高含硫氣井罐裝電潛泵系統排水采氣工藝

彭 楊 葉長青 孫風景 王學強 朱 鵬 朱 慶 張 宇 王威林

0 引言

高含硫氣井在完井時，一般采用井下安全閥＋耐蝕合金油管＋永久式封隔器的完井管柱，并在封隔器以上的油管—套管環空中注入保護液[1-6]，避免生產套管與酸性流體介質直接接觸，保證氣井安全生產。在此完井方式條件下，氣井生產時，油管成為唯一的生產通道，油管和套管不連通。隨著地層壓力降低，氣井攜液能力逐漸下降；如開展排水采氣工藝，受限于上述完井方式，無現成排水采氣工藝實施通道[7]，從而加劇井底積液，積液嚴重時會引起氣井水淹關井。特別是部分大產水量的氣井，水淹后復產較為困難。

電潛泵排水采氣工藝作為一種高揚程、大排量的排水工藝，用于大產水量氣井的水淹復產，效果有目共睹[8]。但實施電潛泵排水采氣工藝的常規氣井，其完井管柱中沒有封隔器。生產時，套管和油管處于連通狀態，井內流體與套管直接接觸，這種完井方式難以滿足高含硫氣井保護套管的要求，使電潛泵在高含硫氣井排水采氣的應用受到很大限制。因此，圍繞電潛泵排水采氣工藝在高含硫氣井的應用所面臨的技術難點，結合高含硫氣井完井方式和電潛泵排水采氣工藝技術特點，在完井管柱設計、工具配套等方面開展研究，提出一項適合于高含硫氣井的電潛泵排水采氣工藝技術，為高含硫氣井開展電潛泵排水采氣工藝探索出一條可行的道路。

1 技術挑戰

1.1 套管的保護

高含硫氣井完井方式強調對套管的保護，生產時，油管成為唯一通道，油、套環空與油管中的流體處于隔絕狀態。而目前應用了電潛泵排水采氣工藝的常規氣井，其完井管柱中沒有封隔器（圖1），氣井產出的氣體主要從油、套環空產出，因此會破壞這種隔絕狀態，導致具有腐蝕性的介質直接與套管接觸，使套管失去保護。需要針對高含硫氣井特殊的井筒完整性和保護套管的要求，重新設計適用于開展電潛泵排水采氣工藝的完井方式，以解決兩者之間的矛盾。

1.2 氣體干擾的影響

圖1 采用電潛泵排水采氣工藝的常規氣井完井管柱示意圖

氣體干擾是電潛泵用于氣井排水采氣工藝必然面臨的問題，將對電潛泵的平穩運行造成影響，嚴重時會導致電潛泵氣鎖停機，從而降低電潛泵運行時效，難以達到連續排液、讓氣井恢復正常生產的目的。因此，如何降低氣體干擾對電潛泵運行的影響是設計氣井完井方式和電潛泵系統選型時必須考慮的問題。

2 關鍵技術對策

針對高含硫氣井完井特點，結合電潛泵用于高含硫氣井排水采氣工藝面臨的技術難題，從完井管柱設計、應對氣體干擾、降低電潛泵機組震動等方面進行技術攻關，并提出了針對性的技術方案。

2.1 以罐裝電潛泵系統為主體的完井管柱系統

為實現高含硫氣井的順利排水采氣，并完成對套管的保護，氣井的完井管柱系統采取罐裝電潛泵系統與插管封隔器相結合的方式，如圖2所示。

罐裝電潛泵系統主要包括罐裝系統和電潛泵兩部分，其中罐裝系統為頂部帶有電纜穿越系統、下部為帶有油管密封總成的圓筒結構，兩頭均有相應的密封機構。將整套電潛泵機組置于罐裝系統內，電潛泵機組上部與油管連接至罐裝系統的頂部，罐裝系統的頂部與上部完井油管連接，罐裝系統下部的油管密封總成插入下部插管封隔器中。電潛泵機組位于罐裝系統內的電纜通過罐裝系統上部的電纜穿越系統與位于罐裝系統外的電纜相連，從而保證電力的供應。

