煤層氣井井下工況診斷技術(shù)及解決措施研究

李袖臣　張文　王婧

摘 要：由于煤層氣排水采氣的開發(fā)方式以及其易于吐砂吐煤粉的生產(chǎn)特征，導(dǎo)致其井下工況的診斷分析方法有別于常規(guī)油氣井。由于煤層氣井這種特殊的工作環(huán)境，導(dǎo)致煤層氣井常常發(fā)生故障，而連續(xù)穩(wěn)定排采對(duì)于煤層氣井至關(guān)重要，因此，準(zhǔn)確的掌握煤層氣井井下工況，提出針對(duì)性的解決措施，是提高煤層氣井開采效率的關(guān)鍵。本文通過對(duì)煤層氣井各種典型示功圖的大量分析對(duì)比，形成了一套能夠快速和準(zhǔn)確地識(shí)別煤層氣井井下故障的工況診斷技術(shù)，診斷準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上，能保證煤層氣井長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效的排采。并以保德區(qū)塊煤層氣井工況診斷技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，建立一套適合保德區(qū)塊的煤層氣井功圖數(shù)據(jù)庫，可自動(dòng)根據(jù)工況判斷井下故障，并提出具體的解決措施。

關(guān)鍵詞：煤層氣;示功圖;工況診斷技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0148-04

煤層氣排水采氣的開發(fā)方式以及其易于吐砂吐煤粉的生產(chǎn)特征導(dǎo)致其井下工況非常復(fù)雜。泵的工作狀態(tài)影響因素較多，不但受到“管、桿、泵”運(yùn)行過程中出現(xiàn)的磨損、碰撞等影響，還受到煤層氣井出水、出氣、出煤粉等因素的影響。由于這種工作環(huán)境，導(dǎo)致煤層氣井抽采系統(tǒng)常常發(fā)生故障，而連續(xù)穩(wěn)定排采對(duì)于煤層氣井至關(guān)重要，因此，準(zhǔn)確的掌握煤層氣井井下工況，及時(shí)處理井下故障，是有效提高煤層氣井開采效率和降低能耗的關(guān)鍵。

現(xiàn)階段煤層氣井井下工況診斷方法基本參考常規(guī)油氣田上的故障分析方法與技術(shù)，分析結(jié)果單一，導(dǎo)致很多煤層氣井井下工況判斷不清楚，不能正確反映煤層氣井井下工況的準(zhǔn)確情況。因此本文通過對(duì)保德區(qū)塊煤層氣井各種典型示功圖進(jìn)行分析對(duì)比，總結(jié)形成一套適合保德區(qū)塊的煤層氣井工況診斷技術(shù)，并匯總各種井下故障的標(biāo)準(zhǔn)示功圖建立數(shù)據(jù)庫，可自動(dòng)判斷井下故障，并提出具體的解決措施，保證煤層氣井長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效的排采。

1 理論示功圖

煤層氣與常規(guī)油氣田開采方式基本相似，通常都使用抽油機(jī)配合有桿泵生產(chǎn)。工作原理是：抽油機(jī)通過抽油桿帶動(dòng)有桿泵工作，將地層中水排出至地面。在抽油機(jī)上下運(yùn)動(dòng)的過程中，最頂端稱為上死點(diǎn)，最底端稱為下死點(diǎn);定義從上下死點(diǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次為一個(gè)沖程。在一個(gè)沖次過程中，以抽油機(jī)相對(duì)下死點(diǎn)的位移S為橫軸，以抽油機(jī)向上的拉力F為縱軸，就可以繪制出一張關(guān)于F、S的閉合曲線，稱為示功圖。示功圖曲線所圍成的面積大小表示了有桿泵在一個(gè)沖程內(nèi)做功的多少，根據(jù)此圖可對(duì)整個(gè)油井生產(chǎn)系統(tǒng)的工作狀況做分析判斷。理論示功圖，是認(rèn)為有桿泵不受任何外界影響，光桿只承受抽油桿柱與活塞以上液柱的靜載荷時(shí)所得到的示功圖（如圖1所示）[1]。

2 典型實(shí)測(cè)示功圖的綜合解釋及應(yīng)用

煤層氣井由于工作介質(zhì)不同，實(shí)測(cè)示功圖與理論示功圖差異較大。在分析示功圖時(shí)，要全面掌握煤層氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，依據(jù)示功圖的形狀，與標(biāo)準(zhǔn)示功圖對(duì)比，綜合分析影響示功圖的主要因素，判斷煤層氣井的井下工況，并及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，保證煤層氣井的長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效的排采。

