煤層氣L型水平井電潛螺桿泵應用技術研究

何 軍 張光波 樊 彬 劉明仁 季 斌 芮 巍

(中石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

L型水平井因井眼穩定、可改造、低成本、產量高的優勢，已成為煤層氣田開發布井的主要井型。該類型水平井由直井段、造斜段和水平段組成，井眼軌跡沿著煤層或煤層附近水平方向鉆進一定長度，整個井眼為單一井眼軌跡，無其它分支，整個井身結構呈“L”型的單支水平井(圖1)。且根據完井方式，該類型水平井井底至井口的鉆完井井身結構有兩種，一種是可壓裂改造的套管完井井身結構：人工井底+D139.7mm鉆孔篩管一根+D139.7mm套管+分級箍+D139.7mm套管+套管頭；另一種是篩管完井井身結構：人工井底+D139.7mm鉆孔篩管+分級箍+D139.7mm套管+套管頭。

圖1 L型水平井井身結構剖面圖示

由于L型水平井井身結構特點及煤層氣井排水降壓要求，決定了在排水降壓時只能采用無桿排采方式。近年來，電潛螺桿泵舉升工藝作為適用性較強的一種無桿舉升工藝，在L型水平井中的應用井數逐漸增加；但不同類型的電潛螺桿泵工藝因其結構功能的不同，在排采管柱及配套工藝方面均具有差異性。

本文結合ESPCP型電潛螺桿泵在沁水煤層氣田一口煤層氣L型水平井中的應用，進行了該型電潛螺桿泵系統配置、管柱設計及防串氣、防煤粉、防油管卡阻等配套工藝的應用，形成了一種具有綜合性能的煤層氣L型水平井電潛螺桿泵用管柱，保證了電潛螺桿泵在該井的連續穩定排采。

1 ESPCP型電潛螺桿泵系統簡介

ESPCP型電潛螺桿泵系統是一種無桿排采工藝，主要由地面智能排采控制系統、回注水地面控制系統、六通專用井口及井下泵組、配套線纜及線纜固定工具組成。

地面智能排采控制系統主要實現運行頻率、電流、井底流壓等參數的采集、上傳、遠程控制、參數預警及自動啟停等功能(圖2)。

回注水地面控制系統包括變頻控制柜、地面小排量注泵和水箱，能自動實現洗井回注水的流量和注水泵的啟停控制。

六通專用井口主要實現扁電纜、注水管、井下壓力計電纜的穿越及密封。

井下泵組由電機、減速器、保護器、撓性軸、電潛螺桿泵組成，實現井液的舉升。

配套線纜包括壓力計電纜、電機扁電纜及洗井管線，線纜固定工具包括D116mm三槽電纜扶正器(可實現三線纜固定及扶正)、剛帶及D121mm四爪扶正器(主要實現泵組位置電機電纜固定及扶正)。

圖2 ESPCP型電潛螺桿泵系統地面裝置照片

2 FH平9-1L井井況簡介

FH平9-1L井為一口煤層氣L型水平井，預測該井最大產液量在30m3/d，最高產氣量在10000m3/d，在排采后期產液量為0.5m3/d；套管完井，套管外徑139.27mm，套管內徑 124.26mm；投產前壓裂改造，產出水含有煤粉或出少量壓裂砂；井斜數據見表1。

3 FH平9-1L井電潛螺桿泵系統選型

3.1 泵深確定

ESPCP型電潛螺桿泵機組要求所處井段位置全角變化率≤3°/30m、井斜角78°～86°，結合該井井斜數據，確定該井螺桿泵下泵位置在斜深877.50m，該處井斜角82°，垂深750m，全角變化率2.5°/30m，確保螺桿泵機組的平穩放置和平穩運行。

表1 FH平9-1L井井斜數據表

3.2 井下螺桿泵型號確定

該井預測最液量0.5～30m3/d，對于 0.5～30m3/d的產液范圍可以理解為：一是低揚程和最大揚程條件下產液量可能低至 0.5m3/d，二是解吸前(揚程約 300～500m時)產液量可能達30m3/d；根據煤層氣井排采經驗，選取揚程800m、轉速300R/MIN時泵效60%的泵型(圖3、圖4)。

圖3 選定泵型泵效特征曲線圖

圖4 選定泵型不同轉速下的排量揚程曲線圖

對于該泵型的轉速、揚程和排量，選取3個典型工況下的運行點運用相關計算軟件模擬結果如下：

情況1：在初期水量5m3/d，揚程100m時，對應轉速為50RPM；

情況2：對于泵深約800m的井，其解吸壓力一般在4～5MPa左右，對應的揚程即為300～400m，該泵在該揚程條件下最大排量35m3/d，對應轉速為350RPM；

情況3：后期正常產氣階段，水量0.5m3/d，揚程800m時，對應轉速160RPM。

理論上，該型號泵可實現最低產液量達到0，但考慮井下電機的散熱問題，當產液量低于0.5m3/d后，將開啟回注水系統實現連續回注水，將實際的產液量控制在1～5m3/d左右。