圖2 考慮套管保護的電潛泵完井管柱示意圖

電潛泵運行時，所有流體均從插管封隔器內部通道進入罐裝內，再被泵送至油管內直到地面，油管是唯一的流通通道，井內氣水介質不會進入油套環空內。

2.2 應對氣體干擾的措施

2.2.1 多相流泵

電潛泵機組的核心部件為離心泵，其對氣體的抗干擾能力是決定電潛泵排水采氣時能否正常運行的關鍵。為降低離心泵吸入口游離氣的含量，常規電潛泵機組一般配有分離器。在生產時，套管主要產氣，油管主要產水。而采用罐裝電潛泵系統后，氣井產出的氣和水都通過電潛泵進入油管中，油管是唯一的生產通道。如果再配備分離器，則分離出的氣體容易集聚在罐裝系統的上部，壓低罐裝內的液面，最終引起離心泵氣鎖停機，因此罐裝電潛泵系統不能配備分離器。但為保證整套電潛泵機組在高氣液比情況下的正常運行，需采用對氣體抗干擾能力更高的離心泵。多相流泵是近年來離心泵在克服氣體干擾方面取得的一大進展，該型泵通過大角度的葉輪設計允許更多的氣體通過葉輪流道（圖3），同時將流道中的大氣泡打碎為細小的氣泡，減少氣泡聚集。其對氣體的抗干擾能力比一般離心泵高15%～20%（圖4），能夠在井下游離氣含量達到75%的情況下正常工作而不被氣鎖，滿足了離心泵在罐裝系統中正常工作的需要。

圖3 多相流泵流道結構示意圖

圖4 多相流泵與常規離心泵性能對比圖

2.2.2 放氣管線

由于氣水自然分離，在罐裝系統內部，游離氣容易聚集在罐裝系統的上部，壓低罐裝系統內的液面。當液面被壓低至泵吸入口附近時，會引起電潛泵運行波動，甚至導致氣鎖停機。為進一步提高電潛泵機組對氣體的抗干擾能力，在罐裝系統上部安裝放氣管線，從罐裝系統上部直接接至井口。通過地面控壓放掉罐裝系統內的氣體，保證電潛泵在罐裝系統中的沉沒度以減少氣體對電潛泵運行的影響。

2.3 氣井自噴時流道切換

部分氣井通過一段時間連續排液后，可實現自噴生產，這時就不再需要電潛泵進行輔助排液，電潛泵可停止工作。但在罐裝電潛泵系統中，由于流體直接從泵吸入口進入電潛泵內，要通過電潛泵內部復雜的流道才能進入上部油管中。而流體流經電潛泵流道時會產生較大的壓降，從而減弱氣井帶液自噴的效果。

自動換向閥因其靈活的流體轉向控制優勢已在電潛泵排水采氣井中得到了較好的應用[9]，在此，可考慮在電潛泵罐裝系統的電潛泵出口加裝自動換向閥，以實現電潛泵工作關閉狀態下流道的切換，增強氣井帶液自噴的效果。該工具主要通過其內部擋塊和旁閥實現流體的轉向控制（圖5）。當電潛泵正常工作時，流體推動內部擋塊向上移動，自動換向閥的旁閥關閉。流體經電潛泵從自動換向閥內部進入油管，直到地面；當氣井能夠自噴時，電潛泵停止工作，內部擋塊下移，旁閥打開，流體直接從旁閥進入油管，則不需經過電潛泵，從而避免了不必要的壓降損失。

