螺桿泵井管柱優化設計

□ 文/何軍 楊建雨 竇武 董洪青劉峰 樊彬

螺桿泵井管柱優化設計

□ 文/何軍 楊建雨 竇武 董洪青*劉峰 樊彬

分析螺桿泵井在解吸產氣階段燒泵的原因，可以進一步優化管柱設計，保證煤層氣螺桿泵井的平穩、持續開采，達到煤層氣井高產、穩產的目標。

2006年以來，我國煤層氣產業已步入快速發展的軌道，立足于應用低成本適用技術的開發特點，螺桿泵舉升工藝因其價格低廉、排量調節范圍廣、維護方便、占地面積小等優點在煤層氣井的應用已初具規模。山西沁水盆地樊莊區塊、河東煤田南部區塊、韓城區塊等煤層氣田，螺桿泵舉升工藝均有小規模應用，并且，在應用過程中，均突顯出排采前期壓裂砂和煤粉卡泵、桿管偏磨失效、解吸產氣階段燒泵等問題。通過桿管柱結構的合理設計與排采制度的合理匹配，螺桿泵井排采前期壓裂砂、煤粉卡泵及桿管偏磨失效等問題在我沁水煤層氣田沁南區塊已解決，但在解吸產氣階段螺桿泵燒泵問題仍待攻關。

螺桿泵井解吸產氣階段生產特點及問題

解吸產氣階段指井筒液柱壓力低于煤巖臨界解吸壓力以后，持續產氣的階段。當煤儲層壓力低于煤巖解吸壓力以后，在煤儲層壓差作用下，氣水兩相從煤層中產出，促進煤巖的進一步解吸。

在此階段，井底流壓逐漸降低，螺桿泵井產液量及煤沒度逐漸降低，產氣量逐漸增加，套壓逐漸增長至與流壓持平。隨著煤沒度降低，井底流壓降低，氣量增加，產出液氣液比增大，螺桿泵燒泵問題突顯。

螺桿泵燒泵原因分析及對策

螺桿泵在正常運行當中，轉子部件在橡膠定子內旋轉，需要通過井液對泵進行潤滑和冷卻。由于氣體起不到有效地潤滑作用，所以當低煤沒度下氣液比較高的井液通過泵腔時，對泵的潤滑效果降低，轉子和定子在運行過程中摩擦生熱，使定子的橡膠材料軟化，導致燒泵。

解吸產氣階段有很多因素可以造成泵腔內的氣液比升高，其中包括井口環空壓力高、泵抽空和井下氣液分離太差等。

井口壓力直接關系到煤層氣的產出，因此必須調整地面裝置的配置，盡量降低井口壓力保證螺桿泵在正常條件下工作。

泵抽空是由于螺桿泵的排量大于地層的產液能力，從而造成泵效的降低甚至是空載運行；此類問題要根據實際情況通過改變泵的型號，調整螺桿泵轉速，或者在螺桿泵以下管柱的適當位置配置單流閥等辦法對泵的抽汲能力進行調整，以適應地層的產液能力。

井下氣液分離太差也是影響泵腔內氣液比升高的重要原因，通過調整生產管柱結構及泵相對煤層的位置來改善。螺桿泵吸入口相對于煤層的位置對井下氣液分離有著很大的影響，在起抽及排水降壓階段，將泵下到煤層井段以上避免壓裂砂、煤粉所造成的泵磨損問題，同時預防油管錨卡瓦內堆積壓裂砂、煤粉致使油管錨失靈，管柱大修甚至煤層氣井

報廢，若該種管柱結構持續到解吸產氣階段會影響氣液分離的效果。因此，解吸產氣階段將螺桿泵的吸入口直接下至煤層以下，氣液從煤層流出后依靠自重自動分離，氣體上浮進入套管，液體進入泵腔，減少了進入泵腔內的氣體量。

