煤層氣井無桿排采工藝應(yīng)用與改進(jìn)方向?以鄂爾多斯盆地東緣為例

馬文濤，劉印華，吳建軍，王玉斌，王成旺，徐萬勇

(1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710082；2.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095)

與常規(guī)天然氣的自噴開采方式有所不同，煤層氣的開采主要依靠舉升設(shè)備進(jìn)行排水采氣，即通過將井筒內(nèi)的水舉升至地面，達(dá)到降低井底流壓，逐漸形成壓降漏斗，進(jìn)而降低煤層儲(chǔ)層壓力，使吸附在煤基質(zhì)孔隙表面的煤層氣被解吸，再通過滲流作用擴(kuò)散到井筒被采出[1]。

常用的煤層氣排采方式主要分為有桿排采與無桿排采兩大類[2]，有桿排采設(shè)備主要為“抽油機(jī)+有桿泵”，無桿排采設(shè)備種類則更多一些，主要分為液力無桿泵、水力射流泵、電潛泵、隔膜泵等多種類型的無桿排采設(shè)備。有桿排采方式主要適用于煤層氣直井與小斜度定向井，而煤層氣大斜度井與水平井井斜大，使用有桿排采工藝容易出現(xiàn)管桿偏磨嚴(yán)重、氣鎖嚴(yán)重、泵深受限無法有效降低井底流壓等不利現(xiàn)象，造成檢泵周期較短和產(chǎn)液產(chǎn)氣不連續(xù)。

中石油煤層氣有限責(zé)任公司自2012 年規(guī)模開發(fā)鄂爾多斯盆地東緣中淺層(埋深小于2 000 m)煤層氣以來，針對大斜度井與水平井試驗(yàn)了上述4 大類無桿排采設(shè)備，根據(jù)試驗(yàn)效果優(yōu)選了合適的無桿排采設(shè)備，并取得了較好的試驗(yàn)效果。2019 年以來，隨著鄂爾多斯盆地東緣深層煤層氣勘探工作的不斷推進(jìn)，在大寧?吉縣區(qū)塊深層(埋深超過2 000 m)煤層氣大斜度井與水平井同期開展了有桿排采和無桿排采工藝先導(dǎo)試驗(yàn)，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)有桿排采方式的缺點(diǎn)在深層煤層氣排采過程中更為嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為有桿排采設(shè)備投資大、排采能耗高、氣鎖更為嚴(yán)重、結(jié)垢卡泵現(xiàn)象多等。各類無桿排采工藝雖然也不同程度存在防煤粉防砂能力不強(qiáng)、設(shè)備可靠性一般等問題，但也能有效避開有桿排采工藝中的難題。因此如何改進(jìn)無桿排采工藝，實(shí)現(xiàn)煤層氣的高效排采成為當(dāng)前一項(xiàng)重要的工作。

1 鄂爾多斯盆地東緣勘探概況

鄂爾多斯盆地東緣是我國兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)基地之一[3]，煤層氣賦存條件好。區(qū)塊橫跨蒙、陜、晉三省(區(qū))，北起內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾，南抵陜西銅川?韓城，西起陜西神木?佳縣?宜川，東至盆地邊界，面積約8×104km2，主體沿黃河兩岸呈南北向分布[4]。目前中石油煤層氣有限責(zé)任公司主要在保德、大寧?吉縣、韓城區(qū)塊開展勘探開發(fā)，保德區(qū)塊中淺層煤層氣勘探主力目的層是山西組4+5 號煤層與太原組8+9 號煤層，煤層埋深為300～1 200 m[5]，煤層厚度5～15 m，以原生結(jié)構(gòu)煤為主，滲透率多介于(2.4～8.0)×10?3μm2，含氣量2～11 m3/t。大寧?吉縣區(qū)塊中淺層煤層氣勘探主力目的層為山西組5 號煤層與太原組8 號煤層，煤層埋深在800 m 以深，大部分試采井埋深1 000～1 350 m[6-7]，以單采5 號煤為主，5 號煤層厚度2～5 m，以碎裂、碎粒煤為主，滲透率多介于(0.01～0.8)×10?3μm2，含氣量10～25 m3/t。韓城區(qū)塊中淺層煤層氣勘探主力目的層為山西組3 號、5 號煤層與太原組11 號煤層，煤層埋深在300～1 300 m[8-9]，以碎裂、碎粒煤為主，滲透率多介于(0.02～3.5)×10?3μm2，含氣量9.7～12.5 m3/t。隨著鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大寧?吉縣地區(qū)埋深超過2 000 m 的深層煤層氣已成為當(dāng)前的勘探開發(fā)重點(diǎn)。

