一種新型煤層氣測試用泵注系統(tǒng)研究

王海龍，尤立忠 （中石油大港油田分公司測試公司，天津300280）

煤層氣微破裂試驗和注入／壓降測試過程中都需要一套地面泵注系統(tǒng)向煤層先注入流體。根據(jù)煤層氣測試的特征，地面泵注系統(tǒng)要求注入壓力平穩(wěn)、注入量穩(wěn)定。煤層氣測試時，地面泵注系統(tǒng)一般利用可調(diào)高壓閥由人工控制注入流量，其流量通過水罐中液位計的液面變化與注入時間計算來確定。在注入測試時需要根據(jù)計算的注入流量變化，不斷調(diào)節(jié)控制閥門來保證穩(wěn)定的注入流量。由于煤層氣注入測試時一般注入量很小，人工調(diào)節(jié)很難保證注入流量穩(wěn)定，導(dǎo)致注入壓力曲線不規(guī)范并影響后期資料解釋結(jié)果［1］。為此，筆者對新型煤層氣測試用泵注系統(tǒng) （簡稱新型泵注系統(tǒng)）進(jìn)行了研究。

1 傳統(tǒng)泵注系統(tǒng)存在的問題

傳統(tǒng)泵注系統(tǒng)主要包括注入泵 （產(chǎn)生高壓水）、高壓管匯 （包括流量調(diào)節(jié)閥、回流閥、安全閥、單流閥、高壓管線等）、儲水罐 （含水位計）、壓力和溫度表 （觀測地面壓力溫度變化，如果沒有采用直讀測試，需要觀察井口壓力變化確定地層破裂時間）［2］。

傳統(tǒng)泵注系統(tǒng)再注入階段普遍存在早期壓力上升較快、中期以后壓力不穩(wěn)的現(xiàn)象，其原因是由于傳統(tǒng)泵注系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)高壓閥難以控制流量引起的。

圖1 煤層氣注入／壓降測試的實測注入曲線圖

煤層氣注入／壓降測試的實測注入曲線圖如圖1所示。從圖1可以看出，X井前期壓力上升很快，中期壓力有波動但基本不變，后期呈下降趨勢。Y井前期呈臺階狀上升，中期壓力基本不變，后期呈快速下降趨勢。造成上述情況的主要原因是前期注入流量較大，后來由于注入壓力已接近設(shè)計的注入壓力，通過調(diào)整調(diào)壓閥把大部分注入水回流到水罐，實際注入的水量達(dá)不到設(shè)計流量，如果繼續(xù)按初期流量注入，則注入壓力可能突破破裂壓力。由于注入階段注入量不穩(wěn)定，與不穩(wěn)定試井的技術(shù)要求不符，使得關(guān)井后的壓降解釋結(jié)果與實際結(jié)果存在誤差，降低了測試分析結(jié)果的可靠性［3］。

2 新型泵注系統(tǒng)的設(shè)計

為了確保注入過程中流量的穩(wěn)定性、提高注入控制精度和自動化程度，對傳統(tǒng)泵注系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn) （見圖2）。

圖2 新型泵注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 設(shè)計2套泵注單元控制不同流量

采用2套泵注單元分別控制不同流量，從而滿足高、低注入量的要求：大流量高壓泵最大泵壓25MPa，流量在0～50L／min可調(diào)，用于坐封封隔器、頂替、微破裂試驗和原地應(yīng)力測試；低注入量泵最大泵壓10MPa，流量在0～3.3L／min可調(diào)，主要用于注入測試，以滿足穩(wěn)定低注入量的需要。

2.2 泵注單元采用變頻技術(shù)控制注入量

2套泵注單元分別采用變頻電機控制流量，通過調(diào)節(jié)頻率來控制輸出穩(wěn)定的流量。具體操作時根據(jù)顯示的流量，通過調(diào)節(jié)控制柜上的旋鈕來改變變頻電機的頻率，從而達(dá)到穩(wěn)定流量的目的。控制單元可以控制高壓柱塞泵和計量泵啟動和停止，同時可對泵的輸出流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 改進(jìn)信息輸出系統(tǒng)

