陳曉宇

(中國石化江漢油田分公司,湖北潛江 433124)

目前常用的強(qiáng)排工藝主要有氣舉排采、射流泵排采、機(jī)抽排采、電潛泵排采4種。氣舉排采受氣源影響大,限制了措施的推廣,射流泵和機(jī)抽排采下入深度受限,對深井適應(yīng)性較差。綜合對比表明,電潛泵排采工藝對涪陵深層中高水氣比氣井適應(yīng)性最高,為解決垂深3 500 m以深的高產(chǎn)水頁巖氣井生產(chǎn)難題,故開展電潛泵排水采氣工藝研究與應(yīng)用。

1 電潛泵排采工藝原理

電潛泵排采舉升系統(tǒng)由井下、地面及電力傳送三部分組成(圖1)。井下部分主要有多級(jí)離心泵、氣液分離器、電機(jī)、保護(hù)器和井下監(jiān)控裝置;地面部分主要有降壓變壓器、變頻控制器、接線盒及井口裝置;電力傳送部分主要為電纜。

圖1 電潛泵排采舉升系統(tǒng)示意

當(dāng)控制器開關(guān)處于合閘狀態(tài)時(shí),地面電網(wǎng)輸入電流經(jīng)降壓變壓器后,由電纜傳送到電機(jī),由于電機(jī)軸與離心泵軸連為一體,電機(jī)會(huì)帶動(dòng)離心泵的葉輪高速旋轉(zhuǎn),從井筒中穿過氣液分離器到達(dá)葉輪的液體,在離心力的作用下,從葉輪中心沿葉片間的流道甩向葉輪四周。通過導(dǎo)輪的流道被引向次一級(jí)葉輪,因?yàn)橐后w受葉片的作用力,使壓力和速度同時(shí)增加,液體在逐次流過各級(jí)葉輪、導(dǎo)輪后,壓能增加,逐個(gè)泵級(jí)疊加可獲得一定的泵揚(yáng)程,將井下積液排出井口至地面管線[6-8]。

2 電潛泵排采工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 電潛泵排采工況分析

對應(yīng)用電潛泵排水采氣工藝的頁巖氣井生產(chǎn)規(guī)律進(jìn)行摸索,一般將氣井生產(chǎn)劃分為生產(chǎn)初期、氣水同產(chǎn)期和穩(wěn)定生產(chǎn)期三個(gè)階段,每個(gè)階段的特點(diǎn)如下。

生產(chǎn)初期:井筒內(nèi)液面較高,需要電潛泵強(qiáng)排水迅速降低井筒積液,以最快速度恢復(fù)該氣井的產(chǎn)能,此時(shí)產(chǎn)液量較大,產(chǎn)氣較少。

氣水同產(chǎn)期:在強(qiáng)排一段時(shí)間后,氣井的供液和排液量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,井底流壓降低到設(shè)計(jì)目標(biāo)后,進(jìn)入到氣水同產(chǎn)階段。

穩(wěn)定生產(chǎn)期(高氣液比):還需要繼續(xù)排液,使該井井底保持較低壓力,保證地層與井底的生產(chǎn)壓差,從而保持該井產(chǎn)氣量,避免井液積累在井筒而影響生產(chǎn),也避免水淹情況的發(fā)生。

對工程有影響的基巖裂隙、溶隙水主要指分布于場區(qū)灰?guī)r溶隙、裂隙、溶洞內(nèi)的淺層水體，在場區(qū)內(nèi)局部分布。受裂隙、溶隙或溶洞、巖性組合、高程等因素控制。地塊地下水較貧瘠，久晴，無地下水；久雨，局部存在上層滯水，但由于擬建場地地勢總體較平緩，雨季施工基坑底部將可能局部出現(xiàn)積水、涌水，建議在基坑等低洼處做好排水措施。

電潛泵排水采氣設(shè)計(jì)考慮初期強(qiáng)排水,中期氣水同采,后期穩(wěn)定生產(chǎn)的不同工況,結(jié)合氣井井斜數(shù)據(jù)、地層溫度和鄰井產(chǎn)氣、產(chǎn)水等數(shù)據(jù),使用專業(yè)電潛泵設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬分析,從而選定電潛泵機(jī)組。泵掛深度一般原則上在保證井下機(jī)組作業(yè)通過性和運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下盡量下深,以達(dá)到最大限度降低井底流壓和擴(kuò)大生產(chǎn)壓差的目的,保證該井的日產(chǎn)氣量。

2.2 電潛泵排采關(guān)鍵技術(shù)

跟常規(guī)氣井不同,頁巖氣井存在以下難點(diǎn):①氣井生產(chǎn)時(shí),出液量及產(chǎn)量變化較為劇烈;②井筒內(nèi)存在砂及其他固體顆粒,易對離心泵產(chǎn)生磨損;③揚(yáng)程要求高,頁巖氣井電潛泵工藝垂深一般為3 000～3 500 m;④存在游離氣進(jìn)入離心泵,產(chǎn)生氣鎖現(xiàn)象,對高氣液比工況適應(yīng)性要求高。

2.2.1 氣液分離技術(shù)

主要包括多級(jí)分離及組合分離兩種技術(shù)。多級(jí)分離是較大氣泡在第一級(jí)分離,中等體積氣泡在第二級(jí)分離,較小體積氣泡在第三級(jí)分離;組合分離是指采取兩個(gè)分離流程組合,將逆流式、旋轉(zhuǎn)式或渦流式等不同類型的井下氣水分離器組合,這樣氣體分離效率可以提升至90%。