目前，在鄂爾多斯盆地東緣已經(jīng)建成多個(gè)自營煤層氣田。其中，保德煤層氣田已高效建成我國首個(gè)規(guī)模最大的中低階煤煤層氣田，產(chǎn)量連續(xù)5 年保持在5×108m2以上，被譽(yù)為“樹立了中國中低階煤煤層氣開發(fā)的標(biāo)桿”。

2 無桿排采工藝試驗(yàn)情況

鑒于有桿排采工藝在煤層氣大斜度井與水平井中存在管桿偏磨、腐蝕等問題，從鄂爾多斯盆地東緣開發(fā)至今，已開展了多種無桿排采工藝現(xiàn)場排采試驗(yàn)。其中，保德區(qū)塊共開展51 井次，大寧?吉縣區(qū)塊共開展12 井次，韓城區(qū)塊共開展9 井次。試驗(yàn)顯示，液力無桿泵與水力射流泵工藝取得了較好的排采效果(表1)。

表1 無桿泵試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of rodless pump wells

2.1 液力無桿泵工藝

1) 工作原理

液力無桿泵設(shè)備主要由井下和地面兩大部分組成，地面部分有三缸柱塞泵、電機(jī)、控制柜、換向閥，水箱等，井下部分有井下液力泵、中心管等[10-11]。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)三缸柱塞泵將水箱中流入泵頭里的動(dòng)力液增壓，并通過中心管注入井下液力泵，推動(dòng)井下液力泵柱塞上行，柱塞以上液體通過中心管與油管環(huán)空排至地面。換向閥換向后，動(dòng)力液注入中心管與油管環(huán)空推動(dòng)井下液力泵柱塞下行。如此周而復(fù)始，不間斷完成舉升過程(圖1a)。

2) 工藝特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：管柱結(jié)構(gòu)中無運(yùn)動(dòng)部件，排采過程中無偏磨問題，適應(yīng)大斜度井及水平井；可自動(dòng)清洗井下液力泵柱塞閥座，避免泵漏失；可由1 臺(tái)地面設(shè)備對多口煤層氣井同時(shí)進(jìn)行排采；此外，該項(xiàng)工藝能耗低、地面占地面積小、安裝運(yùn)輸方便。缺點(diǎn)：不適合泵深超過1 200 m的井，地面存在高壓管線刺漏風(fēng)險(xiǎn)、防腐防垢能力一般，地面設(shè)備穩(wěn)定性較差。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在中淺層煤層氣井中累計(jì)試驗(yàn)10 井次，下泵深度625～1 540 m，泵深小于1 200 m 的液力無桿泵工藝試驗(yàn)井總體效果較好。典型井B-4X2 井(圖1b)，是保德區(qū)塊的一口大斜度井，下泵深度865.01 m，井斜角大、偏磨嚴(yán)重，采用有桿排采期間，產(chǎn)水產(chǎn)氣不連續(xù)，檢泵周期短、躺井次數(shù)多，采用該項(xiàng)工藝后，產(chǎn)水產(chǎn)氣連續(xù)，最高檢泵周期500 d，較有桿排采期間提升81.16 %，最高日產(chǎn)氣3 070.69 m3，較有桿排采期間提升75.15%。但該項(xiàng)工藝也存在地面設(shè)備穩(wěn)定性一般的問題(圖2a)。該項(xiàng)工藝未在深層煤層氣井中開展試驗(yàn)。

圖1 液力無桿泵工藝Fig.1 Hydraulic rodless pump technology

圖2 無桿泵井口及檢泵現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Pictures of rodless pump wellhead and pump inspection site

