秦紹鋒 曹愛(ài)娟 付 鑫 顧根堂 譚章龍

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 2.中海石油(中國(guó))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?xì)饧夹g(shù)服務(wù)分公司 4.中石油測(cè)井有限公司遼河分公司)

0 引 言

近年來(lái)，受開(kāi)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(yīng)用了L型水平井鉆完井技術(shù)，并通過(guò)采用地面驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制等技術(shù)[1]，較好地實(shí)現(xiàn)了煤層氣排采的“八字方針”，整體產(chǎn)氣效果良好。但隨著此舉升工藝技術(shù)不斷地實(shí)踐，暴露出了一些亟待解決的問(wèn)題：①管桿的偏磨仍需進(jìn)一步改善，雖然配套了減阻、扶正及桿導(dǎo)向等技術(shù)，但由于井下管桿受力條件復(fù)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(yán)重的惡劣條件下，仍然存在煤粉卡泵而停機(jī)較多的問(wèn)題，因?yàn)槊簩幼陨懋a(chǎn)水量較低時(shí)，為控制井筒液面平穩(wěn)，主動(dòng)采取了降低轉(zhuǎn)速或間抽的生產(chǎn)方式，造成螺桿泵因攜煤粉能力變?nèi)鹾兔悍鄢练e而發(fā)生卡泵；③對(duì)產(chǎn)水量較小的井適應(yīng)性差，轉(zhuǎn)速過(guò)低，泵效大幅下降，井口不產(chǎn)液，轉(zhuǎn)速稍提高，液面快速下降，違背了煤層氣平穩(wěn)降液的生產(chǎn)要求，同時(shí)轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)，容易造成定子高溫?zé)猛C(jī)；④在貫徹科學(xué)發(fā)展和節(jié)約資源的基本國(guó)策方面，進(jìn)一步降低地面驅(qū)動(dòng)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(wèn)題。

以存在的問(wèn)題為導(dǎo)向，舉升工藝總體如果要滿足低產(chǎn)水煤層氣井，那么不僅應(yīng)進(jìn)一步解決管桿偏磨問(wèn)題，應(yīng)對(duì)井筒煤粉有較強(qiáng)的適應(yīng)性，而且還應(yīng)滿足節(jié)能的要求?，F(xiàn)有舉升工藝中，無(wú)桿泵能夠徹底解決管桿偏磨問(wèn)題[2-3]，也是未來(lái)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(guò)試驗(yàn)[8-9]，但這兩種工藝需要地面配套注水泵或壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備，存在占地面積大、地面工藝復(fù)雜以及地面噪聲大等不利因素。而隔膜泵舉升工藝在國(guó)外油田低產(chǎn)井已有應(yīng)用，主要集中在俄羅斯和阿塞拜疆[10-11]；在國(guó)內(nèi)大慶油田和長(zhǎng)慶油田近幾年也進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，效果良好[12-14]。但國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)隔膜泵在煤層氣田試驗(yàn)的報(bào)道，為此開(kāi)展了煤層氣井隔膜泵舉升及配套工藝技術(shù)研究，并在沁南盆地2口煤層氣L型井中應(yīng)用，該技術(shù)消除了管桿偏磨，降低了能耗，應(yīng)用效果良好。

1 技術(shù)分析

1.1 工藝總體思路

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

目前，容積式無(wú)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(chǎn)量井，因能耗太高且對(duì)地面設(shè)備要求高，故不適宜采用；電潛螺桿泵的井下電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)，但和地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵相同，低產(chǎn)水時(shí)存在轉(zhuǎn)速低、間抽方式不能解決平穩(wěn)降液和卡泵風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題；電潛隔膜泵具備了電潛螺桿泵的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)因運(yùn)動(dòng)部件不與井液接觸，不存在卡泵的風(fēng)險(xiǎn)，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(shù)中需要考慮井下氣液分離；同時(shí)，舉升井液中煤粉的增多會(huì)增大隔膜舉升的水頭壓力，對(duì)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(zhǎng)泵的工作時(shí)間。

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

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(jī)組等3個(gè)部分組成。隔膜泵工藝管柱關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—進(jìn)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(wǎng)；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(dǎo)流罩。

