煤層氣井橋式無污染連續(xù)沖灰工藝研究

劉建偉 崔金榜 段寶玉 呂 莉

(華北油田公司采油工藝研究院, 河北 062552)

沁水煤層氣田是我國發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)高階煤煤層氣田, 主要采用直井/叢式井壓裂排采和多分支水平井開發(fā)技術(shù)。煤層氣井在完井、排采等開發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤粉煤屑, 部分井出灰很嚴(yán)重 (圖1) , 僅靠日常生產(chǎn)排出的水不能將煤粉全部排出,未排出的煤粉及大顆粒固體將沉降聚集在口袋里。排采時(shí)間越長, 聚積的煤粉越多, 生產(chǎn)管柱被埋的幾率就越高。目前山西沁水煤層氣開發(fā)中清除井底口袋堆積煤粉主要采用的是沖煤粉方法和撈煤粉方法。沖砂工藝的缺點(diǎn)是正沖或反沖時(shí), 循環(huán)水不斷地沖刷和滲入煤層, 必然會(huì)造成近井地帶的污染,部分煤層氣井漏失嚴(yán)重, 直接沖砂會(huì)使大量的水進(jìn)入煤層。撈砂工藝的缺點(diǎn)： 一是撈砂泵在裝滿砂子后必須將全套管柱提出, 把砂排凈后再下放管柱,對(duì)于砂埋嚴(yán)重的井, 多次起下管柱使這種工藝費(fèi)時(shí), 成本高; 二是對(duì)于大斜度井用下放上提油管柱頓擊砂面的方法不適宜。為此研究出一種煤層氣井橋式無污染連續(xù)沖洗煤灰工藝。該工藝主要用于清除煤層氣井的口袋堆積物, 可實(shí)現(xiàn)一次管柱連續(xù)沖砂20m 以上, 而且能有效的保護(hù)煤層。

1 工藝原理

結(jié)合沁水煤層氣直井套管完井的具體井況, 包括井身結(jié)構(gòu)、井深及埋砂顆粒等設(shè)計(jì)了本套沖灰工藝管柱, 主要由橋式無污染沖灰分流器和可伸縮式?jīng)_灰噴管組成。利用皮碗和封隔器封隔煤層, 采用1．900″油管與油管通過上過橋、下過橋組成小環(huán)空, 形成皮碗與封隔器之間油管內(nèi)的水力封閉循環(huán), 以避免注入水和返排水對(duì)于煤層的沖刷和污染。下過橋接可伸縮式?jīng)_灰噴管, 在沖灰作業(yè)過程中可以隨沖灰面的不斷下降而自動(dòng)伸長, 避免了常規(guī)撈砂頻繁上提下放管柱的作業(yè)程序和管柱與井壁之間的摩擦, 同時(shí)也避免了管柱下行時(shí)不斷解封和座封封隔器的作業(yè)程序, 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)沖灰的目的。

2 工藝管柱

煤層氣井橋式無污染連續(xù)沖灰工藝管柱主要由橋式無污染沖灰分流器和可伸縮式?jīng)_灰噴管組成,如圖1 所示。

圖1 煤層氣井橋式無污染連續(xù)沖灰工藝管柱

2．1 橋式無污染沖灰分流器

橋式無污染沖灰分流器主要由上過橋、皮碗座(皮碗) 、油管短節(jié)、上插管、特殊接頭、下插管、封隔器和下過橋組成。

各部分的作用為： 上、下過橋內(nèi)有貫通的側(cè)孔和上下通孔, 可以改變注入水和返排水的水流通道; 皮碗用于封隔煤層頂部; 油管短節(jié)用于皮碗座和特殊接頭、特殊接頭和封隔器之間的連接; 封隔器用于封隔煤層底部; 上插管連接上過橋并插入特殊接頭中, 形成進(jìn)液通道; 下插管連接特殊接頭并插入下過橋, 為注入水進(jìn)入下部可伸縮式?jīng)_灰噴管提供通道。

整體作用為： 利用皮碗和封隔器封隔煤層, 采用1．900“油管與”油管通過上過橋、下過橋組成小環(huán)空, 形成皮碗與封隔器之間油管內(nèi)的水力封閉循環(huán), 以避免注入水和返排水對(duì)于煤層的沖刷和污染。

2．2 可伸縮式?jīng)_灰噴管

由四根不同直徑的鋼管相互套裝組成, 包括提升部分、變扣部分、伸縮部分、摩擦部分、限位部分和噴射部分, 噴管全部伸展后總長達(dá)32．7m, 配合管柱后可以完成沖洗煤層氣井40～50m 口袋的要求。