圖5 自動換向閥結構示意圖

2.4 降低管柱震動的對策

川渝氣田的高含硫氣井井深大多超過3 000 m，如龍崗礁灘氣藏井深普遍超過5 000 m。電潛泵在超過3 000 m的井中運行，產生的管柱震動較大。以TD90井為例，泵掛深度達到4 050 m，電潛泵管柱僅采用扶正器進行扶正；在電潛泵運行時，使管柱的徑向震動加速度常常超過4個重力加速度。如果震動得不到有效控制，將對電潛泵機組的運行帶來極大隱患，同時也可能導致插管封隔器失效，使氣水介質進入油、套環空。因此在選擇封隔器時，應選用帶有錨定機構的插管封隔器（圖6）。通過帶錨定機構的封隔器，來降低管柱震動，保證電潛泵機組的穩定運行和封隔器密封效果。

2.5 防腐材質選擇

圖6 帶錨定機構的插管封隔器示意圖

罐裝電潛泵系統的材質（電潛泵機組材質和罐裝材質）按照氣井相應的氣水介質條件，選用高等級的防腐材質并結合防腐噴涂即可，通行做法如下[10-15]：①各接頭采用不銹鋼材料，殼體采用鍍層、涂層防腐；②電潛泵機組殼體外表面及接頭外表面為高鎳合金層，再采用防腐蝕涂料進行防腐處理；③保護器軸、泵軸、分離器軸采用高強度、耐腐蝕的蒙乃爾合金材料；④泵出口接頭、先鍍高鎳合金層，再在外表噴涂耐油耐腐蝕涂料或采用不銹鋼材料制造；⑤連接花鍵套采用高強度、耐腐蝕的蒙乃爾合金材料；⑥大扁、小扁電纜采用鉛護套，鎧皮采用蒙乃爾材料；⑦小扁電纜頭外殼采用高鎳鑄鐵材料，并外加防腐涂層，如有必要可采用黃金小扁頭；⑧電纜保護器采用不銹鋼材料。

3 實施步驟與技術參數

3.1 實施步驟

具體實施時，分為以下幾步：①完成通井刮管作業；②下入帶錨定機構的插管封隔器，油、套環空替入保護液并坐封；③在井口完成罐裝電潛泵系統的連接；④下入罐裝系統，油管密封總成插入已經坐封的帶錨定機構的插管封隔器內；⑤完成井口裝置安裝與生產流程恢復；⑥啟動電潛泵運轉。

電潛泵運轉時，氣液從插管封隔器和錨定式油管密封總成內部通道進入到罐裝系統內，再經離心泵一起泵入進油管直至地面。整個過程不會有氣或水進入環空中，從而實現在排水采氣的同時保護套管的目的。同時，整個電潛泵機組位于罐裝系統內，依靠帶有錨定機構的插管封隔器，相比于常規的電潛泵工藝完井，管柱震動能得到有效降低，以保證插管封隔器的密封效果。

3.2 選型流程及技術參數

罐裝電潛泵系統中電潛泵機組的選型與常規電潛泵機組的選型相比，除不進行分離器選型外，其余流程基本一致。通過氣井流入動態與泵特性曲線的綜合分析，對氣井進行不同生產壓差下的工況計算，使優選出的離心泵、電機等機組運行參數能滿足氣井各生產階段的需求，如圖7所示。

圖7 電潛泵排水采氣工藝機組選型流程圖

同時，罐裝電潛泵系統的關鍵技術參數包括電潛泵工作的最大排量與最大揚程，其主要受限于罐裝規格，而罐裝規格需要與套管規格相匹配。因此根據套管規格，選擇對應罐裝尺寸，并結合電潛泵機組的選型結果，形成罐裝電潛泵關鍵技術參數，如表1所示。

4 實例設計

以L2井為例，其產層深度為4 700 m，地層壓力為38 MPa，溫度為140 ℃；原井內管柱封隔器下入深度為4 500 m，封隔器以上為?177.8 mm套管，該井硫化氫含量為15 g/m3。生產初期自噴期間最高產水量為150 m3/d，氣藏工程設計推薦該井的排水規模為200 m3/d。