2.2 水力射流泵工藝

1) 工作原理

水力射流泵設(shè)備由井下和地面兩大部分組成，井下部分有井下射流泵、動(dòng)力液油管等，地面部分有專用井口、地面柱塞泵、水箱等[11-12]。工作時(shí)，地面柱塞泵將水箱中的水增壓為高速動(dòng)力液，通過動(dòng)力液油管進(jìn)入井下射流泵，在其內(nèi)部噴嘴與喉管之間形成負(fù)壓，地層產(chǎn)液隨即通過管柱吸液口被吸上來后與動(dòng)力液混合，經(jīng)環(huán)空排至地面(圖3a)。

2) 工藝特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：管柱結(jié)構(gòu)中無運(yùn)動(dòng)部件，排采過程中無偏磨問題，適應(yīng)大斜度井及水平井；更換泵芯時(shí)只需倒井口流程反洗即可取出泵芯，不用起原井管柱；可由1 臺(tái)地面設(shè)備對多口煤層氣井同時(shí)進(jìn)行排采。缺點(diǎn)：設(shè)備穩(wěn)定性較差，防煤粉防砂能力一般，泵芯易結(jié)垢，對動(dòng)力液水質(zhì)要求較高，地面流程較復(fù)雜、占地面積較大，存在高壓刺漏風(fēng)險(xiǎn)。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用效果

區(qū)塊累計(jì)試驗(yàn)33 井次(其中深層煤層氣井開展1 井次)，在中淺層煤層氣井中的效果一般，典型井B-H08 井(圖3b)，是保德區(qū)塊的一口水平井，生產(chǎn)前期采用水力射流泵排采產(chǎn)氣效果一般，主要問題為防煤粉防砂能力與地面設(shè)備可靠性一般，更換為抽油機(jī)后產(chǎn)氣量穩(wěn)步提升。

該項(xiàng)工藝在深層煤層氣井中的效果較好，大寧?吉縣區(qū)塊深層煤層氣井初期全部采用有桿排采，多次出現(xiàn)由于深層煤層氣井井液高礦化度導(dǎo)致的井下結(jié)晶卡堵泵與腐蝕導(dǎo)致的修井情況，平均檢泵周期234 d。試驗(yàn)水力射流泵后效果較好，典型井D3-2X3 井(圖3c)，是大寧?吉縣區(qū)塊的一口大斜度井，自開井后連續(xù)正常運(yùn)行超過400 d(超出大寧?吉縣區(qū)塊深層煤層氣井平均檢泵周期72.2%)，排采期間未修井。但同時(shí)也存在泵芯結(jié)垢較為嚴(yán)重，起泵芯次數(shù)較多的問題(圖2b)。

圖3 水力射流泵工藝Fig.3 Hydraulic jet pump technology

2.3 電潛泵工藝

1) 工作原理

電潛泵設(shè)備由井下和地面兩大部分組成，地面部分有變壓器、控制柜、采油樹等，井下部分有動(dòng)力電纜、電機(jī)保護(hù)器、電機(jī)、井下泵等[13]。工作時(shí)，由地面供電通過動(dòng)力電纜傳送至井下泵，井下泵將地層產(chǎn)液舉升至地面(圖4a)。

圖4 電潛泵工藝Fig.4 Electric submersible pump technology

2) 工藝特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：管柱結(jié)構(gòu)中無運(yùn)動(dòng)部件，排采過程中無偏磨問題，適應(yīng)大斜度井及水平井。同時(shí)電潛泵具有排量揚(yáng)程范圍廣、功率大、生產(chǎn)壓差大、地面工藝簡單等特點(diǎn)。缺點(diǎn)：設(shè)備購置費(fèi)用高，防煤粉防砂能力一般，不適應(yīng)低液量煤層氣井，電纜易出故障，可靠性一般。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在中淺層煤層氣井中試驗(yàn)25 井次，排采效果均不佳。典型井T-H04 井(圖4b)，是大寧?吉縣區(qū)塊的一口水平井，使用電潛螺桿泵排采時(shí)，見氣后煤粉適應(yīng)性差，檢泵發(fā)現(xiàn)電機(jī)上方過濾網(wǎng)內(nèi)沉積大量煤粉，泵上油管傾倒出大量煤泥(圖2c)。換為有桿排采后，排采效果較電潛泵排采期間好，產(chǎn)氣效果明顯。該項(xiàng)工藝未在深層煤層氣井中開展試驗(yàn)。

