劉波(中石化臨汾煤層氣分公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

煤層氣勘探開(kāi)發(fā)需要實(shí)施水力壓裂改造煤層以達(dá)到較高的采收率，加之煤層易破碎，煤粉顆粒較小等原因，極易在排采過(guò)程中發(fā)生煤粉隨排采水產(chǎn)出現(xiàn)象。煤粉產(chǎn)出易造成活塞卡泵、固定凡爾、游動(dòng)凡爾、篩管堵塞等問(wèn)題，從而導(dǎo)致檢泵。部分高產(chǎn)井檢泵壓井導(dǎo)致井底流壓回升、儲(chǔ)層傷害，從而導(dǎo)致氣量無(wú)法恢復(fù)，嚴(yán)重影響最終采收率。本文通過(guò)對(duì)煤粉卡泵原因分析，明確影響因素及特性，針對(duì)性地試驗(yàn)、研發(fā)了六種防治工藝：一是應(yīng)用防煤粉泵，二是應(yīng)用無(wú)桿舉升隔膜泵，三是應(yīng)用帶壓洗井裝置，四是煤層下帶封洗井，五是空心桿氣舉排液，六是套管撈水排液。以上六種防治工藝均在氣田開(kāi)展了試驗(yàn)，效果各有優(yōu)劣，現(xiàn)對(duì)六種工藝進(jìn)行分析總結(jié)評(píng)價(jià)。

1 煤層氣井煤粉粒徑分析及產(chǎn)液量與可攜帶顆粒粒徑計(jì)算

1.1 煤粉粒徑分析

對(duì)部分篩管堵塞及卡泵井在絲堵、篩管、固定凡爾及柱塞處進(jìn)行煤粉取樣?；?yàn)表明混合物主要成分為：壓裂石英砂、煤灰煤粉及煤層產(chǎn)出的瀝青質(zhì)膠狀混合物。同時(shí)進(jìn)行了十六目篩粒徑分選：

(1)十六目篩以上樣品分析結(jié)果：①其中大顆粒物質(zhì)約占篩余部分的10%，最大直徑達(dá)10 mm，最小直徑為1.26 mm；②其余均為巖屑，巖屑最大直徑為5 mm，厚度為1 mm 的片狀物；在2 mm 左右直徑的顆粒占篩余量的50%；

(2)十六目篩以下樣品粒徑分析結(jié)果：①最小粒徑為：1.381 μm；最大粒徑為：517.2 μm；中間值為：80.99 μm；②直徑分布百分比含量如下：30%＜25.896 9 μm；70%＜160.463 9 μm；80%＜201.697 9 μm；90%＜260.226 5 μm；95%＜311.860 4 μm。從十六目篩以下樣品的粒徑化驗(yàn)結(jié)果得出，直徑＜0.2 mm 的顆粒占比達(dá)80%。

1.2 不同日產(chǎn)液量可攜帶的顆粒粒徑計(jì)算

應(yīng)用“垂直井筒開(kāi)采最小攜砂速度”計(jì)算公式及“不同日產(chǎn)液量下D73mm 油管內(nèi)液流速度”計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算從而確定不同日產(chǎn)液量可攜帶的顆粒粒徑。日產(chǎn)液量越大，油管內(nèi)液體可攜帶的顆粒粒徑越大。且日產(chǎn)液量0.2 m3時(shí)，油管內(nèi)液體流速可攜帶粒徑小于0.2 mm 的顆粒；日產(chǎn)液量0.16 m3時(shí)，油管內(nèi)液體流速可攜帶粒徑＜0.12 mm的顆粒；日產(chǎn)液量0.12 m3時(shí)，油管內(nèi)液體流速可攜帶粒徑＜0.07 mm 的顆粒[1]。

2 延川南煤層氣田多種舉升工藝應(yīng)用實(shí)踐與評(píng)價(jià)

2.1 防煤粉泵現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及評(píng)價(jià)

2017 年初在氣田優(yōu)選9 口井應(yīng)用兩種防煤粉泵，截至2021 年2 月仍有2 口井正常生產(chǎn)，免修期近1 460 d。第一種長(zhǎng)柱塞短泵筒泵應(yīng)用效果好，達(dá)到預(yù)期目的，第二種無(wú)固定閥泵由于泵筒自身問(wèn)題使用初期效果就不好，后期全改為普通泵生產(chǎn)，應(yīng)用效果對(duì)比如表1 所示。

2.2 隔膜泵無(wú)桿舉升

2019 年氣田引進(jìn)隔膜泵，力圖解決煤粉卡泵、偏磨、桿斷等問(wèn)題。在W129 平臺(tái)延6-46-36 井和W12 平臺(tái)延3-V1-P1 井開(kāi)展試驗(yàn)，應(yīng)用效果如表2 所示。

