環空射流泵排采工藝在煤層氣井中的適用性研究

陳鳳官，綦耀光，王 渭，明 友，王 勤，吳建軍

（1.合肥通用機械研究院，合肥230031；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555；3.中石油煤層氣有限責任公司，北京100028）

環空射流泵排采工藝在煤層氣井中的適用性研究

陳鳳官1，綦耀光2，王 渭1，明 友1，王 勤1，吳建軍3

（1.合肥通用機械研究院，合肥230031；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島266555；3.中石油煤層氣有限責任公司，北京100028）

目前，煤層氣井的排水采氣工藝采用了油田的有桿泵系統，存在泵閥打不開、卡泵、桿管偏磨等問題，制約了煤層氣的開發。環空射流泵排采工藝具有許多優點，已在油田成功應用，特別適用于煤層氣井。應結合煤層氣井特點，簡化地面設備，降低初期投資；改進射流泵結構，提高在小排量時的效率。

煤層氣井；排水采氣；射流泵；適用性

我國有豐富的煤層氣資源［1］，大部分儲藏于中西部地區，開采煤層氣對拉動中西部地區的經濟發展有重要意義［2］。受到排水采氣工藝技術和設備的限制，我國的煤層氣資源開發還處在初級階段，如何合理、經濟、高效地開采煤層氣，成為當前普遍關注的問題。

射流泵排采技術經過幾十年的發展，不斷地完善，已在油氣田廣泛應用［3－4］，在井身結構復雜、高溫、高氣液比、出砂［5］和腐蝕等井［6］的排采中發揮了重要作用，還可應用于油氣井的特殊作業［7－9］，但在煤層氣井中還未應用。本文旨在分析煤層氣井排采要求的特殊性，結合射流泵排采技術特點，分析研究水力射流泵排采工藝對于煤層氣井排采的適用性。

1 我國煤層氣井排采技術現狀

1.1 工藝的特殊要求

煤層氣主要以吸附狀態儲存于煤層中，它的吸附是1種物理吸附，且是1個可逆過程，所以煤層氣的排采是排水降壓的連續過程［10］。我國煤層氣井普遍為異常低壓，需要采用人工舉升方法把地層水從煤層氣井中排出，使井底壓力降至煤層氣解吸壓力以下，從而形成解析流動過程。

該工藝具有4個特點：

1） 沉沒度低 在常規油氣開采中，抽油泵的沉沒度都是在幾百米以上；煤層氣排采由于儲層的特殊性，沉沒度通常在幾十米，這就直接影響到作業的生產壓差。由于泵的沉沒度不同，泵作業時所承受的沉沒壓力存在很大區別，泵腔變化范圍有明顯區別，所以泵閥打開所賦予的條件存在很大差別。

2） 排液量小 常規油氣與煤層氣排采存在區別，煤層氣排采除前期排液量較大外，在穩產期和產量遞減期，排出液量＜10m3／d，而常規油氣排采中排液＞20m3／d。

3） 出煤粉 由于受沉沒壓力和排液量的影響，液體的流速存在很大差別。當排液量很小時，液體的流速不足以攜帶煤粉上升，則造成煤層氣排采作業過程中煤粉沉降。由此而引起卡泵現象，從而造成檢泵周期短，需進行修井作業。某煤層氣井排采曲線如圖1所示，從圖1可以看出該井修井周期短，且每次作業后，產量無法達到之前的水平。

圖1 某煤層氣井排采曲線

4） 穩壓排采、連續降壓 這是由煤層氣的解吸滲流規律所決定的。井底流壓和排采強度將直接影響到煤層氣井的產量和長期產能，部分煤層氣項目失敗的主要原因就是在排采環節控制不好。

1.2 現有排采設備存在的問題

我國煤層氣開采目前仍處于初級階段，排采設備主要是采用常規有桿抽油系統，螺桿泵、電潛泵等還處于試驗階段，存在4個問題：

1） 目前，煤層氣井場普遍使用有桿泵系統，對低壓、低沉沒度條件的適應性很差，泵閥打開條件難以正常滿足。由于井液中含有自由游離氣，有桿泵容易產生氣鎖。此外，在小排量條件下，有桿泵系統無法達到有效排煤粉的條件。井筒中的煤粉引起卡泵，造成修井作業（如圖2），嚴重影響了煤層氣井的連續生產。

2） 試驗中的電潛泵由于其固有特點，決定了其僅適合于較大排量的煤層氣井，而螺桿泵在小排量條件下極易出現干燒現象。

3） 煤層氣井的井眼軌跡相對較差，往復式排采方式適應性差，容易引起桿管偏磨。另外，現有的有桿泵排采對定向井的適應性也較差。

4） 煤層氣井的主要排采液是地層水，礦化度較高，容易產生水垢并加快設備的腐蝕。從生產現場可以看出排采設備的腐蝕很嚴重。

圖2 煤層氣井現場作業后的沉淀池

2 射流泵排采系統的組成及工作原理

射流泵是1種特殊的水力泵［11］，結構簡單，沒有運動件，它主要由噴嘴、吸入管、喉管（混合段）、擴散管等組成。射流泵排采裝置系統主要由井下射流泵機組、井口裝置、地面動力裝置、地面管匯等組成［9］，如圖3所示。