2.4 隔膜泵工藝

1) 工作原理

隔膜泵也被稱為潛水呼吸泵，設(shè)備由井下和地面兩大部分組成，地面部分有控制柜、動(dòng)力電纜，地面環(huán)套壓力計(jì)等，井下部分有油管或智能復(fù)合連續(xù)油管、井下隔膜泵等。工作時(shí)，由地面供電通過動(dòng)力電纜傳送至井下隔膜泵，井下隔膜泵運(yùn)行后將地層產(chǎn)液舉升至地面(圖5a)。

圖5 隔膜泵工藝Fig.5 Diaphragm pump technology

2) 工藝特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：管柱結(jié)構(gòu)中無運(yùn)動(dòng)部件，排采過程中無偏磨問題，適應(yīng)大斜度井及水平井。同時(shí)，具有智能控制、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、液位監(jiān)控功能和節(jié)能效果好的特點(diǎn)等。缺點(diǎn)：防煤粉和排煤粉性能一般，且不適用于深井。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在中淺層煤層氣井中試驗(yàn)4 井次，總體效果一般，典型井Y-16X4(圖5b)，是韓城區(qū)塊的一口大斜度井，運(yùn)行176 d 后，由于井不出液，檢泵起出隔膜泵，拆檢分析時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)液閥及進(jìn)液閥過流通道被沉積的煤粉堵死(圖2d)。該項(xiàng)工藝未在深層煤層氣井中開展試驗(yàn)。

3 無桿排采工藝影響因素

通過對鄂爾多斯盆地東緣煤層氣無桿排采工藝現(xiàn)場排采效果分析，認(rèn)為影響無桿排采工藝效果的因素主要有3 個(gè)方面的因素：地質(zhì)因素、設(shè)備因素和管理因素。

3.1 地質(zhì)因素

現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，韓城與大寧?吉縣區(qū)塊中淺層煤層氣井無桿排采工藝試驗(yàn)中，煤粉影響導(dǎo)致的各類無桿泵排采不連續(xù)的情況居于首位。保德區(qū)塊中淺層煤層氣井無桿排采工藝試驗(yàn)中腐蝕與結(jié)垢影響居于首位，煤粉影響次之，表明地質(zhì)因素對煤粉產(chǎn)出影響較大。煤體結(jié)構(gòu)是影響煤粉產(chǎn)出的煤儲(chǔ)層物性特征之一，構(gòu)造煤層具有低強(qiáng)度、低滲透率、微孔隙等特點(diǎn)，比表面積增加，煤體結(jié)構(gòu)破碎，是煤粉的重要來源，其中碎裂、碎粒煤易形成煤粉，是煤層氣井產(chǎn)出煤粉的主要來源(如韓城區(qū)塊與大寧?吉縣區(qū)塊)，而原生結(jié)構(gòu)煤產(chǎn)生的煤粉相對較少(如保德區(qū)塊)。此外，碎裂、碎粒煤煤層結(jié)構(gòu)較松散，自身強(qiáng)度較低，在后續(xù)施工中如鉆井、壓裂對煤儲(chǔ)層研磨、沖蝕強(qiáng)烈，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)排采中煤粉產(chǎn)出量較大，因此煤粉影響成為韓城與大寧?吉縣區(qū)塊影響無桿排采工藝連續(xù)性的主要原因。

3.2 設(shè)備因素

不同無桿排采設(shè)備的工作原理不同，對煤粉和井液的適應(yīng)性也不同，如液力無桿泵防煤粉性能較好，但與其配套的地面設(shè)備三缸柱塞泵容易被井液腐蝕造成頻繁檢修，不適應(yīng)礦化度較高的煤層氣井。水力射流泵噴嘴與喉管容易被煤粉和結(jié)垢堵塞，對動(dòng)力油管的水質(zhì)要求較高，同時(shí)地面設(shè)備可靠性也一般。電潛泵與隔膜泵由于自身設(shè)備結(jié)構(gòu)原因，無有效進(jìn)行防煤粉防砂的措施，容易出現(xiàn)煤粉與壓裂砂沉積造成的卡泵現(xiàn)象。