1.3 工藝原理

地面系統(tǒng)供電，經(jīng)動(dòng)力電纜將電能傳遞至井下電機(jī)，電機(jī)啟動(dòng)并帶動(dòng)直角減速器旋轉(zhuǎn)，直角減速器帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪帶動(dòng)柱塞做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使上部彈簧壓縮和復(fù)位，最終形成隔膜的壓縮和復(fù)位運(yùn)動(dòng)。由于隔膜的往復(fù)“呼吸”運(yùn)動(dòng)，進(jìn)液閥和出液閥分別打開(kāi)和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)隔膜腔內(nèi)的進(jìn)液和出液舉升動(dòng)作。當(dāng)隔膜泵進(jìn)液閥打開(kāi)時(shí)，出液閥關(guān)閉，油套環(huán)空液從篩管進(jìn)入，經(jīng)螺旋葉片，受自身重力的作用，實(shí)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(jīng)隔膜泵進(jìn)液閥進(jìn)入隔膜腔室；當(dāng)隔膜泵出液閥打開(kāi)時(shí)，進(jìn)液閥關(guān)閉，隔膜腔室內(nèi)的井液經(jīng)出液閥向上進(jìn)入中心管內(nèi)；進(jìn)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(dāng)井液流動(dòng)到中心管上端面后，通過(guò)側(cè)向?qū)Я骺谶M(jìn)入油管內(nèi)，由于流動(dòng)截面增大，流速降低，井液攜帶煤粉能力減弱，在此處進(jìn)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(nèi)。而井液繼續(xù)向上直至被舉升至地面。

1.4 舉升工藝設(shè)計(jì)

1.4.1 地面工藝設(shè)計(jì)

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—?dú)饬髁勘恚?—電纜電線；10—放空火炬。

地面控制柜為戶外型，無(wú)需額外防護(hù)措施，具備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、參數(shù)調(diào)整和啟停功能?？刂乒窆ぷ鳒囟葹?60～50 ℃，相對(duì)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(zhuān)用井口，其上法蘭盤(pán)采用了“井口電纜穿越”技術(shù)，設(shè)置有回注管線、井下壓力計(jì)電纜及隔膜泵動(dòng)力電纜穿越口。水箱為簡(jiǎn)易型，可備1 m3清水。地面井口集水管線上設(shè)有水表，集氣管線上設(shè)有氣流量表，套管另一端設(shè)有套壓表。

1.4.2 舉升工藝井下管柱設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了以電動(dòng)潛油隔膜泵為主體并配套舉升工藝井下管柱(見(jiàn)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(jì)托筒。氣液固在井筒內(nèi)分離。起管時(shí)，井下管柱具有環(huán)境保護(hù)、連接井口及隔膜泵機(jī)組的作用。井下隔膜泵機(jī)組包括導(dǎo)鞋、補(bǔ)償器、電機(jī)、傳動(dòng)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(hù)器，以保護(hù)回注水管線、壓力計(jì)電纜及動(dòng)力電纜。

1—單聯(lián)保護(hù)器；2—回注水管線；3—雙聯(lián)保護(hù)器；4—泄流器；5—壓力計(jì)電纜；6—篩管；7—?jiǎng)恿﹄娎|；8—壓力計(jì)；9—壓力計(jì)托筒；10—隔膜體；11—傳動(dòng)體；12—電機(jī)；13—補(bǔ)償器；14—導(dǎo)鞋。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電潛隔膜泵機(jī)組

隔膜泵機(jī)組選用電驅(qū)動(dòng)的潛油隔膜泵，將電機(jī)放置在井下，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，可有效降低能耗。其中的傳動(dòng)體由傳動(dòng)軸、軸向錐齒輪、徑向錐齒輪、凸輪、柱塞、襯套、滑閥、泄油閥、進(jìn)油閥和彈簧等組成。隔膜體內(nèi)裝有橡膠隔膜(將潤(rùn)滑油與舉升井液隔開(kāi))、進(jìn)液閥總成及出液閥總成。該泵機(jī)組實(shí)際上是一種單獨(dú)工作的柱塞泵，其排量取決于柱塞直徑、行程和沖數(shù)(電源頻率)。通過(guò)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(diǎn)是執(zhí)行部件通過(guò)橡膠隔膜與泵送介質(zhì)的隔離，這些部件在充滿純凈潤(rùn)滑油的密封腔內(nèi)工作。這種油還起工作液的作用，在柱塞泵的作用下推動(dòng)液力驅(qū)動(dòng)的隔膜“呼吸”工作。