4.1 完井管柱設計

在完井管柱方面，根據該井原井下封隔器位置及封隔器以上套管尺寸，設計罐裝電潛泵系統泵掛位置4 100 m，新下入帶錨定機構的插管封隔器位置4150 m。整個完井管柱從下到上分別為帶錨定機構的插管封隔器、電潛泵罐裝系統和油管。其中，電潛泵罐裝系統配套自動換向閥以實現電潛泵工作關閉狀態下流道的切換、放氣管線以降低氣體干擾的影響，帶錨定機構的插管封隔器以降低管柱震動，具體完井方式如圖8所示。

4.2 機組選型設計

根據該井基本井況與生產情況，按照電潛泵排水采氣工藝設計選型流程，并結合目前電潛泵常見規格，對電潛泵機組進行選型設計。

根據氣藏工程設計推薦排水規模為200 m3/d的要求和氣井流入動態的分析，選用工作排量范圍在250～400 m3/d的多相流泵，最大揚程3 000 m，以滿足氣藏工程對排水規模的需求。同時，L2井封隔器以上為?177.8 mm套管，因此選用?139.7 mm罐裝（壁厚6.2 mm），電潛泵機組最大外徑114.3 mm。詳細選型設計如表2所示。

4.3 材質選擇

根據該井氣水介質情況，電潛泵機組和罐裝系統使用耐腐蝕材質，具體材質選擇如表3所示。

表1 技術參數表

圖8 L2井罐裝電潛泵系統完井管柱示意圖

表2 電潛泵機組和罐裝系統選型參數表

表3 電潛泵罐裝系統材質選擇表

5 結論

1）罐裝電潛泵系統結合錨定式插管封隔器形成的高含硫氣井完井管柱系統能夠實現電潛泵的正常運行，同時滿足保護套管的需要。

2）罐裝電潛泵系統采用多相流泵和放氣管線以應對氣體干擾的影響，在電潛泵罐裝系統的電潛泵出口加裝自動換向閥以實現電潛泵工作關閉狀態下流道的切換，增強氣井帶液自噴的效果，同時選用帶有錨定機構的插管封隔器，降低管柱震動，保證電潛泵穩定運行，實現氣井正常生產。

3）新設計的高含硫氣井電潛泵完井系統可應用于?244.5 mm和?177.8 mm套管中：在?244.5 mm套管中，電潛泵的最大排量為900 m3/d，最高揚程為4500 m；在?177.8 mm套管中，電潛泵的最大排量為300 m3/d，最高揚程為3 000 m。

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（修改回稿日期 2017-12-17 編 輯 孔 玲）

湖北宜昌頁巖氣資源量超5 000億立方米

據近期中國地質調查局宣布的結果，位于宜昌市的“鄂宜頁1井”經過測試，獲得頁巖氣產量為6.02h104m3/d、無阻流量達12.38h104m3/d的高產頁巖氣流，專家預測該區頁巖氣資源量超過5 000h108m3。湖北省宜昌市地處江漢平原邊緣地區，屬于頁巖氣富集保存條件較好的地區。

專家認為，宜昌頁巖氣的重大發現實現了中國頁巖氣勘查從長江上游向長江中游的戰略拓展，對于形成南方頁巖氣勘探開發新格局、支撐長江經濟帶戰略和油氣體制改革等都具有重要的意義。

宜昌市政協委員鄔曉光表示，湖北省天然氣自給率目前僅為1.3%，伴隨城市化和工業化持續發展，能源需求量的年增長率將達10%以上。當前，隨著煤改氣等戰略的實施，各地供氣短缺情況正在進一步加劇，開發宜昌頁巖氣資源，對于發展新興產業、促進區域產業改造升級和生活消費綠色轉型都具有重要的意義。

鄔曉光等還建議，成立頁巖氣開發研究機構，做好開發利用前的準備工作，包括研究制定宜昌市開發頁巖氣的產業發展規劃，推進頁巖氣的勘探和商業開采實驗，研究頁巖氣產業開發的支持政策，尋求戰略合作，并建立項目儲備庫，引進技術人才等。