兩個(gè)試驗(yàn)井均因電機(jī)燒故障停機(jī)，原因：一是液量較少，間斷運(yùn)行，電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，運(yùn)行工況差。二是該泵是電力驅(qū)動(dòng)柱塞泵，但柱塞對(duì)煤粉適應(yīng)性較差，煤粉粘附柱塞導(dǎo)致摩阻過(guò)大電機(jī)過(guò)載。三是該泵隨著下泵深度增加舉升液量減少。但氣田煤層氣井排采后期產(chǎn)液量為0.5 m3/d 左右，該泵設(shè)計(jì)1 300～1 500 m 的揚(yáng)程下排量為8～6 m3，和現(xiàn)場(chǎng)液量不匹配。四是氣田新區(qū)煤層氣水平井初期日排液量在50 ～150 m3，且下泵深度在1 200～1 400 m，但該泵設(shè)計(jì)下深600 m 時(shí)最大日排液量?jī)H為20 m3，也不符合現(xiàn)場(chǎng)要求。因此，該泵雖然具備無(wú)桿舉升優(yōu)勢(shì)，但針對(duì)目前煤層氣井的要求不適應(yīng)。

表1 無(wú)固定閥泵和長(zhǎng)柱塞短泵筒泵應(yīng)用效果對(duì)比表

表2 井下隔膜泵應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.3 帶壓洗井裝置應(yīng)用

通過(guò)計(jì)量泵24 h 不間斷將排采水帶壓打入套管，再機(jī)抽排液帶出，形成循環(huán)洗井，打入的排采水增加了日產(chǎn)液量，從而能將煤粉帶出井筒，避免煤粉落在泵內(nèi)固定閥上，導(dǎo)致閥關(guān)不嚴(yán)造成漏失進(jìn)而泵效下降或煤粉堵塞泵筒造成卡泵(圖1)。機(jī)理：一是提高了油管內(nèi)的液流速度，根據(jù)前述液流速度越大，攜帶煤粉能力越強(qiáng)；二是采出的排采水再次進(jìn)入井筒循環(huán)，間接提高了日產(chǎn)液水平；三是同一平臺(tái)排采水性質(zhì)相近，不存在再次進(jìn)入井筒而造成煤層敏感性問(wèn)題，避免了水敏造成氣量下降。2020 年累計(jì)安裝135 井次，從使用效果上來(lái)看，維護(hù)率有所下降，部分井免修期得到延長(zhǎng)。選用計(jì)量泵型號(hào)：流量150 L/h，材質(zhì)304，壓強(qiáng)0.3 MPa，電壓/功率220 V/90 W。

2.4 煤層層位下帶封洗井工藝

根據(jù)收集大量煤層氣井作業(yè)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤層以下至人工井底存在大量煤泥、壓裂砂、泥漿殘留等混合物。雖然新井投產(chǎn)時(shí)沖砂至人工井底，但由于井筒口袋僅有30 m，氣井長(zhǎng)期生產(chǎn)帶出大量煤粉沉在井底，篩管在煤層之下更易堵塞，造成進(jìn)液不暢影響泵效，煤粉更不易隨水帶至地面，疊加效應(yīng)造成井筒口袋沉淀物越來(lái)越多。因此通過(guò)帶封洗井工藝清理煤層口袋沉淀物，達(dá)到凈化口袋目的。

2021 年1 月在W19 平臺(tái)延3-8-26 井開(kāi)展試驗(yàn)，采用特制RTTS封隔器，內(nèi)通徑58 mm，采用73 mm 平式油管懸掛，用36 mm 空心桿作為循環(huán)加深管柱(節(jié)箍外徑51 mm)，如圖2 所示?，F(xiàn)場(chǎng)接單根4 根空心桿到達(dá)預(yù)定深度，洗井泵壓10～15 MPa，成功洗出大量煤粉[1-2]。

工藝評(píng)價(jià)：一是RTTS 封隔器是該工藝核心，必須保證深度準(zhǔn)確、密封合格，必要時(shí)可附加水力錨輔助固定管柱。二是封隔器座封后必須試壓，正打壓15 MPa 驗(yàn)封合格。三是泵車啟泵后，先小排量洗井，待有返出后逐漸加大排量，控制泵壓不要超過(guò)封隔器最大承受壓力，防止膠皮刺漏，洗井液灌入煤層造成損害。四是本次作業(yè)空心桿井口密封采用簡(jiǎn)易防噴盒密封，依靠空心桿自重壓住自制密封膠皮，僅能實(shí)現(xiàn)靜密封不漏水，但活動(dòng)桿柱時(shí)必須停泵，否則井口漏水，目前還不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封洗井。后期還需工藝改進(jìn)。