本設(shè)計(jì)選用的電潛油隔膜泵機(jī)組外徑117 mm，排量4 m3/d，揚(yáng)程1 600 m，裝機(jī)額定功率3 kW，長(zhǎng)度3.1 m，質(zhì)量125 kg。

2.2 井下三相分離裝置

井下三相分離裝置(見(jiàn)圖1)主要由篩管短節(jié)、金屬濾網(wǎng)(可選)、中心管、螺旋葉片、密封總成、防砂導(dǎo)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(jìn)液通道，上部為排氣通道。可根據(jù)需要選擇是否在篩管外壁包裹金屬濾網(wǎng)，若井筒內(nèi)黏性煤泥較多，建議去掉濾網(wǎng)，避免金屬濾網(wǎng)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(jìn)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(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)螺紋連接在中心管的上部，將中心管上部封堵，防止生產(chǎn)時(shí)或停機(jī)后上部液體中的煤粉下沉進(jìn)入中心管內(nèi)部，造成開(kāi)機(jī)舉升不暢或堵死后無(wú)法舉升的問(wèn)題；同時(shí)，防砂導(dǎo)流罩的側(cè)面設(shè)有導(dǎo)流口，隔膜泵出液閥排出后的井液經(jīng)導(dǎo)流口進(jìn)入油管內(nèi)，再被舉升至地面。對(duì)井下三相分離裝置中的篩管及側(cè)外壁圓孔，可根據(jù)進(jìn)液量設(shè)計(jì)其過(guò)流面積，從而確定其他相關(guān)參數(shù)；對(duì)防堵過(guò)流罩側(cè)孔，可根據(jù)排液量設(shè)計(jì)其過(guò)流面積，從而確定其他相關(guān)參數(shù)。

本設(shè)計(jì)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(wǎng)。密封總成以上的中心管長(zhǎng)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(dǎo)流罩側(cè)面分布2個(gè)0.8 cm×2.0 cm的長(zhǎng)方形孔。

2.3 泄流器

泄流器的功能是實(shí)現(xiàn)管柱工藝環(huán)保，起管柱前建立油管內(nèi)與套管內(nèi)的連通，避免井液污染地面環(huán)境。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由上接頭、泄流銷(xiāo)釘及下接頭組成。泄流器軸向?yàn)榕e升液體通道，側(cè)面開(kāi)孔由泄流銷(xiāo)釘封堵，液體不能流通。修井作業(yè)時(shí)，在起生產(chǎn)管柱前，從地面向油管內(nèi)投入專(zhuān)用撞擊棒，使泄流銷(xiāo)釘脫落，油管與套管連通，泄流器以上油管內(nèi)的井液在起油管過(guò)程中流入套管內(nèi)，故起至井口的管柱內(nèi)沒(méi)有容納井液，不會(huì)產(chǎn)生地面污染問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的泄流器外徑88.9 mm(3in)，內(nèi)徑50.8 mm(2 in)，長(zhǎng)度0.1 m。

2.4 單/雙聯(lián)保護(hù)器

單聯(lián)保護(hù)器和雙聯(lián)保護(hù)器功能是扶正保護(hù)動(dòng)力電纜、壓力計(jì)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(guò)程中的磕碰與損傷。其中單聯(lián)保護(hù)器在油管中部使用，雙聯(lián)保護(hù)器在油管接箍處使用。單/雙聯(lián)保護(hù)器技術(shù)參數(shù)如表1所示。在隔膜泵機(jī)組電機(jī)上端面引接電纜處，采用鑄鋼型電纜保護(hù)器，同時(shí)在L型井二開(kāi)造斜點(diǎn)以下配套油管扶正器。通過(guò)一系列剛性保護(hù)，保障了起下管柱及生產(chǎn)過(guò)程中電纜和管線完好。

