張 瑋 張光波 于家盛 王 琪 王洪濤 郭玉廣

(1.中石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 046000；2.中石油華北油田工程技術(shù)研究院，河北 062552；3.華港燃氣集團有限公司，河北 062552)

煤層氣井開發(fā)的主要井型為直井、定向井、水平井為主。常規(guī)直井、定向井開發(fā)影響的范圍較小，單井產(chǎn)量低、經(jīng)濟效益差，而水平井通過改變煤層原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)和煤層原始應力分布，有效的改善了煤儲層裂隙系統(tǒng)，擴大了排采降壓解吸面積。2006年以來，華北油田煤層氣公司開始在樊莊-鄭莊區(qū)塊規(guī)模實施裸眼多分支水平井，由于采用裸眼洞穴方式完井，鉆井、排采過程中井眼、洞穴易變形垮塌，后期治理難度較大，部分井為了提高煤層鉆遇率和成井率，在鉆井過程中試驗了黃原膠等不同類型的聚合物鉆井液，對煤儲層造成了不可恢復的傷害。后陸續(xù)試驗了U型井、L型篩管、L型套管壓裂水平井等水平井，開發(fā)效果得到了明顯改善。目前L型篩管水平井、L型套管壓裂水平井成了開發(fā)的主力井型，該井型相對傳統(tǒng)羽狀水平井型主要有三個方面的優(yōu)勢：(1)井眼可以進行重入，實現(xiàn)有效二次改造，延長排采井壽命；(2)單井產(chǎn)氣量與羽狀多分支水平井相差不多，且煤層每米進尺量采氣量高；(3)成井工藝相對簡單、費用低。L型水平井因其井傾角度一般均大于85°，有桿舉升工藝由于管桿偏磨問題難以適應其生產(chǎn)特性。生產(chǎn)實踐表明無桿舉升工藝可有效解決桿管偏磨問題。目前無桿舉升工藝主要包括電潛螺桿泵、射流泵、水力管式泵、水力柱塞泵等多種工藝。

本文基于水力管式泵系統(tǒng)工作原理組成，分析了故障原因并提出了針對性的治理對策，以期對降低設(shè)備故障率、提高單井排采時率、保障產(chǎn)量平穩(wěn)運行、大規(guī)模應用無桿舉升工藝具有指導意義。

1 水力管式泵工作原理

采用水力U型管原理，使用空心管、油管雙通道，交替增減壓。用采出液做動力傳輸，井下雙柱塞泵直徑差做上下運動，實現(xiàn)了柱塞泵的往復運動，完成排采液力傳動，完成排采。工作時利用高壓液壓油進入驅(qū)動液缸左缸，推動液壓缸活塞左行，使左缸內(nèi)的高壓水由中心管進入井下泵組內(nèi)，井下泵組在此高壓水的作用下上行，此時地面液控閥打開，將排采液由油管內(nèi)排出進行抽采。

水力管式泵具有五個方面的工藝特點：(1)杜絕桿管偏磨，水作為動力在中心管和換空中運行，井筒管柱不運動，杜絕偏磨問題。(2)自清洗管柱，每個沖程上止點，液控閥不再換向，液壓缸持續(xù)工作，維持泵筒在上止點不換向，此時動力液持續(xù)自中心管進入泵腔內(nèi)沖洗固定閥，可把固定閥以上管柱內(nèi)的雜質(zhì)和氣體排至地面。(3)長沖程，低沖次，無桿管式泵運行沖程3.3m，最高沖次4.0r/min，利用長沖程、低沖次方式提高泵效，延長泵的使用時間。(4)節(jié)能效果好，單臺電動機功率小，采取用一備一的模式，低沖次運行時節(jié)電效果明顯。(5)撬裝式結(jié)構(gòu)，運輸、安裝方便，設(shè)備占地小于3m3，質(zhì)量1.5t，安裝運輸無需大型設(shè)備，不需要水泥基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)目前無桿生產(chǎn)情況