圖3 常規油氣井射流泵排采系統組成

地面泵（或其它有壓液體源）提供高壓動力液通過噴嘴，其壓能轉換成動能；由于紊動擴散和卷吸作用，將其周圍的井液吸入喉管，2股流體在喉管內充分混合，然后進入擴散管通過降低流速而把部分動能轉換成壓能，混合液獲得壓力足以將自身從井下舉升至地面。

為與環形多噴嘴射流進行區別，筆者提出了環空射流泵的概念，即：動力液經過環空噴射，而吸入液從中心吸入。

與中心射流泵相比，對于環形多噴嘴射流泵及環空射流泵，由于其吸入流道與排出流道處于同1個軸線，對于液固混合物的排采具有較強的適應性。因此，后兩者較適合煤層氣井排采液排煤粉的要求。環形多噴嘴射流泵與環空射流泵相比，后者具有結構簡單、對偏心不敏感、不易堵塞、安裝方便等優點（結構如圖4）。表1為幾種不同型式射流泵的特點比較。

圖4 環空射流泵排采系統井下結構

表1 幾種射流泵的優缺點比較

圖5～6分別為環空射流泵的基本特性曲線及效率曲線［12］，反映的是射流泵的幾何尺寸（面積比）、流量比、壓力比以及效率η相互關系。根據射流泵的無量綱特性曲線，可以通過地面泵參數的調節，靈活地控制煤層氣井的排水采氣過程；或者可以更換自由式射流泵的不同型號，從而實現煤層氣井不同生產時期的需要。

圖5 環空射流泵的基本特性曲線

圖6 環空射流泵的效率曲線

3 煤層氣井采用射流泵排采工藝的優點

1） 與其他排采方式相比，環空射流泵排采系統對自由氣敏感性小。由于沒有運動件，井下設備有較高的可靠性，維修費用低；若噴嘴、喉管等主要部件采用耐磨、抗腐蝕的材料，可以有效解決煤層氣井出煤粉及井液礦化度高等問題。

2） 由于不存在傳動桿，對煤層氣井較差的井眼軌跡適應性很強，并可應用于定向井、水平井等。

3） 環空射流泵排采系統能適應的深度和排量的變化范圍較大，現場可以很方便地通過調節地面泵參數或匹配不同的井下泵組合，從而滿足各個區域煤層氣井不同的生產要求。并且可以較強地適應煤層氣井的異常低壓、低沉沒度等井況。

4） 作為水力泵，射流泵排采系統的地面設備有中心站式和獨立井場式2種。中心站式可以處理密度集中的井網系統，具有無法比擬的經濟和管理優勢，不僅可以集中管理，而且大幅降低了投資成本，從而獲得較高的經濟效益；獨立井場式可整體撬裝，具有較高的機動性。

5） 對于我國煤層氣井，射流泵的低泵效缺點已不再突出，因為煤層氣井并非以采出液量為目標，只要能持續、穩定地生產即可。

通過類比常規天然氣藏射流泵排采系統的經濟效益［3］，分析煤層氣井應用射流泵排采的經濟效益，如表2所示。煤層氣的售價約為1.3元／m3，每年生產時間按300d計算，大約需要半年多可收回成本。煤層氣井普遍生產周期＞10a，經濟效益顯著。

表2 煤層氣井射流泵排采經濟效益分析

4 結論

1） 射流泵排采工藝完全能夠滿足煤層氣井排采工藝的要求，可以解決目前排采生產中存在的問題，有著廣闊的前景，推薦進行先導性試驗。

2） 提高小排量射流泵系統的效率將是今后的研究方向。射流泵的設計過程很復雜，應簡化工藝流程，降低設備等級，便于現場應用。

3） 我國煤層氣藏滲透率普遍很低，幾乎都需要進行壓裂作業，開展煤層氣井的壓裂與排采一體化研究有著廣闊的發展前景。射流泵排采系統對此有著較強的適應性，應深入研究。

4） 應簡化煤層氣井排采設備地面流程。國內煤層氣井多數分布在中西部地區，交通不方便，不利于大設備的運輸，故應合理布置排采裝置的地面流程，簡化排采裝置的地面設備。

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Study on Applicability of Annular Jet Pump Dewatering Gas Production in CBM Wells

CHEN Feng－guan1，QI Yao－guang2，WANG Wei1，MING You1，WANG Qin1，WU Jian－jun3
（1.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；3.PetroChina Coalbed Methane Co.，Ltd.，Beijing100028，China）

At present，the rod pumping system were used in CBM wells for dewatering gas production，and there were many problems，the valve can’t be open，pump stuck，rod and tubing partialwear，which restricted the development of CBM.The annular jet pump dewatering processhas many advantages，which has been successfully applied in the oil field，and it is especially suitable for CBM wells.What should be done is to combine with the characteristics of CBM wells，simplify the ground equipment，reduce the initial investment，and to optimize the structure of the jet pump，improve the efficiency for small displacement.

CBM wells；dewatering gas production；jet pump；applicability

1001－3482（2012）06－0046－04

TE935

A

2011－12－21

陳鳳官（1986－），男，江蘇東臺人，碩士，助理工程師，主要研究方向為閥門產品及流體機械設計及理論，E－mail：cfg0546＠gmail.com。