表1 單/雙聯(lián)保護(hù)器主要技術(shù)參數(shù) 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(yùn)行穩(wěn)定性。其中注水管線通過(guò)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(shí)，通過(guò)打開(kāi)地面水箱開(kāi)關(guān)，依靠水勢(shì)差將潔凈水不斷向井筒內(nèi)補(bǔ)給，稀釋井筒煤粉濃度，改善井下泵工作環(huán)境，提高泵運(yùn)行穩(wěn)定性。若井套壓高，可通過(guò)開(kāi)啟地面注水泵實(shí)施回注水工藝。

本設(shè)計(jì)選用了排量3 m3/d，揚(yáng)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(dòng)力單元和控制單元組成，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程服務(wù)器及用戶終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。它可滿足煤層氣井“連續(xù)、緩慢、穩(wěn)定、長(zhǎng)期”生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停及保護(hù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)字化遠(yuǎn)程智能控制等功能，達(dá)到閉環(huán)控制管理生產(chǎn)的目的。儀表單元包括井下壓力計(jì)、套壓變送器、管壓變送器、氣體流量計(jì)及流體流量計(jì)。動(dòng)力單元主要為變頻控制器?？刂茊卧娫聪到y(tǒng)、采集模塊、控制模塊、通信模塊及人機(jī)界面。智能控制系統(tǒng)可以對(duì)動(dòng)液面、氣水量、套壓、井底流壓及電流等參數(shù)實(shí)施測(cè)量和診斷、實(shí)施遠(yuǎn)程調(diào)參和及時(shí)處理。在必要時(shí)根據(jù)采集的參數(shù)，降低隔膜工作頻率或開(kāi)展間歇性排水，更好地滿足了經(jīng)濟(jì)工作模式。

2.7 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)集成創(chuàng)新了井下三相分離裝置。國(guó)內(nèi)外油田應(yīng)用的隔膜泵機(jī)組沉砂主要依靠油層之下的沉砂口袋[11-14]，而管柱上沒(méi)有設(shè)計(jì)固液分離功能。本文研制的井下三相分離裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)了沉砂功能。不僅將沉砂功能設(shè)計(jì)在篩管之上，而且設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的防砂導(dǎo)流罩，實(shí)現(xiàn)了氣液固分離及分離后固體的儲(chǔ)存，保障了煤層氣井的正常生產(chǎn)。

(2)實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外首次在煤層氣井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該技術(shù)在沁南盆地2口L型煤層氣井的首次應(yīng)用即取得了成功，形成了煤層氣開(kāi)采領(lǐng)域一項(xiàng)新的舉升工藝及配套技術(shù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(diǎn)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(qū)動(dòng)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(shù)，運(yùn)行較為平穩(wěn)，產(chǎn)水量在1～4 m3/d之間波動(dòng)，但排采生產(chǎn)過(guò)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(shù)后，兩口井生產(chǎn)曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 Q1-H井生產(chǎn)曲線

圖5 Q2-H井生產(chǎn)曲線

截至目前已分別運(yùn)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(jī)及冬季地面管網(wǎng)凍堵對(duì)產(chǎn)量造成影響外，運(yùn)行較之前螺桿泵排采工藝更加平穩(wěn)，且停機(jī)后開(kāi)機(jī)生產(chǎn)正常，泵效穩(wěn)定在85%以上，套壓穩(wěn)定，產(chǎn)水量穩(wěn)定在1 m3/d，產(chǎn)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(jī)額定功率為15 kW，實(shí)際運(yùn)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(jī)額定功率為3 kW，實(shí)際運(yùn)行2.0～2.5 kW，年耗電僅1.8×104～2.2×104kW·h，年節(jié)電量達(dá)4.8×104～6.9×104kW·h，節(jié)能降耗效果顯著。

4 結(jié)論及建議

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

(2)該舉升及配套工藝簡(jiǎn)單，地面設(shè)備少，沒(méi)有驅(qū)動(dòng)裝置，不需要地基，所用隔膜泵具有體積小、質(zhì)量輕、長(zhǎng)度短、泵效高、運(yùn)行穩(wěn)定以及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

(3)該舉升及配套工藝是一種新的開(kāi)采煤層氣舉升工藝技術(shù)，技術(shù)總體處于起步階段，工藝的適應(yīng)性及配套技術(shù)有待進(jìn)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(shù)，為煤層氣大斜度井的開(kāi)采提供有力的技術(shù)保障。