延川南煤層氣井舉升工藝優化應用

劉波(中石化臨汾煤層氣分公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

煤層氣勘探開發需要實施水力壓裂改造煤層以達到較高的采收率，加之煤層易破碎，煤粉顆粒較小等原因，極易在排采過程中發生煤粉隨排采水產出現象。煤粉產出易造成活塞卡泵、固定凡爾、游動凡爾、篩管堵塞等問題，從而導致檢泵。部分高產井檢泵壓井導致井底流壓回升、儲層傷害，從而導致氣量無法恢復，嚴重影響最終采收率。本文通過對煤粉卡泵原因分析，明確影響因素及特性，針對性地試驗、研發了六種防治工藝：一是應用防煤粉泵，二是應用無桿舉升隔膜泵，三是應用帶壓洗井裝置，四是煤層下帶封洗井，五是空心桿氣舉排液，六是套管撈水排液。以上六種防治工藝均在氣田開展了試驗，效果各有優劣，現對六種工藝進行分析總結評價。

1 煤層氣井煤粉粒徑分析及產液量與可攜帶顆粒粒徑計算

1.1 煤粉粒徑分析

對部分篩管堵塞及卡泵井在絲堵、篩管、固定凡爾及柱塞處進行煤粉取樣。化驗表明混合物主要成分為：壓裂石英砂、煤灰煤粉及煤層產出的瀝青質膠狀混合物。同時進行了十六目篩粒徑分選：

(1)十六目篩以上樣品分析結果：①其中大顆粒物質約占篩余部分的10%，最大直徑達10 mm，最小直徑為1.26 mm；②其余均為巖屑，巖屑最大直徑為5 mm，厚度為1 mm 的片狀物；在2 mm 左右直徑的顆粒占篩余量的50%；

(2)十六目篩以下樣品粒徑分析結果：①最小粒徑為：1.381 μm；最大粒徑為：517.2 μm；中間值為：80.99 μm；②直徑分布百分比含量如下：30%＜25.896 9 μm；70%＜160.463 9 μm；80%＜201.697 9 μm；90%＜260.226 5 μm；95%＜311.860 4 μm。從十六目篩以下樣品的粒徑化驗結果得出，直徑＜0.2 mm 的顆粒占比達80%。

1.2 不同日產液量可攜帶的顆粒粒徑計算

應用“垂直井筒開采最小攜砂速度”計算公式及“不同日產液量下D73mm 油管內液流速度”計算公式進行計算從而確定不同日產液量可攜帶的顆粒粒徑。日產液量越大，油管內液體可攜帶的顆粒粒徑越大。且日產液量0.2 m3時，油管內液體流速可攜帶粒徑小于0.2 mm 的顆粒；日產液量0.16 m3時，油管內液體流速可攜帶粒徑＜0.12 mm的顆粒；日產液量0.12 m3時，油管內液體流速可攜帶粒徑＜0.07 mm 的顆粒[1]。

2 延川南煤層氣田多種舉升工藝應用實踐與評價

2.1 防煤粉泵現場應用及評價

2017 年初在氣田優選9 口井應用兩種防煤粉泵，截至2021 年2 月仍有2 口井正常生產，免修期近1 460 d。第一種長柱塞短泵筒泵應用效果好，達到預期目的，第二種無固定閥泵由于泵筒自身問題使用初期效果就不好，后期全改為普通泵生產，應用效果對比如表1 所示。

2.2 隔膜泵無桿舉升

2019 年氣田引進隔膜泵，力圖解決煤粉卡泵、偏磨、桿斷等問題。在W129 平臺延6-46-36 井和W12 平臺延3-V1-P1 井開展試驗，應用效果如表2 所示。

兩個試驗井均因電機燒故障停機，原因：一是液量較少，間斷運行，電機不能長時間穩定工作，運行工況差。二是該泵是電力驅動柱塞泵，但柱塞對煤粉適應性較差，煤粉粘附柱塞導致摩阻過大電機過載。三是該泵隨著下泵深度增加舉升液量減少。但氣田煤層氣井排采后期產液量為0.5 m3/d 左右，該泵設計1 300～1 500 m 的揚程下排量為8～6 m3，和現場液量不匹配。四是氣田新區煤層氣水平井初期日排液量在50 ～150 m3，且下泵深度在1 200～1 400 m，但該泵設計下深600 m 時最大日排液量僅為20 m3，也不符合現場要求。因此，該泵雖然具備無桿舉升優勢，但針對目前煤層氣井的要求不適應。

表1 無固定閥泵和長柱塞短泵筒泵應用效果對比表

表2 井下隔膜泵應用試驗數據表

2.3 帶壓洗井裝置應用

通過計量泵24 h 不間斷將排采水帶壓打入套管，再機抽排液帶出，形成循環洗井，打入的排采水增加了日產液量，從而能將煤粉帶出井筒，避免煤粉落在泵內固定閥上，導致閥關不嚴造成漏失進而泵效下降或煤粉堵塞泵筒造成卡泵(圖1)。機理：一是提高了油管內的液流速度，根據前述液流速度越大，攜帶煤粉能力越強；二是采出的排采水再次進入井筒循環，間接提高了日產液水平；三是同一平臺排采水性質相近，不存在再次進入井筒而造成煤層敏感性問題，避免了水敏造成氣量下降。2020 年累計安裝135 井次，從使用效果上來看，維護率有所下降，部分井免修期得到延長。選用計量泵型號：流量150 L/h，材質304，壓強0.3 MPa，電壓/功率220 V/90 W。

