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(kāi)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?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，河北 062552)

煤層氣井開(kāi)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(kāi)發(fā)影響的范圍較小，單井產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)效益差，而水平井通過(guò)改變煤層原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)和煤層原始應(yīng)力分布，有效的改善了煤儲(chǔ)層裂隙系統(tǒng)，擴(kuò)大了排采降壓解吸面積。2006年以來(lái)，華北油田煤層氣公司開(kāi)始在樊莊-鄭莊區(qū)塊規(guī)模實(shí)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(guò)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(guò)程中試驗(yàn)了黃原膠等不同類型的聚合物鉆井液，對(duì)煤儲(chǔ)層造成了不可恢復(fù)的傷害。后陸續(xù)試驗(yàn)了U型井、L型篩管、L型套管壓裂水平井等水平井，開(kāi)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(kāi)發(fā)的主力井型，該井型相對(duì)傳統(tǒng)羽狀水平井型主要有三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：(1)井眼可以進(jìn)行重入，實(shí)現(xiàn)有效二次改造，延長(zhǎng)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(jìn)尺量采氣量高；(3)成井工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、費(fèi)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(wèn)題難以適應(yīng)其生產(chǎn)特性。生產(chǎn)實(shí)踐表明無(wú)桿舉升工藝可有效解決桿管偏磨問(wèn)題。目前無(wú)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(duì)性的治理對(duì)策，以期對(duì)降低設(shè)備故障率、提高單井排采時(shí)率、保障產(chǎn)量平穩(wěn)運(yùn)行、大規(guī)模應(yīng)用無(wú)桿舉升工藝具有指導(dǎo)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(dòng)力傳輸，井下雙柱塞泵直徑差做上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了柱塞泵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成排采液力傳動(dòng)，完成排采。工作時(shí)利用高壓液壓油進(jìn)入驅(qū)動(dòng)液缸左缸，推動(dòng)液壓缸活塞左行，使左缸內(nèi)的高壓水由中心管進(jìn)入井下泵組內(nèi)，井下泵組在此高壓水的作用下上行，此時(shí)地面液控閥打開(kāi)，將排采液由油管內(nèi)排出進(jìn)行抽采。

水力管式泵具有五個(gè)方面的工藝特點(diǎn)：(1)杜絕桿管偏磨，水作為動(dòng)力在中心管和換空中運(yùn)行，井筒管柱不運(yùn)動(dòng)，杜絕偏磨問(wèn)題。(2)自清洗管柱，每個(gè)沖程上止點(diǎn)，液控閥不再換向，液壓缸持續(xù)工作，維持泵筒在上止點(diǎn)不換向，此時(shí)動(dòng)力液持續(xù)自中心管進(jìn)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(zhǎng)沖程，低沖次，無(wú)桿管式泵運(yùn)行沖程3.3m，最高沖次4.0r/min，利用長(zhǎng)沖程、低沖次方式提高泵效，延長(zhǎng)泵的使用時(shí)間。(4)節(jié)能效果好，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率小，采取用一備一的模式，低沖次運(yùn)行時(shí)節(jié)電效果明顯。(5)撬裝式結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸、安裝方便，設(shè)備占地小于3m3，質(zhì)量1.5t，安裝運(yùn)輸無(wú)需大型設(shè)備，不需要水泥基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)目前無(wú)桿生產(chǎn)情況

自2020年以來(lái)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(wú)桿排采設(shè)備。從圖1可以看出生產(chǎn)曲線波動(dòng)較大，說(shuō)明相對(duì)于傳統(tǒng)排采設(shè)備來(lái)說(shuō)，水力管式泵設(shè)備故障點(diǎn)較多影響，對(duì)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(duì)研究區(qū)內(nèi)1～3月水力管式泵地面設(shè)備常見(jiàn)故障原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖2)，發(fā)現(xiàn)水力管式泵由于地面設(shè)備相對(duì)復(fù)雜導(dǎo)致地面故障率明顯偏高、故障點(diǎn)多，造成故障的主要原因有四個(gè)方面：(1)配件質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致水閥部件、繼電器易損壞；(2)動(dòng)力液/返出液水質(zhì)差導(dǎo)致進(jìn)液閥閥芯漏失；(3)常用易損件保養(yǎng)不及時(shí)導(dǎo)致機(jī)油乳化、皮帶磨損；(4)地面高壓管線振動(dòng)大導(dǎo)致地面膠管破損。

圖2 水力管式泵1-3月地面故障統(tǒng)計(jì)

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(jì)

4 治理對(duì)策

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

(1)依托自動(dòng)化建立關(guān)聯(lián)參數(shù)響應(yīng)機(jī)制，降低故障影響時(shí)間。

通過(guò)水力管式泵舉升原理，工藝流程及設(shè)備構(gòu)成進(jìn)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(shí)氣量變化為依托點(diǎn)，建立關(guān)聯(lián)參數(shù)響應(yīng)機(jī)制，通過(guò)自動(dòng)化遠(yuǎn)端傳輸變化，做出準(zhǔn)確判斷，降低故障影響時(shí)間，提高排采效率(表1)。

表1 水力管式泵主要故障類型識(shí)別對(duì)照卡

(2)主動(dòng)推動(dòng)前置保養(yǎng)工作，降低故障率。

針對(duì)水力管式泵地面設(shè)備配件多、故障點(diǎn)多的特點(diǎn)導(dǎo)致的不正常生產(chǎn)建立相關(guān)配件保養(yǎng)周期指導(dǎo)書(表2)，主動(dòng)推進(jìn)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(yīng)性。

L型水平井在鉆井完成后，全部采用底部開(kāi)口的管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)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(diǎn)，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(jìn)泵，竄氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致瞬時(shí)氣量波動(dòng)明顯(圖4)。

圖4 L型水平井竄氣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

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

圖5 砂氣錨組成簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 單井加裝砂氣錨前后氣量對(duì)比

5 治理效果

(1)依托自動(dòng)化參數(shù)響應(yīng)機(jī)制，及時(shí)判斷水力管式泵故障類型，故障處理時(shí)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(dǎo)書，推動(dòng)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(duì)15口井進(jìn)行加裝砂氣錨試驗(yàn)，有效井?dāng)?shù)11口，單井產(chǎn)氣量平穩(wěn)，平均增氣500～600m3/d。