2.2.2 離心泵含氣處理

為了增強(qiáng)離心泵對氣體的適應(yīng)性,現(xiàn)場采用組合泵形式,即氣體壓縮泵+多相流泵+寬幅泵。

首先,氣體壓縮泵將氣泡壓縮,與產(chǎn)出水充分混合進(jìn)入泵筒,入泵自由氣體積含量小于75%,改善離心泵工作環(huán)境,防止產(chǎn)生氣鎖現(xiàn)象;其次,MVP多相流泵采用分離葉片和超大平衡孔,能更好地處理高氣液比流體,陡峭的葉片角度可實(shí)現(xiàn)大動(dòng)量傳遞,單級(jí)揚(yáng)程高,最大可適應(yīng)自由氣體體積含量小于70%,專用于高氣液比井;最后,寬幅泵的排量范圍控制在6～460 m3/d,不僅完全適應(yīng)氣井出水量逐步減少,從開始的幾百立方米遞減到幾十立方米甚至幾立方米,同時(shí)寬幅泵滿足入泵自由氣體體積小于30%情況下運(yùn)行。

2.2.3 井筒砂及顆粒影響處理

大規(guī)模體積壓裂所用支撐劑或其他地層固體顆粒在生產(chǎn)過程中存在隨壓裂液或地層水部分排出的現(xiàn)象,固體顆粒會(huì)造成卡泵從而導(dǎo)致過載,其磨損和沖蝕作用會(huì)導(dǎo)致泵本體和葉輪損壞,從而縮短電潛泵使用壽命。

采取措施包括兩類:一是在氣體分離器吸入口加裝濾網(wǎng)裝置,避免橋塞碎屑或其他固體顆粒進(jìn)泵影響井下機(jī)組的使用壽命;二是選用流道較寬、對固體顆粒適應(yīng)性較強(qiáng)的泵,同時(shí)配置高強(qiáng)度耐磨軸提高離心泵的耐磨性。

2.2.4 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控技術(shù)

利用油壓變送器、套壓變送器、井下7參數(shù)傳感器對電潛泵井的油壓、套壓、泵入口壓力、泵出口壓力、電機(jī)頻率、電機(jī)溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,通過GPRS模塊對數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行傳輸,通過電潛泵控制柜執(zhí)行調(diào)整指令。

通過監(jiān)控工作站,可查看電潛泵井的運(yùn)行參數(shù)以及開關(guān)井狀態(tài),并可遠(yuǎn)程調(diào)整電潛泵運(yùn)行頻率或啟停泵,同時(shí)控制柜通過限電流運(yùn)行、定頻運(yùn)行+電流/扭矩三種運(yùn)行模式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解氣鎖。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)電潛泵排水采氣工藝在高產(chǎn)水井的適用性,對JD-2、YC-1、YC-2井先后進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),現(xiàn)以JD-2井為例,介紹電潛泵在該井的應(yīng)用情況。

3.1 JD-2井基本情況

JD-2井于2017年11月17日完鉆,完鉆井深5 778 m,完鉆層位為奧陶系上統(tǒng)五峰組,該井壓裂施工總液量39 539.68 m3,測試返液26 m3/h,返排率9.52%,JD-2井于2018年6月投產(chǎn),投產(chǎn)初期主要通過放噴排液,產(chǎn)水量高達(dá)81 m3/h,放噴激活后采用套管試采,在氣井產(chǎn)能衰減和高產(chǎn)水雙重影響下,套管短期內(nèi)連續(xù)生產(chǎn),后因與管網(wǎng)壓力持平關(guān)井,進(jìn)入間開階段,整體生產(chǎn)效果較差。截至2019年3月,氣井累計(jì)產(chǎn)氣329.6×104m3,累計(jì)產(chǎn)水11 547.6 m3。

3.2 電潛泵排采工藝應(yīng)用情況

JD-2井作為首口電潛泵試驗(yàn)井,先后進(jìn)行了兩次作業(yè),相關(guān)作業(yè)深度見表1。

表1 電潛泵加深前后基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2019年4月進(jìn)行下油管及第一次下入電潛泵作業(yè),2019年4月至2020年5月期間,平均日產(chǎn)氣1.42×104m3,平均日產(chǎn)水27.09 m3,生產(chǎn)時(shí)率較自噴階段增加48.1%,期間最高排水量為106m3/d,最高產(chǎn)氣量為4.07×104m3/d。

2021年2月完成加深電潛泵作業(yè)后,在2021年2月至2021年11月期間,平均日產(chǎn)氣1.42×104m3,平均日產(chǎn)水19.26 m3,生產(chǎn)時(shí)率進(jìn)一步提高,達(dá)到93.67%。在垂深3 500 m以深、高低產(chǎn)水條件下,電潛泵排采工藝均展現(xiàn)出良好的適應(yīng)性(表2)。

表2 JD-2井各階段生產(chǎn)情況

4 結(jié)論

1)井下氣液分離、變頻防氣鎖、遠(yuǎn)程智能監(jiān)測等技術(shù)提高了電潛泵在頁巖氣井不同返排階段的適應(yīng)能力。

2)電潛泵排水采氣工藝能夠有效降低井下流壓,擴(kuò)大生產(chǎn)壓差,保證氣井連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn),且能夠滿足垂深3 500 m以深的排采要求,有效解決了深層常壓高產(chǎn)水井甚至水淹井的生產(chǎn)問題。