可伸縮式?jīng)_灰噴管具體設(shè)計(jì)：

提升部分用于連接可伸縮式?jīng)_灰噴管和油管柱, 還可用于起下整個(gè)噴管; 變扣用于連接提升部分短節(jié)與伸縮部分; 伸縮部分具有能在水壓作用下伸展, 而在碰到射流無法破壞的堅(jiān)硬井底時(shí), 繼續(xù)下放管柱便回縮的功能; 摩擦部分的材質(zhì)是耐油橡膠, 在管與管發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦, 具有延緩噴管伸縮的作用; 限位部分用于限位密封橡膠、伸縮部分和固定噴嘴; 密封部分的材質(zhì)是耐油橡膠,具有密封間隙、防止注入水滲漏的作用; 噴射部分具有將注入水發(fā)散產(chǎn)生射流的作用。

整體作用為： 油管柱底部接可伸縮式?jīng)_灰噴管, 在沖灰作業(yè)過程中可以隨沖灰面的不斷下降而自動(dòng)伸長, 避免了常規(guī)撈砂頻繁上提下放管柱的作業(yè)程序和管柱與井壁之間的摩擦, 同時(shí)也避免了管柱下行時(shí)不斷解封和座封封隔器的作業(yè)程序。

3 地面循環(huán)系統(tǒng)

地面循環(huán)系統(tǒng)包括控制柜、電機(jī)、離心泵、帶有濾網(wǎng)的罐車、連接管線和壓力計(jì)。

控制柜保障電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行; 電機(jī)帶動(dòng)離心泵提供動(dòng)力來源; 罐車裝載沖灰水, 提供動(dòng)力液來源,罐內(nèi)裝有濾網(wǎng), 可將返排水過濾后循環(huán)使用; 連接管線用于離心泵、罐車和沖灰管柱之間的連接; 壓力計(jì)安裝在泵的出口處, 用于顯示供液壓力, 監(jiān)視循環(huán)系統(tǒng)是否發(fā)生堵塞。

4 參數(shù)計(jì)算

砂粒沉降速度計(jì)算公式如下：

沖砂液最低排量計(jì)算公式如下：

當(dāng)套管內(nèi)沖砂液流速為0．3m/s 時(shí), 由于返排液通道主要是油套環(huán)形空間, 通道小于套管, 返排液流速為0．3×0．1242/ (0．124- 0．073)2=0．3×5．9=1．77m/s, 足夠攜帶細(xì)砂級(jí)別的顆粒返排, 以下離心泵和電機(jī)功率都按該排量計(jì)算。

電機(jī)功率計(jì)算方法如下：

離心泵軸功率N1= QH/367/η= 13．04 ×250/367/0．65=13．66 (KW)

電機(jī)功率N2= N1×1．1 = 5．92 ×1．1 = 15．03(KW)

前述公式中符號(hào)說明如下：

νt——懸浮于沖砂液中的球形砂粒的沉降末速, m/s;

d——球形砂粒直徑, m;

ρs——砂粒的密度, g/cm3;

ρl——沖砂液的密度, g/cm;

Qmin——沖砂洗井所需的最低排量, m3/h;

A ——沖砂液上返流動(dòng)時(shí)的最大截面積, m2;

νlmin——保持砂粒上升所需要的最低液流速度, m/s;

Q——沖砂液排量, m3/h;

hj——沿程水頭損失, MPa;

λ——沿程流動(dòng)阻力系數(shù);

l ——管道長度, m;

d——管道直徑, m;

ν——沖砂液流速, m/s;

H——揚(yáng)程, m;

η——功率因數(shù)。

充滿水后, 進(jìn)水與出水通道組成U 形管, 沖灰壓力即為摩阻壓力損失, 約2～3MPa, 則所需泵的出口壓力為4MPa。

綜上, 本工藝可選用出口壓力4MPa、排量25m3/h 離心泵, 15KW 電機(jī)。

5 結(jié)論

橋式無污染連續(xù)沖灰工藝是一種新型的煤層氣井沖砂工藝, 可形成油管內(nèi)的水力封閉循環(huán), 避免了常規(guī)沖砂的注入水和返排水對(duì)于煤層的沖刷和污染, 能將粗砂及以下級(jí)別的煤屑等固體顆粒有效排出, 適用于套管完井的作業(yè)井, 可用于煤層氣井沖灰作業(yè), 也適用于油氣井沖砂作業(yè), 以及管內(nèi)封閉水力或氣體密閉循環(huán)的井下作業(yè)環(huán)境。

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