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        煤層氣井示功圖影響因素、異常類(lèi)型及治理技術(shù)研究

        2018-06-08 03:05:22梁春紅趙晨光宋振坤賈慧敏王思佳
        中國(guó)煤層氣 2018年2期
        關(guān)鍵詞:凡爾泵筒示功圖

        梁春紅 王 寶 趙晨光 宋振坤 賈慧敏 王思佳

        (1.中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司,山西 048000;2.中國(guó)石油華北油田煤層氣成莊作業(yè)分公司,山西 048000)

        1 煤層氣井抽油泵正常工作示功圖特征

        如圖1所示,理論示功圖為一個(gè)規(guī)則的平行四邊形,橫坐標(biāo)為位移(m),縱坐標(biāo)為載荷(KN),反映抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷隨位移的變化情況。其中線段ab、cd分別為加載和卸載曲線,反映懸點(diǎn)載荷增加或降低的過(guò)程;線段bc、da分別反映上沖程、下沖程曲線。線段a-b-c-d表示加載、上沖程、卸載、下沖程一個(gè)完整的沖程。

        Sz為抽油泵柱塞沖程;Sg為抽油機(jī)光桿沖程;Pz為懸點(diǎn)靜載荷;P1為抽油桿柱在液體中重力;P2柱塞上液柱重力;Pz為懸點(diǎn)靜載荷;a為下死點(diǎn);c為下死點(diǎn)。圖1 理論示功圖

        圖2 煤層氣井抽油泵正常工作時(shí)實(shí)際示功圖

        研究區(qū)塊煤層埋深一般在800m以淺,煤層氣井日產(chǎn)水量在0~150m3之間,其中主要產(chǎn)氣井日產(chǎn)水量分布在0~15m3之間,水量較小,懸點(diǎn)載荷一般在15~25KN之間;沖程一般在0.8~2.8m之間,沖程隨煤層氣單井日產(chǎn)水量的增加而增加。如圖2所示,煤層氣井抽油泵正常工作時(shí)示功圖整體上為一個(gè)平行四邊形,四邊形完全充滿。由于生產(chǎn)過(guò)程中存在振動(dòng)載荷、慣性載荷,因此加載、卸載以及運(yùn)行過(guò)程中位移線會(huì)略有波動(dòng),但整體上煤層氣井動(dòng)載荷可以忽略,因此實(shí)際示功圖與理論示功圖非常接近。

        2 煤層氣井示功圖影響因素

        煤層氣井示功圖主要受煤粉、產(chǎn)液量、氣體的影響,示功圖是否正??梢詮恼w形狀、充滿度以及線段平滑程度等三個(gè)方面來(lái)判斷。

        2.1 煤粉影響

        煤層氣井中煤粉主要來(lái)源于構(gòu)造作用對(duì)煤層的構(gòu)造破壞和鉆井、作業(yè)過(guò)程中對(duì)煤巖機(jī)械破壞,煤粉隨著煤層氣井排出水運(yùn)移到井底、泵筒中,對(duì)抽油泵運(yùn)行狀況具有重要影響。

        煤層氣井投產(chǎn)初期,煤粉主要來(lái)源于鉆井、壓裂等作業(yè)過(guò)程,此時(shí)煤粉影響形成的示功圖如圖3所示,整體上為平行四邊形,但每個(gè)邊都有鋸齒狀波動(dòng)。這主要由于,在該階段煤層產(chǎn)水量較大,攜帶煤粉能力較強(qiáng),煤粉進(jìn)入泵筒與油管之間空隙中,使泵筒運(yùn)行過(guò)程中增加額外的摩擦載荷,出現(xiàn)載荷突增情況。由于煤粉分布不均勻,摩擦載荷時(shí)大時(shí)小,導(dǎo)致示功圖呈鋸齒狀波動(dòng)。煤粉越多、顆粒越大,影響程度越大鋸齒波動(dòng)越明顯。

        圖3 煤粉影響示功圖

        在煤層氣井解吸產(chǎn)氣初期,氣泡未形成連續(xù)氣流,氣泡流攜煤粉能力較強(qiáng),導(dǎo)致煤粉產(chǎn)出增多。而氣泡流持續(xù)時(shí)間較短,一般為7~15天。隨著煤層氣解吸量增加,形成氣、水兩相流,產(chǎn)水量大幅降低,攜帶煤粉能力急劇下降。此時(shí),氣泡流階段形成的大量煤粉逐漸在篩管、凡爾甚至泵筒內(nèi)沉積,導(dǎo)致泵效降低,產(chǎn)水異常。

        2.2 煤層供液量影響

        如圖4所示,示功圖顯示煤層氣井供液不足,主要特征是平行四邊形右下角缺失,呈 “刀把形”。這是由于煤層向井筒中供液量不足,液體不能充滿泵筒,活塞下行一段距離后才能觸及液面,卸載延遲。煤層產(chǎn)液量越小,平行四邊形右下角缺失面積越多,即“刀把”越長(zhǎng)。