2.4 煤層層位下帶封洗井工藝

根據收集大量煤層氣井作業規律，發現煤層以下至人工井底存在大量煤泥、壓裂砂、泥漿殘留等混合物。雖然新井投產時沖砂至人工井底，但由于井筒口袋僅有30 m，氣井長期生產帶出大量煤粉沉在井底，篩管在煤層之下更易堵塞，造成進液不暢影響泵效，煤粉更不易隨水帶至地面，疊加效應造成井筒口袋沉淀物越來越多。因此通過帶封洗井工藝清理煤層口袋沉淀物，達到凈化口袋目的。

2021 年1 月在W19 平臺延3-8-26 井開展試驗，采用特制RTTS封隔器，內通徑58 mm，采用73 mm 平式油管懸掛，用36 mm 空心桿作為循環加深管柱(節箍外徑51 mm)，如圖2 所示。現場接單根4 根空心桿到達預定深度，洗井泵壓10～15 MPa，成功洗出大量煤粉[1-2]。

工藝評價：一是RTTS 封隔器是該工藝核心，必須保證深度準確、密封合格，必要時可附加水力錨輔助固定管柱。二是封隔器座封后必須試壓，正打壓15 MPa 驗封合格。三是泵車啟泵后，先小排量洗井，待有返出后逐漸加大排量，控制泵壓不要超過封隔器最大承受壓力，防止膠皮刺漏，洗井液灌入煤層造成損害。四是本次作業空心桿井口密封采用簡易防噴盒密封，依靠空心桿自重壓住自制密封膠皮，僅能實現靜密封不漏水，但活動桿柱時必須停泵，否則井口漏水，目前還不能實現動密封洗井。后期還需工藝改進。

圖1 帶壓洗井裝置流程圖

圖2 帶封洗井管柱結構圖

2.5 空心桿氣舉排液工藝

在73 mm 油管中下入36 mm 空心抽油桿，通過壓縮機向管桿環空內注入高壓氣體，降低井內氣液混合物的密度，形成高速流體，再經空心桿將低密度的氣液兩相流體舉升至地面排出，從而實現排水降壓目的。排到地面的氣液混合物經氣液分離器分離，水進水池，氣進壓縮機加壓再次注入井內，形成循環(圖3)。

圖3 空心桿氣舉地面流程圖

2021 年1 月在W46 平臺延3-30-22 井開展試驗，1 月17 日完成井下管柱(圖4)，1 月18 日開始氣舉，分離器無水排出，等液面恢復。2 月4 日分離器有10 L 水排出，2 月5 日加深一根空心桿，排出0.1 m3水，此后每3 d 排水20 L 形成制度。日產氣量穩定在2 000 m3。地面返出流程可見明顯排采水及煤粉。

2.6 套管撈水舉升工藝

由于煤層氣井產液量低，間抽或停抽一段時間后復抽排液經常會遇阻導致徹底抽不起來，從而導致維護率較高。有鑒于此，2020年氣田應用空井筒套管撈水舉升工藝，加工一個4 m長、外徑114 mm 的撈水筒，置于井口防噴管內，防噴管外徑140 mm，總長5.6 m(提升管4.7 m，下接頭0.9 m)，采用撈油車對13 口井開展試驗。撈水前井筒都用118 mm 通井規通過，但由于撈水筒較輕，5 個井撈水遇阻不成功。8 個井撈水成功，但由于部分井產氣量低，流量計計量不準，反而出現撈水后氣量下降，屬于異常樣本不予考慮。撈水有效井3 個，占比較低。

工藝評價：一是撈水筒長度受限于防噴管，一次撈水量僅為40 L。如遇液量大的井，撈水次數較多，效率較低，投入產出比低。二是低氣量井流量計計量誤差大，對撈水效果評估影響大。三是撈水僅用于井斜小于40°的定向井，大斜度井未嘗試。

圖4 空心桿氣舉井下結構示意圖

3 結語

通過對煤粉顆粒構成規律分析及產液攜帶能力計算，掌握煤粉運移等規律。在延川南煤層氣田治理煤粉卡泵過程中嘗試多種舉升及治理工藝，均在現場進行有益嘗試，試驗效果好的需進一步推廣，不適應的需繼續優化改進提高完善：

(1)帶沉砂管的防煤粉泵在氣田應用良好，有兩口井從2017 年使用后至今未作業，可繼續推廣使用，尤其是針對煤粉多，檢泵頻繁井。無固定閥防煤粉泵適應性不好，需廠家改進。據調研有一種防砂防垢固定閥可直接替換普通泵的固定閥，也具有防卡泵效果，期待應用效果評價。

(2)無桿舉升隔膜泵在我工區應用兩口井均不成功，該泵設計能力與現場工況不符，需廠家改進后再試用。

(3)帶壓洗井裝置屬于本公司自我研發，應用效果顯著，已大規模推廣并申請專利。

(4)煤層下帶封洗井工藝屬于清理井筒，消除煤粉沉積，凈化機抽工況環境，從而達到延長免修期的效果，該井應用成功，效果顯著，在工區內一些煤粉多、易卡泵的井可以先進行帶封洗井清理口袋，后應用防煤粉泵共同治理。

(5)空心桿氣舉也屬于無桿舉升工藝，在現場應用效果良好，但該工藝需壓縮機配合，后期可改為車載壓縮機流動氣舉，進一步擴大應用范圍。

(6)空井筒套管直接撈水借鑒常規油撈油工藝技術，但現場應用受制于撈水效率低，操作成本高等因素，需在現有撈筒上改進，提高單次撈水量及效率。在本工區低產液井較多情況下還是有一定應用需求。