采用電子高壓流量計、壓力表和液位儀，通過單片機記錄、顯示和輸出。分別在2套泵注單元的出口處安裝流量傳感器，在管匯出口和井口處安裝壓力傳感器，在水箱安裝液位傳感器。各傳感器的數(shù)據(jù)通過電纜傳輸?shù)絾纹瑱C上，經(jīng)分析計算后在控制柜的顯示屏上顯示并形成記錄文件。通過單片機上的USB口可以方便地將記錄文件拷出并用于資料處理。

2.4 設(shè)置安全保護(hù)閥

分別在2套泵注單元泵出口處設(shè)置一個安全閥，通過該安全閥的調(diào)節(jié)可將輸出壓力控制在額定壓力值。當(dāng)壓力超過設(shè)定值時，注入水通過該閥回流至儲水裝置，這樣使壓力始終處于設(shè)定值以下，從而對系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

2.5 提高系統(tǒng)集成度

地面機柜整合自動記錄單元、控制單元、計量泵、高壓柱塞泵、安全控制閥、儲水裝置、各節(jié)點不同傳感器及相應(yīng)管匯，其特征是各部分通過相應(yīng)管匯連接，通過集成地面注入系統(tǒng)，可實現(xiàn)從地面對測試井的按測試要求水量的注入及自動記錄。

3 室內(nèi)試驗

3.1 壓力試驗

分別用高壓泵加壓5、10、15、20和25MPa，每個壓力點觀察5min，發(fā)現(xiàn)泵工作正常，安全閥工作正常，溢流正常。分別用計量泵加壓2、5、8和10MPa，每個壓力點觀察5min，也發(fā)現(xiàn)泵工作正常。

3.2 泵注系統(tǒng)的流量試驗

設(shè)置40、20、0.4、0.2L／min 4個不同流量，分別用高壓泵和計量泵注水試驗10min左右，試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，不同流量注入保證十分穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 現(xiàn)場試驗

該系統(tǒng)完成檢驗后，應(yīng)用在HS16井11＃煤層氣測試試驗中，具體情況如下。

4.1 微破裂試驗測試

微破裂試驗測試從2010年12月1日17∶08開始至20∶30結(jié)束 （圖4所示），注入最大壓力20.08MPa（壓力計深度），注水泵最大流量79.88m3／d，未見地層破裂。

4.2 注入／壓降試井

注入／壓降測試自12月1日22∶00開始，至12月3日14∶30結(jié)束，注入15h，關(guān)井25.7h，累計注入量1.506m3，平均流量2.677m3／d，關(guān)井瞬時壓力為5.82MPa（見圖5）。

從HS16井注入流量曲線圖 （見圖6）可以看出，注入過程共分3個階段，第1階段注入流量為1.18L／min，第2階段注入流量1.46L／min，第3階段注入流 量 3.12L／min。上述不同階段的注入曲線非常規(guī)則，表明注入流量處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同流量試驗結(jié)果圖

5 結(jié)論

（1）使用新型泵注系可以方便地調(diào)節(jié)注入流量，從而大大減輕測試工人的勞動強度。同時，利用該系統(tǒng)可以進(jìn)行微破裂試驗和注入／壓降測試，由此提高實際注入流量的控制精度，確保測試資料的可靠性。

（2）利用該系統(tǒng)可以實時記錄流量、泵壓和液位，通過提供準(zhǔn)確的現(xiàn)場施工參數(shù)，從而為后期資料分析處理提供準(zhǔn)確依據(jù)。

圖4 HS16井微破裂試驗實測曲線圖

圖5 HS16井注入／壓降測試壓力曲線圖

圖6 HS16井注入流量曲線圖

［1］楊懷成，錢衛(wèi)明，房國平，等 .煤層氣井注入／壓降測試工藝技術(shù)與進(jìn)展 ［J］.油氣藏評價與開發(fā)，2012，24（2）：70-75.

［2］丘永新，周躍周，孫明安 .煤層氣測試工藝 ［J］.油氣井測試，1995，10（2）：23-25.

［3］趙培華，劉曰武 .煤層氣試井研究的意義 ［J］.油氣井測試，2010，15（6）：96-98.