2.1桿柱斷脫

2.1.1 抽油桿柱斷脫

抽油桿斷脫的懸點(diǎn)載荷是斷脫點(diǎn)以上的抽油桿柱在水中的重量，懸點(diǎn)載荷不變;由于摩擦，使上下載荷線不重合，成條帶狀[2]。示功圖載荷的大小取決于斷脫點(diǎn)的位置：斷脫點(diǎn)離井口越近，示功圖越接近橫坐標(biāo);斷脫點(diǎn)離井口越遠(yuǎn)，示功圖越接近最小理論載荷線。

保2-14向3井于2013年10月30日不出液，最大載荷與正常時(shí)載荷差不多，最大載荷與最小載荷相差不大，基本可斷定為靠底部桿柱斷脫（如圖2所示）。該井檢泵結(jié)果為自上而下第94、95根抽油桿脫扣，該井原井泵掛深度為798.92m。

保4-05向1井于2013年10月29日不出液，最大載荷與最小載荷相差不大，最小載荷比正常時(shí)最小載荷小很多，基本可斷定為上部抽油桿斷脫（如圖3所示）。該井檢泵結(jié)果為自上向下第20根抽油桿斷。

2.1.2脫接器斷脫

脫接器斷脫最小載荷基本與正常時(shí)功圖最小載荷相同，最大載荷與最小載荷相差不大，并且圖形成條形波浪狀。保2-30向1井于2013年10月29日不出液，脫接器斷脫特征明顯（如圖4所示）。該井檢泵結(jié)果為脫接器斷。

主要解決措施：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督要嚴(yán)格把關(guān)新井下泵和檢泵作業(yè)的施工質(zhì)量，保證抽油桿螺紋連接處緊固力足夠;合理優(yōu)化組合抽油桿柱;對(duì)偏磨嚴(yán)重部位優(yōu)化管柱設(shè)計(jì)，采用多種扶正器配合使用，在排采上可以采用“長(zhǎng)沖程小沖次”的工作方法;物資采購時(shí)要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，保證供應(yīng)的物資設(shè)備均符合相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2.2 油管漏

油管漏失是進(jìn)入油管的水會(huì)從漏失處漏入油套環(huán)空，使作用于懸點(diǎn)上的液柱載荷減小，不能達(dá)到最大理論載荷值，所以示功圖形狀與理論示功圖形狀相近，但最大載荷減小。水量減少時(shí)即漏失初期，可進(jìn)行水管線憋壓，根據(jù)憋壓情況判斷是否出現(xiàn)漏點(diǎn)。

保2-18向2井連續(xù)有效排采460天后于2013年11月8日不出液，油管使用天數(shù)為614天，根據(jù)產(chǎn)水量緩慢減少，以及正常功圖和不出液功圖形狀相近，只是最大載荷減小，可初步判斷為油管漏（如圖5所示）。檢泵結(jié)果為自上而下第74根油管絲扣偏磨漏失。

主要解決措施：采用防偏磨措施及管柱。

2.3 泵凡爾漏失

2.3.1 固定凡爾銷釘斷

固定凡爾銷釘作用是使固定凡爾能座封嚴(yán)實(shí)。固定凡爾銷釘斷后，固定凡爾不能正常關(guān)閉，導(dǎo)致游動(dòng)凡爾打不開，懸點(diǎn)不能卸載。示功圖位于最大理論載荷線附近。

保1-02向2井有效排采328天后于2013年10月18日不出液，最大載荷基本不變，最小載荷增加很多，示功圖成條帶狀，可初步判斷為固定凡爾銷釘斷（如圖6所示）。檢泵結(jié)果為固定凡爾銷釘斷。

2.3.2 固定凡爾漏失

下沖程，由于固定凡爾漏失，固定凡爾不能及時(shí)關(guān)閉，泵內(nèi)壓力不能提高而延緩了卸載過程，使游動(dòng)凡爾不能及時(shí)打開。上沖程，固定凡爾漏失不影響泵的工作，示功圖形狀與理論示功圖形狀相近。當(dāng)固定凡爾嚴(yán)重漏失時(shí)，游動(dòng)凡爾一直不能打開，懸點(diǎn)載荷不能卸載。示功圖位于最大理論載荷線附近，示功圖成條帶狀。

保4-08向4井于2013年8月23日不出液，產(chǎn)水量逐漸減少到最后不出液。對(duì)比功圖發(fā)現(xiàn)漏失量逐漸加大到最后不出液，可初步斷定為固定凡爾漏失（如圖7所示）。檢泵結(jié)果為固定凡爾漏失。

2.3.3 游動(dòng)凡爾漏失

上沖程，泵內(nèi)壓力降低，游動(dòng)凡爾不能及時(shí)關(guān)閉，使柱塞上面的液體經(jīng)過游動(dòng)凡爾的不嚴(yán)密處漏到柱塞下部。下沖程，游動(dòng)凡爾漏失不影響泵的工作，示功圖形狀與理論示功圖相似。當(dāng)漏失量很大時(shí)，固定凡爾始終是關(guān)閉的，泵的排量等于零，上沖程載荷遠(yuǎn)低于最大載荷。