綜上，對比各型號螺桿泵，最終確定該井采用65B1300型泵，根據公式1，該型螺桿泵最大排量為31m3/d。

Q=R×65÷6.29÷100

其中，Q，最大排量，m3/d；R，運行轉速，r/min。

如果該井產液量大于30m3/d，則依據綜合分析預測產液量后更換大型號螺桿泵。

3.3 井下驅動電機功率確定

運用相關計算軟件模擬，根據揚程400m和800m時不同產液與轉速下的總功率 (表2，表3)，由于消耗總功率不超所用電機額定功率的80%，同時根據常用電機功率型號，選取井下驅動電機功率為11kW。

表2 揚程400m時不同轉速及排液量下的總功率計算表

表3 揚程800m時不同轉速及排液量下的總功率計算表

4 FH平9-1L井電潛螺桿泵管柱及配套工藝

4.1 油管優選

配套應用三槽電纜扶正器外徑116mm，內徑60mm，選用D60mm平式油管作為井下液流通道；在井斜角大于60度至螺桿泵頂端的井段應用D60mm倒角平式油管(油管接箍加工成3×45°導角)，總長度為145.16m，防止管串在經過大井斜角(60°～90°之間)井段時油管接箍與套管之間的刮蹭或卡阻，降低作業風險。

4.2 配套工藝設計

(1)倒置倒流罩防串氣工藝

整體管柱吸入口在螺桿泵底部，通過倒置導流罩與螺桿泵泵體的組合結構改變流體的流向，氣液混合流體經過導流罩，由于重力的作用液體向下進入螺桿泵吸入口，氣體向上從套管排出，起到氣液分離作用，達到防串氣目的(圖5)。

圖5 倒置倒流罩防串氣原理示意圖

根據導流罩底端至頂端開口處最小垂深1m的原則，結合該井井斜數據，選用三根5m的無接箍內扣導流罩，導流罩底端位置在斜深877.5m(垂深750m)，導流罩頂端開口位置在斜深862.5m(垂深748.6m)，最終導流罩底端至頂端開口處垂深1.4m，可達到防串氣目的。

(2)注水管回注水防煤粉工藝

導流罩頂端開口至井口應用D25mm洗井管，結合地面洗井裝置可實現導流罩與螺桿泵環空內的煤粉清理，同時在排采后期日產液量小于0.5m3階段可循環回注清水使產液量維持在1～5m3/d，確保電潛螺桿泵系統處于最佳的運行狀態

(3)三凹槽管線固定工藝

應用三凹槽設計的D116mm電纜扶正器(長度21cm)，將電機電纜、D25mm注水管、壓力計電纜用一個電纜保護器固定在油管上，且一根油管僅用一個電纜保護器實現拉直、固定三種管線的功能，方便操作，減少了各種管線固定工具的使用量，降低了井筒故障風險及投資成本。

圖6 FH平9-1L井電潛螺桿泵管柱示意圖

將以上各種不同功能的井下工藝工具組合應用，形成了該井的綜合性能管柱(圖6)。從井下電機到油管掛的管柱結構及各井下工具位置為：D114mm電機(型號450SP)×1.40m+D108mm減速器×0.51m+D102mm保護器×2.02m+D102mm撓性軸×2.65m+D73mm電潛螺桿泵(型號65B1300)×2.89m+D60mm平式油管短節×2根×3.04m (2.02m×1根+1.02m×1根)+D60mm平式油管短節×2根×9.44m(4.72m×2根)(短節外套D102mm導流罩×3根×14.88m，每根4.96m，短節在導流罩上方外露0.42m)+D60mm單流閥×0.18m+D60mm平式油管短節×1根×1.73m+D60mm平式油管短節×1根×4.79m+D60mm壓力計托筒(最大外徑D95mm)×1.02m+D60mm倒角平式油管×15根×145.16m+D60mm平式油管×78根×702.30m+D60mm平式油管短節×1根×4.90m+D60mm油管雙公×0.06m+油管掛×0.18m+油補距×1.81m。配套管線及固定工具位置分別為：四爪扶正器3個，分別下在電機和減速器之間1個，位置在882.68m，最大投影外徑D121mm,減速器和保護器之間一個,位置在882.17m，最大投影外徑D116mm，保護器撓性軸之間1個，位置在880.15m,最大投影外徑D116mm；鋼帶9個，最大投影外徑D116mm，分別在減速器中部1個，保護器上2個，撓性軸上1個，第1根導流罩上1個，第2根導流罩上2個，第3根導流罩上1個，導流罩上部短節1個；電纜保護器(長度21cm，外徑D116mm)98個，在壓力計托筒上下接箍各1個，托筒以上每根接箍處1個至井口；扁電纜線連接在電機上口處，扁電纜接頭固定在導流罩以上D60mm油管短節中部，D25mm注水管插在導流罩頂部吸入口；壓力計底部離托筒底部0.15m；壓力計及電纜一套，注水管一套，電機小扁電纜一套全部隨管柱一同下入井內。

5 應用效果

該井于2018.5.15～5.18號順利下泵完井，下泵過程中無管柱卡阻現象發生；2018.5.29日正常啟抽，截至目前正常排采220天，目前日產液10.4m3，日產氣3160m3，井底流壓1.50MPa，套壓0.81MPa，滿足連續穩定的排采降壓需求(圖7)。

圖7 FH平9-1L井排采曲線