油華北油田采油二廠