3.3 管理因素

無桿排采工藝試驗(yàn)初期，現(xiàn)場人員無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，選井針對性不強(qiáng)，選井水平不高，維保人員經(jīng)驗(yàn)不足，日常管理也存在較為粗放的情況，導(dǎo)致了由于管理水平不足造成對無桿排采工藝連續(xù)性的影響。

4 無桿排采工藝改進(jìn)方向

4.1 中淺層煤層氣井無桿排采工藝

結(jié)合區(qū)塊前期試驗(yàn)的4 種無桿泵的工藝試驗(yàn)效果，對于大斜度井與水平井，無桿泵工藝總體表現(xiàn)出無管桿偏磨現(xiàn)象、排采能耗優(yōu)于有桿排采工藝的特點(diǎn)。但同時(shí)也存在防煤粉防砂能力一般、防腐蝕防垢能力一般、存在高壓管線刺漏風(fēng)險(xiǎn)、地面設(shè)備可靠性不強(qiáng)、智能化程度低、下泵深度受限等問題。因此，中淺層煤層氣井無桿排采工藝今后應(yīng)圍繞以上問題進(jìn)行改進(jìn)(圖6)。

圖6 中淺層煤層氣井無桿排采工藝改進(jìn)方向Fig.6 Improvement directions of rodless drainage technology for medium shallow coalbed methane wells

由于電潛泵與隔膜泵沒有很好地解決防煤粉與排煤粉問題，后期不建議再使用。水力射流泵工藝需借鑒在深層煤層氣井排采中總結(jié)的管理經(jīng)驗(yàn)，在提高設(shè)備可靠性及改進(jìn)防煤粉防砂、增加防腐蝕防垢等措施的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展中淺層煤層氣井排采工藝試驗(yàn)。液力無桿泵需在提高設(shè)備整體可靠性與進(jìn)行智能化改進(jìn)等基礎(chǔ)上繼續(xù)開展中淺層煤層氣井排采工藝試驗(yàn)。

1) 水力射流泵主要改進(jìn)方向

增強(qiáng)地面設(shè)備的穩(wěn)定性；增加井下管柱防腐防垢工藝設(shè)計(jì)；改進(jìn)防煤粉防砂措施，減小煤粉與砂對生產(chǎn)的影響；地面流程優(yōu)化，進(jìn)一步減小地面設(shè)備占用空間。

2) 液力無桿泵主要改進(jìn)方向

增強(qiáng)地面設(shè)備的穩(wěn)定性；增加防腐防垢工藝設(shè)計(jì)，改進(jìn)防氣鎖工藝設(shè)計(jì)；開展中心管與油管尺寸工藝優(yōu)化研究，提高液體舉升效率與油管可靠性；設(shè)備整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)中的安全性和維修時(shí)的便捷性，進(jìn)行智能化改進(jìn)。

4.2 深層煤層氣井無桿排采工藝

前期多年的無桿排采工藝試驗(yàn)表明，工藝應(yīng)與地質(zhì)相匹配，因此有必要對深層煤層氣井進(jìn)行地質(zhì)評價(jià)及分類，再依次進(jìn)行針對性的工藝設(shè)計(jì)。

4.2.1地質(zhì)評價(jià)及分類

大寧?吉縣區(qū)塊整體為寬緩的西傾單斜，與盆地東部連為一體。平面上，總體趨勢呈南東高北西低的北西傾單斜，局部存在低幅度鼻狀構(gòu)造，斷層不發(fā)育，中西部為平緩的西傾斜坡，東南部的斜坡陡度相對增大，構(gòu)造線呈NE?SW 走向(圖7)。

圖7 大寧?吉縣區(qū)塊構(gòu)造帶分布Fig.7 Distribution map of Daning-Jixian Block structural belt

深層煤層氣勘探區(qū)主體位于西部平緩帶上，地層平緩，傾角小于2.5°，表現(xiàn)為一大型寬緩斜坡，斷層不發(fā)育。煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主；煤演化程度高，以貧煤、無煙煤為主；孔隙率為5.95%～7.45%，平均6.69%，按天然氣藏分類屬于低孔氣藏；煤層頂板巖性為灰?guī)r，底板巖性為泥巖，封蓋條件好，水動(dòng)力弱，整體處于承壓區(qū)。