保1-27向3井連續(xù)排采116天后于2013年8月12日產(chǎn)水大幅減少（21方減至15方），多次碰泵及大沖次試抽后產(chǎn)水未恢復(fù)（且產(chǎn)水逐漸減少），9月15日產(chǎn)水為4方（泵效為11%），對(duì)比功圖發(fā)現(xiàn)漏失越來越嚴(yán)重，可初步斷定為游動(dòng)凡爾漏失（如圖8所示）。檢泵結(jié)果為游動(dòng)凡爾漏失。

主要解決措施：物資采購時(shí)要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，保證供應(yīng)的物資設(shè)備均符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求;保德區(qū)塊煤層氣井凡爾漏失主要由于煤粉導(dǎo)致，針對(duì)游動(dòng)凡爾漏失的煤層氣井，一般處理措施是碰泵，減緩凡爾座上的煤粉、砂對(duì)凡爾的影響;如果碰泵不能解決，只能進(jìn)行檢泵作業(yè)，更換泵。

2.4 下碰泵

由于下泵過程中活塞裝置過低，當(dāng)活塞下行接近下死點(diǎn)時(shí)，活塞與固定凡爾碰撞，光桿載荷急劇降低，引起抽油桿柱劇烈振動(dòng)，這時(shí)活塞又緊接著上行而引起的。示功圖左下角有凸出。

保2-33向2井2013年7月7日發(fā)現(xiàn)下碰泵，2013年8月17日將防沖距調(diào)大30公分后下碰泵現(xiàn)象消失（如圖9所示）。

主要解決措施：上調(diào)防沖距。

2.5 氣體影響

由于煤層氣井是排水采氣，氣體有壓縮性。泵內(nèi)氣體壓縮，泵內(nèi)壓力不能迅速提高，卸載變慢，導(dǎo)致游動(dòng)凡爾滯后打開，卸載線成一圓弧狀。其曲率半徑越大，泵效越低，表明泵內(nèi)氣體越多，泵充滿程度差，產(chǎn)水量波動(dòng)大，可能導(dǎo)致間歇性出水。

氣體對(duì)煤層氣井的影響較大，直接影響煤層氣井的水量，導(dǎo)致煤層氣井的產(chǎn)量嚴(yán)重下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生氣鎖，因此要控制好套壓，保證足夠的沉沒度。保2-18向5井目前套壓0.54MPa，泵沉沒度41m;該井在排采過程中液面逐漸下降，導(dǎo)致泵的沉沒度不夠，受氣體影響嚴(yán)重，卸載線成一圓弧狀（如圖10所示）。

主要解決措施：檢泵時(shí)調(diào)整泵掛深度，增大其沉沒度;盡量將防沖距調(diào)小;檢泵或新井下泵可部分試驗(yàn)高效氣錨或防氣泵。

3 功圖數(shù)據(jù)庫的運(yùn)用

功圖數(shù)據(jù)庫內(nèi)匯總各種井下故障井的標(biāo)準(zhǔn)示功圖，功圖顯示采用位移橫坐標(biāo)、載荷縱坐標(biāo)的方式，能讀取井名稱、采集時(shí)間、最大載荷、最小載荷、沖程、沖次等參數(shù)，調(diào)用和查閱功圖數(shù)據(jù)方便，具有單井分析和功圖對(duì)比（如圖11所示）的功能。功圖對(duì)比還可將單井不同時(shí)期的功圖進(jìn)行疊加，用戶可迅速查看一段時(shí)間內(nèi)的功圖變化趨勢(shì)（如圖12所示），根據(jù)保德區(qū)塊煤層氣井工況診斷技術(shù)，自動(dòng)判斷井下故障，并提出初步的解決措施。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)保德區(qū)塊實(shí)測(cè)示功圖和檢泵結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以及一些排采現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)，提高了對(duì)示功圖的認(rèn)識(shí)，摸索總結(jié)出一套適合保德區(qū)塊的綜合解釋方法，能對(duì)一些保德區(qū)塊特有的井下故障做出準(zhǔn)確的判斷，目前保德區(qū)塊井下故障判斷準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上。

煤層氣井井下工況較為復(fù)雜，分析井下工況時(shí)要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，并綜合憋壓和載荷變化等情況，積累典型示功圖及其應(yīng)對(duì)方法，能更好的指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際，避免問題嚴(yán)重化和延長(zhǎng)修井周期，以降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫新銘，黃衛(wèi)，曹利.示功圖在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].內(nèi)臟科技，2007（8）：125-142.

[2] 黃玉平.示功圖在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用分析[J].青海石油，2010，28（4）：73-78.