自2020年以來投產(chǎn)新井49口，其中44口L型水平井均采用以水力管式泵的無桿排采設(shè)備。從圖1可以看出生產(chǎn)曲線波動較大，說明相對于傳統(tǒng)排采設(shè)備來說，水力管式泵設(shè)備故障點較多影響，對單井產(chǎn)量影響明顯。

圖1 某作業(yè)區(qū)新投產(chǎn)L型水平井產(chǎn)量曲線

3 故障原因分析

3.1 地面故障原因分析

現(xiàn)對研究區(qū)內(nèi)1～3月水力管式泵地面設(shè)備常見故障原因進行統(tǒng)計(圖2)，發(fā)現(xiàn)水力管式泵由于地面設(shè)備相對復雜導致地面故障率明顯偏高、故障點多，造成故障的主要原因有四個方面：(1)配件質(zhì)量問題導致水閥部件、繼電器易損壞；(2)動力液/返出液水質(zhì)差導致進液閥閥芯漏失；(3)常用易損件保養(yǎng)不及時導致機油乳化、皮帶磨損；(4)地面高壓管線振動大導致地面膠管破損。

圖2 水力管式泵1-3月地面故障統(tǒng)計

3.2 井下故障原因分析

受壓裂砂、煤粉、空化腐蝕、管件材質(zhì)、泵體質(zhì)量等因素影響，水力管式泵檢泵原因主要有5種類型(圖3)，分別是卡泵、中心管漏失、油管漏、泵漏失以及篩管堵。

圖3 水力管式泵井下檢泵原因分類統(tǒng)計

4 治理對策

本次研究著重從提高判斷準確率、優(yōu)化管柱結(jié)構(gòu)、提高預防機制等方面入手，降低故障率、縮短故障影響時間，提高排采時率實現(xiàn)穩(wěn)定排采。

(1)依托自動化建立關(guān)聯(lián)參數(shù)響應機制，降低故障影響時間。

通過水力管式泵舉升原理，工藝流程及設(shè)備構(gòu)成進行分析，以設(shè)備中心管、油管壓力變化結(jié)合氣井套、流壓、瞬時氣量變化為依托點，建立關(guān)聯(lián)參數(shù)響應機制，通過自動化遠端傳輸變化，做出準確判斷，降低故障影響時間，提高排采效率(表1)。

表1 水力管式泵主要故障類型識別對照卡

(2)主動推動前置保養(yǎng)工作，降低故障率。

針對水力管式泵地面設(shè)備配件多、故障點多的特點導致的不正常生產(chǎn)建立相關(guān)配件保養(yǎng)周期指導書(表2)，主動推進前置保養(yǎng)工作，降低故障率。

表2 水力管式泵主要配件保養(yǎng)周期參照卡

(3)優(yōu)化管柱結(jié)構(gòu)使用砂氣錨，提高砂氣適應性。

L型水平井在鉆井完成后，全部采用底部開口的管柱結(jié)構(gòu)進行排采，井下管柱最下端吸入口位于生產(chǎn)井垂深最深處的下傾井段，排水后期，泵掛靠近最低點，泵下防竄氣結(jié)構(gòu)垂深將逐漸降低且液面逐漸降低至零，極限為解吸氣可直接進泵，竄氣風險進一步加劇，導致瞬時氣量波動明顯(圖4)。

圖4 L型水平井竄氣實時數(shù)據(jù)

利用自然重力式分離原理引進建議砂氣錨防竄氣裝置(圖5)，通過增大過流面積降低流速，從而降低同等流量下攜帶的氣體量，增強過濾效率，降低竄氣風險，保證單井產(chǎn)氣量平穩(wěn)(圖6)。

圖5 砂氣錨組成簡易結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 單井加裝砂氣錨前后氣量對比

5 治理效果

(1)依托自動化參數(shù)響應機制，及時判斷水力管式泵故障類型，故障處理時間由原3.5h/井次提升至目前2.7h/井次，有效提高排采效率。

(2)依照保養(yǎng)周期指導書，推動水力管式泵地面設(shè)備保養(yǎng)工作，配件老壞故障率降低15%。

(3)對15口井進行加裝砂氣錨試驗，有效井數(shù)11口，單井產(chǎn)氣量平穩(wěn)，平均增氣500～600m3/d。