深層煤層氣勘探以來，在東部陡坡帶也部署了少量先導(dǎo)試驗(yàn)井，研究結(jié)果顯示，深層煤層氣井開井套壓、日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)液量均與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有較強(qiáng)相關(guān)性，位于不同構(gòu)造的深層煤層氣井排采效果差異較大。統(tǒng)計(jì)大寧?吉縣區(qū)塊的5 口典型深層煤層氣井的地質(zhì)特征、工程參數(shù)與生產(chǎn)效果見表2。

表2 大寧?吉縣區(qū)塊典型深層煤層氣井地質(zhì)工程參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of geological engineering parameters of typical deep coalbed methane wells in Daning-Jixian Block

分析表2 中統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)特征可將深層煤層氣井劃分為3 類。

(1) 東部陡坡帶定向井，區(qū)塊東部陡坡帶地層傾角大于3°，受構(gòu)造抬升影響，煤層含氣量相對平緩帶低，游離氣含量小，儲(chǔ)層壓力較低，臨儲(chǔ)比小于0.8，地層能量低，生產(chǎn)井投產(chǎn)初期無套壓，日產(chǎn)水量高，日產(chǎn)氣量相對較低，氣液比低，無法實(shí)現(xiàn)自攜液，以2 口定向井D9X9 井與D4X3 井為例，采用三抽設(shè)備進(jìn)行排采，將此類井定義為Ⅰ類井。

(2) 西部平緩帶定向井，區(qū)塊西部平緩帶地層傾角小于2°，煤層氣保存條件好，煤層含氣量高，富含游離氣，儲(chǔ)層壓力較高，臨儲(chǔ)比1，地層能量高。生產(chǎn)井投產(chǎn)即見套壓，日產(chǎn)水量低，日產(chǎn)氣量高，氣液比高，可以實(shí)現(xiàn)自攜液，以D17X5 井與D6X6 井為例，開井即見套壓，且均大于3.0 MPa，平均日產(chǎn)氣大于7 500 m3，采用連續(xù)油管進(jìn)行排采，將此類井定義為Ⅱ類井。

(3) 西部平緩帶水平井，以J6-H1 井為例，開井即見套壓4.5 MPa，儲(chǔ)層壓力較高，臨儲(chǔ)比1，地層能量高，平均日產(chǎn)氣大于6.5×104m3，可以實(shí)現(xiàn)自攜液，采用光套管進(jìn)行排采，將此類井定義為Ⅲ類井。

4.2.2無桿排采工藝設(shè)計(jì)

大寧?吉縣區(qū)塊2 000 m 以深的深部煤層氣具有“原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育、地層壓力高、高含氣、高飽和、游離氣與吸附氣共存”的特點(diǎn)，開發(fā)初期表現(xiàn)為以“游離氣”為主，與中淺層煤層氣明顯不同，生產(chǎn)特征類似頁巖氣，且深層煤層氣井具有“見氣時(shí)間短、見氣時(shí)壓力高、見氣后產(chǎn)液量少”的特點(diǎn)[14]。

因此，深層煤層氣井的無桿排采工藝需跳出中淺層煤層氣井采氣工藝的主體思路，借鑒區(qū)塊致密氣和海陸過渡相頁巖氣先導(dǎo)試驗(yàn)井的采氣工藝經(jīng)驗(yàn)，針對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類深層煤層氣井的地質(zhì)特征，考慮全生命周期排采的需要，結(jié)合速度管、柱塞氣舉、泡排、氣舉等工藝的優(yōu)點(diǎn)[15-19]，分別設(shè)計(jì)以下3 種新工藝。

1) 同心管氣舉工藝(Ⅰ類井)

該項(xiàng)工藝是結(jié)合Ⅰ類深層煤層氣井的地質(zhì)特征，針對井底壓力低，無法通過自攜液進(jìn)行排水采氣的定向井設(shè)計(jì)的一種工藝。