        圖4 供液不足示功圖

        當(dāng)煤層氣井產(chǎn)水量較小時(shí),攜帶煤粉能力較低,大量煤粉沉積在泵筒中,尤其沉積在游動(dòng)凡爾和固定凡爾處,導(dǎo)致凡爾不能正常關(guān)閉,形成漏失,大大降低泵效,嚴(yán)重的可能導(dǎo)致抽油泵不出液,導(dǎo)致煤層氣井流壓回升,氣量下降。

        2.3 氣體影響

        氣體進(jìn)入泵筒會(huì)導(dǎo)致氣鎖發(fā)生,造成抽油泵無(wú)效往復(fù)運(yùn)動(dòng),凡爾不能正常打開(kāi),井筒中水量不能正常產(chǎn)出。當(dāng)套壓較高時(shí),油管和套管環(huán)空中的氣體極易膨脹而進(jìn)入泵筒,造成泵筒氣鎖?,F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),套壓高于2MPa時(shí),氣體極易進(jìn)入泵筒導(dǎo)致氣鎖發(fā)生。煤層氣井排采后期,動(dòng)液面降至煤層以下接近泵吸入口位置,氣體極易進(jìn)入泵筒中。因此,煤層氣井在鉆井過(guò)程中就應(yīng)該留足“口袋”,將泵下入煤層底板以下15~20m的位置,即使液面降至煤層以下,泵仍然有一定的沉沒(méi)度,可以有效防止氣鎖發(fā)生。

        3 煤層氣井示功圖異常類(lèi)型及治理方法

        3.1 凡爾漏失

        凡爾漏失主要是由于煤粉在凡爾處沉積導(dǎo)致凡爾球與閥座密封不嚴(yán),包括固定凡爾漏失、游動(dòng)凡爾漏失和雙凡爾漏失三種情況。

        其中游動(dòng)凡爾漏失如圖5(a)所示,特點(diǎn)是左下尖、右上圓,表現(xiàn)為加載延緩、卸載提前。由于游動(dòng)凡爾漏失,上沖程時(shí)液體滲漏,加載緩慢;上沖程還未完成,液體滲漏至柱塞下面,造成頂托,壓力提前卸載。這類(lèi)功圖在煤層氣不正常井中較為常見(jiàn),當(dāng)煤層氣井產(chǎn)水量較低或者排采不連續(xù)時(shí),煤粉極易沉積在游動(dòng)凡爾處,造成游動(dòng)凡爾不能完全閉合。固定凡爾漏失如圖5(b)所示,特點(diǎn)是左下圓,右上尖,表明卸載緩慢。主要是由于柱塞下行過(guò)程中,液體從固定凡爾漏失,不能形成有效憋壓,導(dǎo)致卸載緩慢。固定凡爾漏失在煤層氣井中極為少見(jiàn)。雙凡爾漏失如圖5(c)所示,特點(diǎn)為一個(gè)窄條,不能加載,也不能卸載,泵完全失效。雙凡爾漏失在煤層氣井中相對(duì)多見(jiàn)。尤其是在大幅調(diào)氣后,或是套壓有大幅波動(dòng)后,引起井筒中煤粉激動(dòng),大量煤粉瞬時(shí)進(jìn)入泵筒,造成雙凡爾漏失。

        該類(lèi)異常井治理方法為快抽、碰泵或檢泵作業(yè)。快抽就是使抽油機(jī)最高沖次運(yùn)轉(zhuǎn),快速提放活塞,使活塞上行速度大于游動(dòng)凡爾漏失速度,提高加載速度,用較高壓力的液體沖洗游動(dòng)凡爾閥座上的煤泥,這對(duì)于游動(dòng)凡爾漏失井有效。碰泵就是通過(guò)抽油泵柱塞與固定凡爾罩撞擊產(chǎn)生震動(dòng),去除凡爾處煤泥,這對(duì)于游動(dòng)凡爾和固定凡爾漏失嚴(yán)重的井較為有效。一般凡爾漏失井,先進(jìn)行快抽,無(wú)效后進(jìn)行碰泵,可以快抽、碰泵循環(huán)兩次,無(wú)效時(shí)進(jìn)行檢泵作業(yè)。該類(lèi)不正常井主要是由于煤粉沉積引起的,有效清除煤粉是預(yù)防和治理的關(guān)鍵,應(yīng)根據(jù)出煤粉情況進(jìn)行定期洗井,及時(shí)清除井筒和泵筒中的煤粉;另外保證排采連續(xù),避免煤粉沉積。