圖1 帶壓洗井裝置流程圖

圖2 帶封洗井管柱結(jié)構(gòu)圖

2.5 空心桿氣舉排液工藝

在73 mm 油管中下入36 mm 空心抽油桿，通過(guò)壓縮機(jī)向管桿環(huán)空內(nèi)注入高壓氣體，降低井內(nèi)氣液混合物的密度，形成高速流體，再經(jīng)空心桿將低密度的氣液兩相流體舉升至地面排出，從而實(shí)現(xiàn)排水降壓目的。排到地面的氣液混合物經(jīng)氣液分離器分離，水進(jìn)水池，氣進(jìn)壓縮機(jī)加壓再次注入井內(nèi)，形成循環(huán)(圖3)。

圖3 空心桿氣舉地面流程圖

2021 年1 月在W46 平臺(tái)延3-30-22 井開(kāi)展試驗(yàn)，1 月17 日完成井下管柱(圖4)，1 月18 日開(kāi)始?xì)馀e，分離器無(wú)水排出，等液面恢復(fù)。2 月4 日分離器有10 L 水排出，2 月5 日加深一根空心桿，排出0.1 m3水，此后每3 d 排水20 L 形成制度。日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在2 000 m3。地面返出流程可見(jiàn)明顯排采水及煤粉。

2.6 套管撈水舉升工藝

由于煤層氣井產(chǎn)液量低，間抽或停抽一段時(shí)間后復(fù)抽排液經(jīng)常會(huì)遇阻導(dǎo)致徹底抽不起來(lái)，從而導(dǎo)致維護(hù)率較高。有鑒于此，2020年氣田應(yīng)用空井筒套管撈水舉升工藝，加工一個(gè)4 m長(zhǎng)、外徑114 mm 的撈水筒，置于井口防噴管內(nèi)，防噴管外徑140 mm，總長(zhǎng)5.6 m(提升管4.7 m，下接頭0.9 m)，采用撈油車對(duì)13 口井開(kāi)展試驗(yàn)。撈水前井筒都用118 mm 通井規(guī)通過(guò)，但由于撈水筒較輕，5 個(gè)井撈水遇阻不成功。8 個(gè)井撈水成功，但由于部分井產(chǎn)氣量低，流量計(jì)計(jì)量不準(zhǔn)，反而出現(xiàn)撈水后氣量下降，屬于異常樣本不予考慮。撈水有效井3 個(gè)，占比較低。

工藝評(píng)價(jià)：一是撈水筒長(zhǎng)度受限于防噴管，一次撈水量?jī)H為40 L。如遇液量大的井，撈水次數(shù)較多，效率較低，投入產(chǎn)出比低。二是低氣量井流量計(jì)計(jì)量誤差大，對(duì)撈水效果評(píng)估影響大。三是撈水僅用于井斜小于40°的定向井，大斜度井未嘗試。

圖4 空心桿氣舉井下結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤粉顆粒構(gòu)成規(guī)律分析及產(chǎn)液攜帶能力計(jì)算，掌握煤粉運(yùn)移等規(guī)律。在延川南煤層氣田治理煤粉卡泵過(guò)程中嘗試多種舉升及治理工藝，均在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有益嘗試，試驗(yàn)效果好的需進(jìn)一步推廣，不適應(yīng)的需繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)提高完善：

(1)帶沉砂管的防煤粉泵在氣田應(yīng)用良好，有兩口井從2017 年使用后至今未作業(yè)，可繼續(xù)推廣使用，尤其是針對(duì)煤粉多，檢泵頻繁井。無(wú)固定閥防煤粉泵適應(yīng)性不好，需廠家改進(jìn)。據(jù)調(diào)研有一種防砂防垢固定閥可直接替換普通泵的固定閥，也具有防卡泵效果，期待應(yīng)用效果評(píng)價(jià)。

(2)無(wú)桿舉升隔膜泵在我工區(qū)應(yīng)用兩口井均不成功，該泵設(shè)計(jì)能力與現(xiàn)場(chǎng)工況不符，需廠家改進(jìn)后再試用。

(3)帶壓洗井裝置屬于本公司自我研發(fā)，應(yīng)用效果顯著，已大規(guī)模推廣并申請(qǐng)專利。

(4)煤層下帶封洗井工藝屬于清理井筒，消除煤粉沉積，凈化機(jī)抽工況環(huán)境，從而達(dá)到延長(zhǎng)免修期的效果，該井應(yīng)用成功，效果顯著，在工區(qū)內(nèi)一些煤粉多、易卡泵的井可以先進(jìn)行帶封洗井清理口袋，后應(yīng)用防煤粉泵共同治理。

(5)空心桿氣舉也屬于無(wú)桿舉升工藝，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，但該工藝需壓縮機(jī)配合，后期可改為車載壓縮機(jī)流動(dòng)氣舉，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

(6)空井筒套管直接撈水借鑒常規(guī)油撈油工藝技術(shù)，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受制于撈水效率低，操作成本高等因素，需在現(xiàn)有撈筒上改進(jìn)，提高單次撈水量及效率。在本工區(qū)低產(chǎn)液井較多情況下還是有一定應(yīng)用需求。