(1) 工藝原理 在?73 mm 油管中下入一根?48 mm油管至設(shè)計(jì)位置，利用外來高壓氣源或壓縮機(jī)，向油油環(huán)空內(nèi)注入高壓氣體，降低井內(nèi)氣液混合體的密度，并形成高速流體，經(jīng)由?48 mm 油管將低密度的氣液混合體排出井外。從而降低井底流壓，實(shí)現(xiàn)排水采氣。排到地面的混氣液經(jīng)過分離器進(jìn)行分離，分離出的液體進(jìn)入水處理系統(tǒng)，分離出的氣體則由壓縮機(jī)再次加壓，一部分注入井內(nèi)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)，另一部分外輸。同時(shí)在油套環(huán)空安裝直讀式壓力計(jì)，用于井底壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖8 為采用同心管氣舉排采工藝時(shí)，不同階段的井內(nèi)流體示意圖。

圖8 同心管氣舉井的啟動(dòng)過程Fig.8 Startup process of concentric tube gas lift well

(2) 啟動(dòng)壓力計(jì)算 氣舉工藝設(shè)計(jì)時(shí)，啟動(dòng)壓力非常重要，它是氣舉井啟動(dòng)過程中的最大井口注入壓力(圖9)，關(guān)系到氣體壓縮設(shè)備選型。氣舉的啟動(dòng)壓力pe的范圍[20]如下所示。

圖9 氣舉井啟動(dòng)時(shí)壓縮機(jī)壓力隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Variation curve of compressor pressure with time during start-up of gas lift well

式中：pe,max、pe,min分別為最大、最小啟動(dòng)壓力，MPa；h*為靜液面距管鞋的深度，m；L為?48 mm 油管長度，m；ρ為液體密度，kg/ m3；D與d在常規(guī)氣舉工藝中為套管內(nèi)徑和油管外徑，在同心管氣舉工藝中則分別為油管內(nèi)徑與小油管外徑，m。

該項(xiàng)工藝的優(yōu)點(diǎn)是：相較于在油套環(huán)空注氣氣舉，采用同心管管柱組合減小了式(1)中的D2/d2的大小，可以有效降低壓縮機(jī)啟動(dòng)壓力，同時(shí)，也不影響煤層氣從油套環(huán)空排出。

(3) 臨界攜液流量計(jì)算 氣井在生產(chǎn)過程中，高速氣流能夠攜帶部分液體到地面，不同管柱存在一個(gè)臨界攜液流量。當(dāng)井筒內(nèi)氣體實(shí)際流量高于臨界氣流量時(shí)，氣井可正常攜液生產(chǎn)。

引用薛軍[21]、李閩[22]等采用的計(jì)算方法進(jìn)行氣井臨界攜液流量計(jì)算，計(jì)算公式如下所示。

式中：vg為臨界攜液流速，m/s；qc為臨界攜液流量，104m3/d；ρl為地層液體密度，kg/ m3；ρg為天然氣密度，kg/ m3；σ為氣水界面張力，N/m；A為油管截面積，m2；pwf為井底流壓，MPa；T為井底溫度，K；Z為天然氣偏差因子。

計(jì)算可知，在井口壓力相同的條件下，?48 mm 油管臨界攜液流量最小，更容易將煤層氣井井底積液及時(shí)排出(表3)。

表3 不同油管臨界攜液流量Table 3 Critical liquid carrying capacity of different tubing

大寧?吉縣區(qū)塊的深層煤層氣井儲(chǔ)層深度普遍在2 400 m 以內(nèi)，按照式(1)計(jì)算，預(yù)測同心管氣舉壓力最大為23.52 MPa，調(diào)研市場上的氣體壓縮設(shè)備，容易滿足此項(xiàng)要求，該項(xiàng)工藝具備可實(shí)施性。

根據(jù)區(qū)塊前期深層煤層氣井先導(dǎo)試驗(yàn)井排采經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測Ⅰ類井排采穩(wěn)定后，日產(chǎn)氣量大于0.5 ×104m3、滿足自攜液生產(chǎn)的條件，從而降低壓縮機(jī)等地面等設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。

2) 小油管+泡排工藝(Ⅱ類井)