        圖5 煤層氣井凡爾漏失理論示功圖

        3.2 氣鎖

        氣鎖是由于泵筒內(nèi)存在氣體,上下沖程中氣體發(fā)生壓縮和膨脹,泵筒內(nèi)壓力始終小于液柱壓力,固定凡爾和游動(dòng)凡爾無(wú)法打開(kāi)。其示功圖如圖6所示,呈“軟刀把形”,由于柱塞到下死點(diǎn)處,泵筒余隙中還殘存一定氣體,上沖程中氣體膨脹固定凡爾滯后打開(kāi),下沖程中氣體壓縮,卸載變慢。

        圖6 煤層氣井氣鎖理論示功圖

        煤層氣井開(kāi)發(fā)進(jìn)入后期,動(dòng)液面降至煤層附近,井底流壓完全等于套壓,容易發(fā)生氣鎖現(xiàn)象。研究區(qū)塊85%的井動(dòng)液面降至煤層以下,部分井套壓在0.5MPa以上,該類(lèi)井最容易發(fā)生氣鎖。該類(lèi)井可以通過(guò)使動(dòng)液面適度回升,然后快抽的方式進(jìn)行解決。具體實(shí)施步驟是,第一,調(diào)慢沖次,恢復(fù)動(dòng)液面至煤層30m以上,這樣一方面可以避免氣體繼續(xù)進(jìn)入泵筒,另一方面形成一定的液柱壓力,使液體更多的進(jìn)入泵筒;第二,將抽油機(jī)沖次調(diào)至最高,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施快抽,使液體充滿泵筒,排出泵腔內(nèi)氣體;第三,逐步調(diào)整沖次,使供出液平衡,保證液面恢復(fù)至煤層附近。如此,重復(fù)2~3次,如果不能恢復(fù)正常則進(jìn)行檢泵作業(yè)。

        (a)H1-1井故障時(shí)功圖;(b)H1-1井碰泵后功圖圖7 H1-1井故障前后示功圖

        (a)H1-2井氣鎖時(shí)示功圖;(b)H1-2井氣鎖解除后示功圖圖8 H1-2井氣鎖治理前后示功圖對(duì)比

        4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

        4.1 凡爾漏失治理

        H1-1井2012年投產(chǎn),目前產(chǎn)氣量650m3/d,產(chǎn)水量1.3m3/d,套壓、流壓均為0.24MPa,處于排采后期,水中含有煤粉。排采過(guò)程中,該井氣量突降,現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)產(chǎn)液量減少為0.5m3/d,實(shí)測(cè)示功圖7顯示最大載荷為31.5kN, 最小載荷為13.1kN,顯示加載延緩、卸載提前,判定為游動(dòng)凡爾漏失。決定先采用快抽方式進(jìn)行治理,將沖次由0.12次/分逐步提高至5次/分,快抽20分鐘后不出液,又提高至8次/分,快抽20分鐘仍不出液,表明快抽無(wú)效。

        然后采用碰泵措施,首先下調(diào)防沖距,使抽油泵柱塞觸及固定凡爾罩,然后以沖次1次/分進(jìn)行碰泵,碰泵30分鐘后開(kāi)始出液,液體中含有大量煤粉。1小時(shí)后,出液量恢復(fù)至故障前的1.3m3/d,水質(zhì)變清,有少量煤粉,氣量上升至650m3/d,再次監(jiān)測(cè)示功圖顯示為平行四邊形,充滿度較好,表明泵效提高、泵況改善。

        4.2 氣鎖治理

        H1-2井2012年投產(chǎn),目前產(chǎn)氣量1400m3/d,產(chǎn)水量0.6m3/d,套壓、流壓均為0.3MPa,處于排采后期,液面降至煤層底板以下,煤層全部裸露。上調(diào)氣量150m3后瞬時(shí)大幅下降,現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)無(wú)液,快抽、碰泵無(wú)效。示功圖8顯示該井氣鎖,為了消除氣鎖影響,采取“沖次調(diào)慢+快抽”的方式進(jìn)行治理,先將沖次調(diào)慢至0.2次/分,密集監(jiān)測(cè)動(dòng)液面回升情況,動(dòng)液面回升到煤層以上20m時(shí),提高沖次至8次/分快抽出液,最后逐步調(diào)節(jié)沖次,使液面達(dá)到平衡值。通過(guò)整改后該井套壓、日氣量、日產(chǎn)水恢復(fù)正常值,復(fù)測(cè)示功圖為較規(guī)則平行四邊形,表明抽油泵恢復(fù)正常。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [1] 劉春花,劉新福,周超,等.煤層氣井有桿泵排水采氣設(shè)備示功圖[J].煤田地質(zhì)與勘探.2014,42(5):38-43.

        [2] 賈慧敏.高煤階煤巖孔隙結(jié)構(gòu)分形特征研究[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2016,29(1):53-56.

        [3] 姚征,曹代勇,熊先鉞,等.基于示功圖監(jiān)測(cè)的煤粉相關(guān)井下故障預(yù)警[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40 (7):1595-1600.

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