西局/圖

應用實例

沁15-31-49井于2012年5月18日投產，采用螺桿泵舉升工藝，初始管柱設計：D73mm油管+GLB50—20BCM螺桿泵+油管錨+D73mm油管+8MPa電子壓力計+80目不銹鋼篩管1根+油管短節+絲堵；油管錨設計在上煤層頂界以上4.7m，泵吸入口即篩管頂設計在下煤層底界以下3.3m。

2012年5月18日該井投產時井底流壓6.8MPa，套壓0MPa，管壓0MPa，煤沒度680m，日產氣量0立方米，日產液量6.3立方米。

2012年6月4日該井開始解吸煤層氣，當日井底流壓4.27MPa，套壓0MPa，管壓0MPa，煤沒度427m，日產氣量105立方米，日產液量3.6立方米。

自該井解吸產氣以來，一直正常持續生產至2013年4月3日，當日該井井底流壓降至0.34MPa，套壓0.29MPa-，管壓0.12MPa，煤沒度5m，日產氣量1278立方米，日產液量0立方米。此時螺桿泵已失效，分析原因為：由于泵吸入口即篩管頂離下煤層底界距離近，僅3.3 m，導致井下氣液分離太差，泵腔內氣液比升高，轉子和定子間潤滑性降低，在運行過程中摩擦生熱，使定子的橡膠材料軟化而燒泵。

2013年4月4日檢泵作業現場觀察，起出泵筒頂端可嗅出橡膠燒焦氣味，且轉子中上部凹槽鍍層呈現出高溫燒泵的焦黃色。

針對該井的燒泵原因，同時結合該井目前生產情況，此次檢泵作業優化管柱設計：D73mm油管+ GLB28—20BCM螺桿泵+8MPa電子壓力計+油管錨+D73mm油管短節+單流閥+油管短節+油管接箍；由于該階段壓裂砂、煤粉排出量已極少（現場取樣已無法肉眼識別），無需再下篩管，同時，油管錨卡瓦已無失效隱患，于是設計下放螺桿泵和油管錨于煤層下底界以下；螺桿泵設計在煤層下底界以下14.3m，泵吸入口即油管接箍設計在下煤層底界以下26.8m，并于煤層下底界以下24.8m處配置單流閥（0.2MPa的壓差可開啟）。該管柱設計的優點：（1）泵吸入口距下煤層底界以下26.8m，可以使井下氣液分離充分，避免了氣液比較高的井液進入泵筒；（2）螺桿泵設計在煤層下底界以下14.3m，和煤層下底界以下24.8m處配置單流閥，可保證井筒液面在下煤層底界以下4.8m時單流閥（0.2MPa的壓差可開啟）關閉，無井液進入泵筒，井筒內液柱不回落對煤層造成影響，并且可使螺桿泵體外有8.5—13.3m的沉沒度進行泵體冷卻，杜絕口袋內泵吸入口以上液體抽空后大量氣體進入泵筒燒泵。

沁15-31-49井2013年4月6日完井管柱設計圖

優化管柱設計檢泵作業后，截至2014年3月18日，沁15—31—49井在低煤沒度、高氣液比的井況下已正常運行342天，且繼續正常運行。2014年3月18日該井井底流壓0.25MPa，套壓0.1MPa，管壓0.08MPa，煤沒度1m，日產氣量482立方米，日產液量0立方米，運行電流2.3—2.5A。

在煤層氣螺桿泵井解吸產氣階段，下放螺桿泵、油管錨至煤層下底界以下，同時在合理位置配置單流閥的管柱優化設計方法，可完全杜絕螺桿泵燒泵現象的發生，保證煤層氣井的平穩、持續開采；并且因螺桿泵下端設計了固定凡爾，可在停井時防止油管柱內液柱回落造成的煤儲層傷害，可完全實現煤層氣螺桿泵井的間開節能。

作者單位：中國石油長治煤層氣勘探 開發分公司

*中國石油華北油田采油二廠