該項(xiàng)工藝是結(jié)合Ⅱ類深層煤層氣井的地質(zhì)特征，針對有一定自攜液排水采氣能力的定向井而設(shè)計(jì)的一種工藝。

工藝原理：采用小油管作為速度管排出井內(nèi)液體，在壓裂后返排階段，采用帶壓作業(yè)方式下入，生產(chǎn)前期采用自攜液的方式生產(chǎn)，中后期井底能量降低后配合泡排劑排出井底積液進(jìn)行生產(chǎn)。該項(xiàng)工藝的優(yōu)點(diǎn)是相較于下入連續(xù)油管，采用帶壓下入小油管能有效降低工藝的整體投資費(fèi)用。此外，排采中后期加入泡排劑后，相同規(guī)格油管的臨界攜液流量僅為無泡排劑時(shí)的60%，在較小的日產(chǎn)氣量下仍能排出井內(nèi)液體，可有效延長深層煤層氣井的產(chǎn)氣周期。

圖10 為采用小油管+泡排工藝時(shí)，不同階段的井內(nèi)流體示意圖。

圖10 小油管+泡排工藝Fig.10 Small tubing+foam drainage technology

3) 連續(xù)油管+柱塞+氣舉工藝(Ⅲ類井)

該項(xiàng)工藝是結(jié)合Ⅲ類深層煤層氣井的地質(zhì)特征，針對井底能量充足、日產(chǎn)氣量大的水平井，以氣井全生命周期生產(chǎn)為設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的一種復(fù)合排水采氣工藝。

工藝原理：采用連續(xù)油管作為速度管排出井內(nèi)液體，排采中期生產(chǎn)穩(wěn)定后產(chǎn)液減小、氣液比增大(油套連通時(shí)，每千米生產(chǎn)氣液比宜不少于200 m3/m3)后即可柱塞氣舉生產(chǎn)，排采后期產(chǎn)氣逐漸減小、氣液比減小，無法滿足柱塞氣舉后采用氣舉間歇排出井底積液進(jìn)行生產(chǎn)。該項(xiàng)工藝的優(yōu)點(diǎn)是針對產(chǎn)量高的深層煤層氣水平井考慮了全生命周期的排水采氣方式，整個(gè)排采周期中只需下入一趟管柱，可有效減少作業(yè)費(fèi)用，避免頻繁井筒作業(yè)對水平井地層的傷害，延長高產(chǎn)水平井的產(chǎn)氣周期。

圖11 為采用“連續(xù)油管+柱塞+氣舉”工藝時(shí)，不同階段的井內(nèi)流體示意圖。

圖11 連續(xù)油管+柱塞+氣舉工藝Fig.11 Coiled tubing+plunger+gas lift technology

5 結(jié)論

a.無桿排采工藝具有無管桿偏磨現(xiàn)象、生產(chǎn)能耗較低的優(yōu)點(diǎn)，能從根本上解決有桿排采工藝不適應(yīng)煤層氣水平井與大斜度井的問題，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

b.總結(jié)前期在中淺層煤層氣井中開展的無桿排采工藝的試驗(yàn)效果，液力無桿泵取得了較好的試驗(yàn)效果，最高檢泵周期500 d，建議在優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展試驗(yàn)。水力射流泵工藝需借鑒在深層煤層氣排采中總結(jié)的管理經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展試驗(yàn)。電潛泵和隔膜泵存在投資費(fèi)用高、防煤粉防砂能力差、不適合低液量煤層氣井等缺點(diǎn)，無較好的現(xiàn)場試驗(yàn)效果，建議不再開展工藝試驗(yàn)。

c.對于深層煤層氣井，應(yīng)根據(jù)其地質(zhì)特征，劃分地質(zhì)類型，結(jié)合井的不同生產(chǎn)階段，開展深層煤層氣井無桿排采新工藝試驗(yàn)。

d.本文提出的深層煤層氣井“同心管氣舉”“小油管+泡排”和“連續(xù)油管+柱塞+氣舉”3 種無桿排采工藝，是基于致密氣和頁巖氣等非常規(guī)資源的成熟排水采氣工藝設(shè)計(jì)的新型工藝，適用于“地層壓力高、吸附氣與游離氣共存、氣液比高”的深層煤層氣井，可操作性和可實(shí)施性強(qiáng)，具有很大的應(yīng)用前景。

e.下一步需持續(xù)深入開展中淺層與深層煤層氣井無桿排采工藝優(yōu)化與研究，在提高無桿排采工藝的穩(wěn)定性、適用性、經(jīng)濟(jì)性上加強(qiáng)研究，實(shí)現(xiàn)鄂爾多斯盆地東緣煤層氣田的“低成本、高效益”開發(fā)。